[发明专利]激光热辅助金属/热塑性塑料摩擦热压连接的装置及方法

说明书

本发明公开激光热辅助金属/热塑性塑料摩擦热压连接的装置及方法，装置包括工作台、激光加热器、旋转冲头和计算器控制系统，金属薄板与热塑性塑料板由上至下通过夹具固定于工作台上；所述旋转冲头与机床主轴连接，所述激光加热器置于旋转冲头的前方并与旋转冲头保持同速同向运动；所述激光加热器、旋转冲头分别与计算机控制系统电连接。本发明连接工艺简单，无需其他连接介质，可实现金属薄板与热塑性速率板的高效连接。

技术领域

本发明涉及薄板材料连接新技术领域，尤其涉及激光热辅助金属/热塑性塑料摩擦热压连接的装置及方法。

背景技术

随着对节能减排的要求越来越高，采用“以塑带钢”成为结构轻量化的必由之路，例如纤维增强复合材料由于其优异的材料性能，在工程制造领域得到越来越广泛的运用。机械结构件中由此出现大量金属/热塑性塑料板异质叠层复合结构。该型结构设计过程中,实现两者的可靠连接是关键。目前常用的连接方法中，采用机械方法连接方法（如铆接、螺栓连接等）时，一方面由于连接件的存在增加了结构件重量，不利于轻量化；另一方面机械连接需要制孔，连接孔的存在会破坏结构的连续性，容易造成连接区域损伤，同时也难以满足结构密封性要求。胶接容易造成挥发性的环境污染，并影响操作者的身心健康。激光连接虽然速度快，但是容易导致层间烧蚀、气孔、连接强度较低等问题；而焊接用于金属/非金属这种物化性质差异大的材料时存在焊接性能差的问题，再加上热塑性塑料基体材料熔点低，传统焊接方式难以满足异质叠层结构的连接要求，无法实现优质高效连接。这些传统连接技术的缺陷限制了金属/热塑性塑料叠层结构的进一步应用，因此迫切需要开发新的连接技术,推动异质叠层复合结构走向实用化，这对于其它异种材料连接问题也有着重要的参考价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠且高效的激光热辅助金属/热塑性塑料摩擦热压连接的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

激光热辅助金属/热塑性塑料摩擦热压连接的装置，其包括工作台、激光加热器、旋转冲头和计算器控制系统，

金属薄板与热塑性塑料板由上至下通过夹具固定于工作台上；所述旋转冲头与机床主轴连接，所述激光加热器置于旋转冲头的前方并与旋转冲头保持同速同向运动；

所述激光加热器、旋转冲头分别与计算机控制系统电连接。

所述激光加热器的光斑作用中心与旋转冲头的运动中心的连线与工作台的边平行。

所述机床主轴为电主轴。

本发明的连接方法，包括以下步骤：

1）在计算机控制系统中设置激光加热器的激光功率，功率范围50-5000W；激光光斑与旋转冲头的移动速度相同，均为0.5-100mm/min，激光光斑中心与旋转冲头间距5-200mm；旋转冲头转速500~5000rpm，旋转冲头压入工件0.1-1.5mm（也可根据需要安装压力传感器，通过设置下压力控制载荷），并设定激光加热器与旋转冲头运动轨迹；

2）将需要连接的金属薄板与热塑性塑料板从上之下放置在工作台上，并用夹具夹紧定位；

3）启动激光加热器，并在预定运动轨迹的起始位置压入旋转冲头；

4）启动旋转冲头，按照设定参数及轨迹移动激光加热器和旋转冲头，实现连续金属薄板与热塑性塑料板的连接；

5）预定的运动轨迹运行完毕后，激光加热器关闭，旋转冲头与金属薄板分离，完成连接。

激光加热器对金属薄板进行预热，并将热传导入下层热塑性塑料板，使热塑性材料受热发生软化，在压力作用下发生一定塑性变形；同时可旋转冲头与金属薄板之间发生摩擦，产生热量和压力，进一步使下层热塑性材料发生融化，增加热塑性基体材料的流动性，并使融化的基体粘黏两板，当旋转冲头离开接触工件表面时，工件冷却，最终实现金属薄板与热塑性塑料板之间的有效连接。