金属/复合材料激光焊接技术解决方案

　　在汽车制造过程中，零部件的连接时必不可少的工序。特别是在汽车轻量化的要求下，纤维增强复合材料的应用逐步增多，金属/复合材料的连接是材料及整车制造商所必须解决的问题。激光焊接不像胶接需要额外的添加剂，也可避免紧固连接对部件结构产生破坏，是近年来较受欢迎的异种材料连接工艺。
　　
　　激光焊接是目前较具发展前景的可规模化生产的复合材料/金属连接工艺。由欧盟资助的FlexHyJoin项目开展了汽车顶棚加强筋部件的全自动化激光焊接生产线的研发。
　　
　　顶棚加强筋的制备
　　
　　如图1，加强筋由连续玻纤增强PA6经热压成型。先将连续玻纤增强的复合材料半成品经红外加热器加热到加工温度，再进行模压成型，再进行修剪。其次，需在加强筋上安装金属支架，以实现与顶棚的安装。金属支架采用钢板冲压而成。 　　金属/复合材料的激光焊接解决方案
　　
　　（1）激光焊接技术原理 　　该项目开发的自动化产线可实现各元件的自动组装，具体如图2。金属支架预先采用激光进行预处理，改变金属表面结构。然后利用激光器对金属支架进行加热，与金属表面接触的复合材料发生熔融，再通过压力实现连接。同时，为确保连接质量，研究组还通过热成像技术对接头进行了非破坏性的缺陷测试。结果表明，组件连接质量良好，适合安装在最终产品中。 　　焊接时，激光作用在金属表面产生烧蚀，形成空腔结构。同时附近的复合材料熔融，延加工方向形成熔体珠（如图3）。重复该过程可在连接面形成特殊的几何结构，聚合物和金属之间形成正连接。因此，混合结构的强度受到焊接布置的影响，可有针对性地布置焊接点，以更好的匹配应用需求。
　　
　　为实现焊接过程的在线控制，研究团队开发了微结构跟踪处理系统，可快速处理2.5-D的几何结构，如车身侧支架。在各个线之间，通过可移动透镜（z移位器）沿着光束路径自动跟踪光束焦点，使得各个线的处理总是在激光焦点中进行。项目联盟成员New Infrared Technologies（NIT）还开发了一种用于过程控制的高速红外摄像机，实现了焊接过程的在线控制与验证。
　　
　　感应加热技术在复合材料连接中应用广泛，但用于复合材料连接时多是加热复合材料，而用于混合材料连接时，一般需要加热金属元件。研究人员在该项目中使用了连续感应加热技术，如图4。当高频交流电流过电感器时，在其周围形成电磁交变场，通过电阻和磁滞损耗在金属中产生热能。金属被感应加热直至其高于熔化温度并低于所用基质聚合物的降解温度。在该区域中，复合材料在与金属的接触点处熔融，并在压力作用下填充至金属表面形成的空腔中。 　　（2）激光焊接工艺过程
　　
　　在复合材料加强筋与金属支架焊接时，激光辐射通过二极管堆叠并使用适当的光学器件以聚焦在工件上，金属吸收激光辐射并将能量转换成热量。
　　
　　激光连接工艺主要分两种：
　　
　　 激光传输连接：通过选用特定波长的激光束，通过透明度较好的聚合物材料实现传输，使其撞击加热的金属表面。由于聚合物与金属物理接触，会因热传导而升温并熔化。但该项目的玻纤增强复合材料透明度低，激光传输连接不适用。
　　
　　 激光导热连接：作为激光传输连接的替代方案，激光辐射在金属表面，通过金属导热将热量传导至连接区域。
　　
　　能量输入取决于激光功率、照射持续时间和激光辐射在金属表面上的吸收情况。项目组通过使用可调整光束几何形状和光束路径的元件，可尽可能均匀地引入能量。此外，为达到较好的连接效果，部件通过夹紧装置加载固结力，以实现聚合物在金属表面的完全润湿和有效连接。 　　（3）热成像质量检测
　　
　　为实现工业批量化应用，项目组引入了热成像技术，以保证产品质量的稳定。该技术借助卤素灯等光学热源，可通过调制频率调节检测深度，对产品质量进行检验，如图6。 　　（4）全自动生产线设计 　　项目组在各工艺的基础上集成设计了全自动生产线，具体如图7。该产线将于2018年12月调整测试完成。据悉，该工艺除了本文研究的钢板与玻纤增强PA材料的连接，还将适用于铝、钛、铜等金属与纤维增强PP、PE或PPS等材料的连接。

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