[发明专利]一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法

说明书

本发明涉及一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，属于金属/碳纤维增强热塑材料加工技术领域。为解决金属与CFRTP界面机械嵌合不明显、化学键合弱的问题，本发明提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，包括在金属基板表面制备微织构、在微织构表面原位生成微米级多孔金属氧化物薄膜、将CFRTP板材与处理后的金属基板待连接部位叠放固定，在一定压力下完成激光连接获得强化接头。本发明通过对激光连接界面的形貌及化学状态的调控提高熔化的CFRTP在金属基板表面润湿铺展，使其填充于金属基板表面微织构及多孔薄膜内，促进机械嵌合、增加化学键合形成，从而提高金属基板与CFRTP板材激光连接的结合强度。

技术领域

本发明属于金属/碳纤维增强热塑复合材料复合加工技术领域，尤其涉及一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法。

背景技术

异种轻质材料的连接作为实现轻量化的重要途径，已广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车等先进制造领域。轻质合金具有较高的比强度、耐蚀性及耐热性，在航空制造、机车行业应用前景广阔。碳纤维增强树脂基热塑复合材料-CFRTP因具有较高比强度和比模量、耐冲击等优势已成为实现进一步轻量化的工程应用的替换材料，并应用于工程应用的主要承力部件中。实现两种材料的连接，对实现轻量化的推动进程具有极大的优势和应用前景。目前金属与CFRTP的连接已经应用于航空航天以及汽车领域。这种复合结构的薄弱部分往往是碳纤复合材料与金属连接的接头部位，这意味着接头的质量将直接决定着结构件的使用寿命。所以，实现碳纤维复合材料与金属材料高质量的连接是碳纤维复合材料工程化、产业化的关键，也是契合轻量化发展的必然趋势。

金属与CFRTP的连接受限于两者的热物理性能，如熔点、热导率及线膨胀系数等差异较大，难以形成高质量连接接头。目前应用于金属材料与热塑复合材料的连接工艺主要有机械铆接、胶接与焊接。机械铆接自身增重难以达到接头轻量化效果，胶接受限于胶液润湿性难以完成大面积连接。焊接工艺中电阻加热焊在接头内部会残存加热元件影响接头使用性能，超声波焊会破坏接头内复合材料的增强纤维结构，难以实现强度的进一步提高，搅拌摩擦焊在接头处会出现匙孔等缺陷降低连接强度。激光焊接凭借着其非接触、高效率、振动应力小等优势，在金属与CFRTP的连接上具有良好的应用前景。如申请号为201210581561.6的“一种新型激光透射焊接连接方法”的中国专利通过在金属表面制备凹坑改变表面形貌采用激光透射连接的方法可实现塑料与金属材料的高强度连接，但这种方法只适用于透光性较好的塑料且凹坑深度较浅，对于目前应用广泛的带有增强体的透光性较差的CFRTP适用性较差，且只考虑了从机械嵌合角度对接头强化。而对于CFRTP与金属材料的激光连接，目前应用较多的是激光热导连接，即金属基质置于热塑复合材料上方，激光扫描金属基质，将热量由金属基质表面传导至金属/热塑复合材料连接界面，当界面温度达到热塑复合材料熔化区间，树脂发生熔化，在外载荷压力及气泡内部高压作用下，界面区域局部熔化的树脂嵌入凹凸不平的金属表面内达成连接接头，促进界面发生机械互锁及化学元素扩散以达成机械连接及化学键合。

但是，界面机械互锁能力及化学键合强度影响着结合强度，进而影响连接接头的使用性能。金属与CFRTP的物理性能及微观结构差异较大，且激光焊接工艺窗口较窄，仅依靠工艺优化设计无法通过机械嵌合力及化学键合强度的进一步提高界面连接强度。

发明内容

为解决现有激光连接金属与CFRTP时由于界面机械嵌合不明显、化学键合强度弱造成的接头强度低的问题，本发明提供了一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法。

本发明的技术方案：

一种金属/碳纤维增强热塑复合材料激光连接方法，包括如下步骤：

步骤一、在去除表面油污及氧化膜的金属基板表面利用纳秒激光加工系统制备微织构；

步骤二、将步骤一所得制备微织构后的金属基板置于微弧氧化设备内，在金属表面微织构表面原位生成微米级多孔金属氧化物薄膜；