金屬/復(fù)合材料激光焊接技術(shù)解決方案

發(fā)布時間:2024-12-27 瀏覽:

在汽車制造過程中，零部件的連接時必不可少的工序。特別是在汽車輕量化的要求下，纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料的應(yīng)用逐步增多，金屬/復(fù)合材料的連接是材料及整車制造商所必須解決的問題。激光焊接不像膠接需要額外的添加劑，也可避免緊固連接對部件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，是近年來較受歡迎的異種材料連接工藝。

激光焊接是目前較具發(fā)展前景的可規(guī)?；a(chǎn)的復(fù)合材料/金屬連接工藝。由歐盟資助的FlexHyJoin項目開展了汽車頂棚加強(qiáng)筋部件的全自動化激光焊接生產(chǎn)線的研發(fā)。

頂棚加強(qiáng)筋的制備

如圖1，加強(qiáng)筋由連續(xù)玻纖增強(qiáng)PA6經(jīng)熱壓成型。先將連續(xù)玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料半成品經(jīng)紅外加熱器加熱到加工溫度，再進(jìn)行模壓成型，再進(jìn)行修剪。其次，需在加強(qiáng)筋上安裝金屬支架，以實現(xiàn)與頂棚的安裝。金屬支架采用鋼板沖壓而成。

金屬/復(fù)合材料的激光焊接解決方案

（1）激光焊接技術(shù)原理

該項目開發(fā)的自動化產(chǎn)線可實現(xiàn)各元件的自動組裝，具體如圖2。金屬支架預(yù)先采用激光進(jìn)行預(yù)處理，改變金屬表面結(jié)構(gòu)。然后利用激光器對金屬支架進(jìn)行加熱，與金屬表面接觸的復(fù)合材料發(fā)生熔融，再通過壓力實現(xiàn)連接。同時，為確保連接質(zhì)量，研究組還通過熱成像技術(shù)對接頭進(jìn)行了非破壞性的缺陷測試。結(jié)果表明，組件連接質(zhì)量良好，適合安裝在最終產(chǎn)品中。

焊接時，激光作用在金屬表面產(chǎn)生燒蝕，形成空腔結(jié)構(gòu)。同時附近的復(fù)合材料熔融，延加工方向形成熔體珠（如圖3）。重復(fù)該過程可在連接面形成特殊的幾何結(jié)構(gòu)，聚合物和金屬之間形成正連接。因此，混合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度受到焊接布置的影響，可有針對性地布置焊接點，以更好的匹配應(yīng)用需求。

為實現(xiàn)焊接過程的在線控制，研究團(tuán)隊開發(fā)了微結(jié)構(gòu)跟蹤處理系統(tǒng)，可快速處理2.5-D的幾何結(jié)構(gòu)，如車身側(cè)支架。在各個線之間，通過可移動透鏡（z移位器）沿著光束路徑自動跟蹤光束焦點，使得各個線的處理總是在激光焦點中進(jìn)行。項目聯(lián)盟成員New Infrared Technologies（NIT）還開發(fā)了一種用于過程控制的高速紅外攝像機(jī)，實現(xiàn)了焊接過程的在線控制與驗證。

感應(yīng)加熱技術(shù)在復(fù)合材料連接中應(yīng)用廣泛，但用于復(fù)合材料連接時多是加熱復(fù)合材料，而用于混合材料連接時，一般需要加熱金屬元件。研究人員在該項目中使用了連續(xù)感應(yīng)加熱技術(shù)，如圖4。當(dāng)高頻交流電流過電感器時，在其周圍形成電磁交變場，通過電阻和磁滯損耗在金屬中產(chǎn)生熱能。金屬被感應(yīng)加熱直至其高于熔化溫度并低于所用基質(zhì)聚合物的降解溫度。在該區(qū)域中，復(fù)合材料在與金屬的接觸點處熔融，并在壓力作用下填充至金屬表面形成的空腔中。

（2）激光焊接工藝過程

在復(fù)合材料加強(qiáng)筋與金屬支架焊接時，激光輻射通過二極管堆疊并使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)器件以聚焦在工件上，金屬吸收激光輻射并將能量轉(zhuǎn)換成熱量。

激光連接工藝主要分兩種：

激光傳輸連接：通過選用特定波長的激光束，通過透明度較好的聚合物材料實現(xiàn)傳輸，使其撞擊加熱的金屬表面。由于聚合物與金屬物理接觸，會因熱傳導(dǎo)而升溫并熔化。但該項目的玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料透明度低，激光傳輸連接不適用。

激光導(dǎo)熱連接：作為激光傳輸連接的替代方案，激光輻射在金屬表面，通過金屬導(dǎo)熱將熱量傳導(dǎo)至連接區(qū)域。

能量輸入取決于激光功率、照射持續(xù)時間和激光輻射在金屬表面上的吸收情況。項目組通過使用可調(diào)整光束幾何形狀和光束路徑的元件，可盡可能均勻地引入能量。此外，為達(dá)到較好的連接效果，部件通過夾緊裝置加載固結(jié)力，以實現(xiàn)聚合物在金屬表面的完全潤濕和有效連接。

（3）熱成像質(zhì)量檢測

為實現(xiàn)工業(yè)批量化應(yīng)用，項目組引入了熱成像技術(shù)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。該技術(shù)借助鹵素?zé)舻裙鈱W(xué)熱源，可通過調(diào)制頻率調(diào)節(jié)檢測深度，對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢驗，如圖6。

（4）全自動生產(chǎn)線設(shè)計

項目組在各工藝的基礎(chǔ)上集成設(shè)計了全自動生產(chǎn)線，具體如圖7。該產(chǎn)線將于2018年12月調(diào)整測試完成。據(jù)悉，該工藝除了本文研究的鋼板與玻纖增強(qiáng)PA材料的連接，還將適用于鋁、鈦、銅等金屬與纖維增強(qiáng)PP、PE或PPS等材料的連接。

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