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金屬/復合材料激光焊接技術解決方案
發布時間:2024-12-27 瀏覽:
在汽車制造過程中，零部件的連接時必不可少的工序。特別是在汽車輕量化的要求下，纖維增強
復合材料的應用逐步增多，金屬/復合材料的連接是材料及整車制造商所必須解決的問題。激光焊接不像膠接需要額外的添加劑，也可避免緊固連接對部件結構產生破壞，是近年來較受歡迎的異種材料連接工藝。
激光焊接是目前較具發展前景的可規模化生產的復合材料/金屬連接工藝。由歐盟資助的FlexHyJoin項目開展了汽車頂棚加強筋部件的全自動化激光焊接生產線的研發。
頂棚加強筋的制備
如圖1，加強筋由連續玻纖增強PA6經熱壓成型。先將連續玻纖增強的復合材料半成品經紅外加熱器加熱到加工溫度，再進行模壓成型，再進行修剪。其次，需在加強筋上安裝金屬支架，以實現與頂棚的安裝。金屬支架采用鋼板沖壓而成。
金屬/復合材料的激光焊接解決方案
（1）激光焊接技術原理
該項目開發的自動化產線可實現各元件的自動組裝，具體如圖2。金屬支架預先采用激光進行預處理，改變金屬表面結構。然后利用激光器對金屬支架進行加熱，與金屬表面接觸的復合材料發生熔融，再通過壓力實現連接。同時，為確保連接質量，研究組還通過熱成像技術對接頭進行了非破壞性的缺陷測試。結果表明，組件連接質量良好，適合安裝在最終產品中。
焊接時，激光作用在金屬表面產生燒蝕，形成空腔結構。同時附近的復合材料熔融，延加工方向形成熔體珠（如圖3）。重復該過程可在連接面形成特殊的幾何結構，聚合物和金屬之間形成正連接。因此，混合結構的強度受到焊接布置的影響，可有針對性地布置焊接點，以更好的匹配應用需求。
為實現焊接過程的在線控制，研究團隊開發了微結構跟蹤處理系統，可快速處理2.5-D的幾何結構，如車身側支架。在各個線之間，通過可移動透鏡（z移位器）沿著光束路徑自動跟蹤光束焦點，使得各個線的處理總是在激光焦點中進行。項目聯盟成員New Infrared Technologies（NIT）還開發了一種用于過程控制的高速紅外攝像機，實現了焊接過程的在線控制與驗證。
感應加熱技術在復合材料連接中應用廣泛，但用于復合材料連接時多是加熱復合材料，而用于混合材料連接時，一般需要加熱金屬元件。研究人員在該項目中使用了連續感應加熱技術，如圖4。當高頻交流電流過電感器時，在其周圍形成電磁交變場，通過電阻和磁滯損耗在金屬中產生熱能。金屬被感應加熱直至其高于熔化溫度并低于所用基質聚合物的降解溫度。在該區域中，復合材料在與金屬的接觸點處熔融，并在壓力作用下填充至金屬表面形成的空腔中。
（2）激光焊接工藝過程
在復合材料加強筋與金屬支架焊接時，激光輻射通過二極管堆疊并使用適當的光學器件以聚焦在工件上，金屬吸收激光輻射并將能量轉換成熱量。
激光連接工藝主要分兩種：
激光傳輸連接：通過選用特定波長的激光束，通過透明度較好的聚合物材料實現傳輸，使其撞擊加熱的金屬表面。由于聚合物與金屬物理接觸，會因熱傳導而升溫并熔化。但該項目的玻纖增強復合材料透明度低，激光傳輸連接不適用。
激光導熱連接：作為激光傳輸連接的替代方案，激光輻射在金屬表面，通過金屬導熱將熱量傳導至連接區域。
能量輸入取決于激光功率、照射持續時間和激光輻射在金屬表面上的吸收情況。項目組通過使用可調整光束幾何形狀和光束路徑的元件，可盡可能均勻地引入能量。此外，為達到較好的連接效果，部件通過夾緊裝置加載固結力，以實現聚合物在金屬表面的完全潤濕和有效連接。
（3）熱成像質量檢測
為實現工業批量化應用，項目組引入了熱成像技術，以保證產品質量的穩定。該技術借助鹵素燈等光學熱源，可通過調制頻率調節檢測深度，對產品質量進行檢驗，如圖6。
（4）全自動生產線設計
項目組在各工藝的基礎上集成設計了全自動生產線，具體如圖7。該產線將于2018年12月調整測試完成。據悉，該工藝除了本文研究的鋼板與玻纖增強PA材料的連接，還將適用于鋁、鈦、銅等金屬與纖維增強PP、PE或PPS等材料的連接。