[发明专利]一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用

说明书

本发明涉及金属和非金属复合材料激光连接技术领域，具体涉及一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用。为了解决现有技术纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊存在的过程不易控制，工艺繁琐，接头质量差的问题，本发明提出一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用，设置激光器与球形压头同轴，可以确保随焊加压，首先从压力影响流动性的角度，可以在原有焊接时间内加速熔融层流入金属表面微织构间隙；其次从压力影响界面热传导的角度，接触压力的增加能够提升界面传热，促使CFRP基体在更短时间内熔融，从一定程度上增加了熔融层保持熔融状态的时间，有利于消除界面空隙。

技术领域

本发明涉及金属和非金属复合材料激光连接技术领域，具体涉及一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用。

背景技术

汽车轻量化的迫切需求促使了金属和热塑性复合材料的搭接复合结构的进一步应用。采用高比强度和高比刚度的碳纤维增强热塑性高分子基复合材料(以下简称CFRP)代替传统上单一的金属结构，能够极大地降低车身自重，显著降低能源消耗。目前，激光热导焊接工艺已经发展成为金属和热塑性复合材料的先进连接技术之一，备受国内外研究学者关注。

由于金属和CFRP巨大的理化性能差异，两者之间难以形成高强度的界面结合。通过激光表面微织构技术加强机械锚固效应从而提高接头强度，是目前强化金属和CRRP激光热导焊接头的主要措施。其原理便是利用激光烧蚀作用在金属表面预制具有一定深度和形状的微织构，在焊接过程中使得CFRP基体的熔融层流入微织构，与之形成机械咬合，同时增加二者接触面积，达到提高接头强度的目的。

然而，发明人研究发现，由于CFRP基体树脂熔化后的材料粘性大小直接影响熔融层的流动性，当激光烧蚀预制的微织构深度过大或者激光参数采用不合理，就极易造成熔融层无法在焊接时间内填充微织构，导致焊后界面处残留空气间隙，反而降低了接头强度。因而，通过激光烧蚀金属表面形成微织构而加强锚固效应的强化效果优劣，与CFRP基体熔融层的流动填充能力密切相关。当增加激光热输入提高热传导后(搭接激光热导焊接头多采用激光直接加热金属，然后热量以热传导的形式传至CFRP复合材料)，虽然界面温度的提升能够促进流动性改善上述问题，但高热输入不可避免的增加了焊后残余应力、变形及CFRP基体的裂解，且焊接过程不易控制；其次优化金属表面预制微织构的形状也可以避免上述问题，但增加了工艺繁琐性，且限制了该强化措施的应用。

此外，发明人还发现，虽然现有技术公开了一些纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊方法，但是需要在焊接前后进行施压，辅以超声处理，压力、超声参数的细微变化就能影响接头质量，装置复杂，操作难度高。

发明内容

为了解决现有技术纤维增强热塑性复合材料与金属激光压焊存在的过程不易控制，工艺繁琐，接头质量差的问题，本发明提出一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置及其方法和应用，设置激光器与球形压头同轴，可以确保随焊加压，首先从压力影响流动性的角度，可以在原有焊接时间内加速熔融层流入金属表面微织构间隙；其次从压力影响界面热传导的角度，接触压力的增加能够提升界面传热，促使CFRP基体在更短时间内熔融，从一定程度上增加了熔融层保持熔融状态的时间，有利于消除界面空隙。

具体地，本发明是通过如下所述的技术方案实现的：

本发明第一方面，提供一种金属和热塑性复合材料激光压焊装置，包括：支撑台、激光器和球形压头，支撑台设有通槽，球形压头位于通槽内，球形压头一端与顶杆活动连接；

所述支撑台设有夹具，夹具与激光器位于支撑台的同侧，激光器与顶杆位于支撑台两侧，激光器、球形压头、顶杆轴线重合。

本发明第二方面，提供一种金属和热塑性复合材料的激光热导焊接方法，包括：

将金属和热塑性复合材料置于支撑台的通槽上，热塑性复合材料位于金属和支撑台之间，采用夹具固定金属，调整激光器光斑位置，保证光斑中心与支撑台通槽的中心在同一轴线上；