[发明专利]一种基于互锁结构的激光选区加工连接金属与热塑性复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种利用激光选区微结构加工和激光选区加热连接金属与热塑性复合材料的方法，通过在金属与热塑性复合材料连接界面形成互锁结构提高接头连接强度，解决了使用现有连接方法连接金属材料与非金属材料后接头存在连接强度低的缺陷。本发明利用激光选区加工连接金属材料与热塑性复合材料的方法按以下步骤实现：一、使用激光清洗技术去除金属材料表面氧化层；二、采用激光加工系统在去除氧化层后的金属材料表面选区加工出微结构；三、使用夹紧装置将金属与热塑性复合材料夹紧并固定在激光加工平台上，采用激光加工系统选区加热金属材料表面，通过热传导在金属材料与热塑性复合材料搭接区域接触界面形成互锁结构，即实现金属材料与热塑性复合材料之间的连接。本发明连接方法连接的金属材料与热塑性复合材料之间的连接强度高、疲劳寿命高。

技术领域

本发明涉及微结构激光加工及激光辐射加热技术领域，特别是涉及一种利用激光选区加工微结构和激光选区加热连接金属与热塑性复合材料的方法。

研究背景

金属与非金属材料之间的连接在航空航天、汽车制造、医学器件、石油化工、微电子封装以及真空集热管等领域具有广泛应用。钛合金、铝合金等合金材料密度低、比强度高、断裂韧性好，但价格昂贵，热塑复合材料塑性好，通过多材料结合不仅可以实现减重等方面的应用需求，最大化利用材料各自的优点，同时，每种材料都可以达到局部载荷的使用要求，弥补材料本身的不足，从而降低综合成本、拓展应用领域。

传统的金属与非金属材料之间的连接方法主要有焊接、铆接、机械结合、涂胶结合等，但这些方法都存在很大缺陷。由于金属材料与热塑复合材料热膨胀系数相差大，通过超声波辅助焊、感应焊等焊接方法实现的连接接头应力集中，焊后出现大量微裂纹、接头性能差。由于非金属材料主要以共价键结合，金属材料主要以离子键和金属键结合，异种材料结合键不同导致材料机械性能和物理性能存在较大差异，界面结合困难。利用铆接工艺实现的金属材料与非金属材料之间的连接会对被铆接材料组合的外观、功能和动态疲劳强度产生很大制约，铆接点的动态疲劳强度低，易形成摩擦带来噪声和质量缺陷，产生松脱，造成安全问题，且铆接点密封性差，生产工序繁多，效率低，综合成本高。机械连接接头易产生应力集中和残余应力，由于蠕变、湿气和应力松弛等易引起紧固件松动，且聚合物材料对缺口敏感，易产生微裂纹，机械连接生产工艺繁琐，效率低。而涂胶连接仅能满足一定的使用要求，在抗高温，耐冲击、抗老化性能方面存在安全隐患，且凝胶固化时间长，严重影响流水作业效率，综合成本高。

目前使用激光辐射加热或激光透射加热实现金属与非金属材料之间的连接多存在接头缺陷、连接强度低等缺点。本发明提出一种结合微结构激光加工和激光辐射加热复合工艺实现轻质合金与热塑复合材料之间的连接，熔化的热塑复合材料填充进微结构凹槽，冷却凝固后在接头连接界面形成自锁结构，实现接头高连接强度和高动态疲劳寿命，且安全环保、成本低。

发明内容

为克服现有连接技术的不足，本发明针对金属材料与热塑性复合材料之间的连接，提出一种激光选区微结构加工和选区加热连接工艺方法，在接头连接界面形成一种互锁结构，实现金属材料与热塑性复合材料之间高连接强度、高疲劳寿命的连接，连接工艺简单、成本低。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种激光选区加热连接金属与热塑性复合材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、选择用于实现异性材料连接的金属与热塑性复合材料；

步骤二、使用激光清洗技术去除金属材料表面氧化层；

步骤三、设计在金属材料表面欲加工的微结构；

步骤四、将金属材料固定在激光加工平台上，确定金属材料表面选区微结构激光加工工艺路径，在金属材料表面加工出设计的微结构；

步骤五、使用夹紧装置将金属与热塑性复合材料夹紧并固定在激光加工平台上(图1)；