金属和塑料焊接的应用强度讨论

概述

随着汽车轻量化的到来，对金属和塑料的连接有着广泛的需求。如何快速有效地连接金属和含有增强碳纤维或玻璃纤维的塑料迫切需要解决。

为适应汽车工业的流水线作业要求。连接过程必须快速、可靠、自动化。以下是三种最常见的工业连接复合材料和金属部件的方法。其中，基于激光的连接技术是最新的技术。这项技术还有很多问题需要解决。这些问题不仅与效率有关，还与连接强度和老化有关。本文将详细讨论这些问题。

机械连接。快速经济，工艺稳定。缺点是复合材料上的孔破坏了复合材料的纤维分布和强度。连接器(如螺钉)增加了组件的重量。粘接剂。各种材料的连接都有广泛的粘接剂可供选择。缺点是表面需要预处理，粘接时间长，需要粘接剂，增加成本。激光连接。连接速度快，连接强度高，不需要辅料。缺点只适用于热塑性塑料。

激光连接技术的基础

热塑性塑料与金属零件的激光连接分为两个步骤。第一步，用激光在金属零件表面加工，形成微结构。这通常是由额定功率1kW的光纤激光器完成的。激光扫描表面，加工规则的凹槽和咬合结构。

由于激光束的高功率密度，金属在腐蚀过程中部分熔化和蒸发。蒸发高压喷射熔融材料，其中一部分凝固在凹槽边缘，形成咬合结构。如图3所示，可以增加凹槽分布的数量和密度，以最大限度地提高塑料在这一表面的抓力。

还有一个选择。超短脉冲使用特殊脉冲(USP)为了形成具有锥形突起的海绵表面，激光可以实现。可以用于钢、铝、硅、钛表面。塑料的连接力甚至比光纤激光加工的微结构更好。唯一的问题是USP激光器的速度太慢。

第二步，将塑料加热熔化，然后压入金属表面。冷却后，塑料与金属连接。加热塑料的方法有很多。一种方法是直接加热塑料，可以通过热板、红外线等工艺将其压入金属表面的凹槽中。另一种方法是加热金属零件，然后压在冷塑料上。热传导使塑料熔化，然后流入微小结构。

在上述第一步中，激光微加工速度快，无接触。所以这个过程非常适合插入现有的生产过程。非常适合大规模生产。

连接强度测试

金属与塑料的连接处在实际应用中会受到负荷。所以，这种复合连接所承受的最大压力是什么？哪里会断裂？

德国霍夫激光技术研究所的专家对各种材料进行了一系列应力测试，并回答了这些问题。测试内容之一如下:

1.5mm不锈钢金属板与3mm玻璃纤维PP塑料连接件进行剪切试验；1.5mm不锈钢金属板与3mmPP塑料(不含玻璃纤维)连接件进行拉伸试验。

金属表面采用1kw单模光纤激光器进行微加工，光斑直径约为40um。激光器在金属表面加工出可复制的“咬边”凹槽结构。用额定功率3kW半导体激光器加热塑料，光斑大小为7.5mm×25毫米。用0.3Mpa的压力夹紧两个部件。连接结果如下：

不锈钢Steel+含玻璃纤维PP，连接面积150mm^2不锈钢Steel+PP，上述两种类型的连接区域面积100mm^2进行破坏性测试。

Steel+含玻璃纤维PP的不锈钢，剪切强度测试。最大剪切载荷为13.13.1，槽间隔为400um。Mpa；最大剪切载荷为15.5.5，当槽间隔为300um时。Mpa。Steel不锈钢+PP，拉伸强度测试。最大拉伸载荷为5.1，当槽间隔为400um时。pa；在槽间隔300um时，最大拉伸载荷为9.1Mpa。显然，密集的凹槽分布有助于提高连接强度。但是需要注意的是，密集的凹槽会增加微加工时间。与此同时，镁片也进行了类似的测试。所有测试都表明，金属和塑料零件之间基于激光的连接技术建立了强大可靠的连接。

老化测试

汽车行业产品的另一个重要问题:这种连接是否符合耐气候变化和耐腐蚀的要求？德国霍夫激光技术研究所的专家为了回答这个问题，还进行了其他测试。

实验中，不同的金属(钢和铝)和不同的塑料（PP+通过激光连接30%玻璃纤维和PP+40%滑石粉。采用VWPV1200标准进行气候变化试验，温度变化范围为80℃~-40℃。

单个测试周期为12小时，需要重复2次、10次和30次。测试前后，样品分别进行了破坏性剪切强度测试。所有的测试结果都分布在8到15MPa之间。在测试中，还有一个有趣的现象:30个测试周期后，所有填充滑石粉的PP样品都在连接区域外的强度测试中开裂失效。换句话说，连接器比本体PP材料更强。

类似的现象也发生在耐腐蚀试验中。测试按VDA621-415标准进行了7天的测试。这个测试包括盐雾和高湿度测试条件。所有样品在测试前都能承受8-5MPa的剪切强度。在完成腐蚀测试后，进行剪切测试，所有含有滑石粉的PP样品都会在连接区域外破裂。PP样品含有玻璃纤维，在连接区域内断裂，但其强度高于测试前。

不锈钢有腐蚀现象，尤其是在微结构中。激光连接区域也有明显的腐蚀渗透，但对连接强度没有明显影响。铝板在连接区域外的微结构中也有腐蚀的迹象，但在连接区域内没有腐蚀的迹象。因此，这里可以得出结论，微结构在使用时应避免在开放环境中。

总结

通过激光连接金属和塑料，通过测试证明可以产生高强度、高可靠性的连接。气候和腐蚀测试对连接强度没有影响。经过一些老化，断裂的位置是塑料体，而不是连接位置。