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华天激光焊接机对不锈钢与碳纤维增强塑料的焊接使用

2015-07-19 返回列表

  因为碳纤维增强塑料(CFRP)具有很高的强度对分量比(strength-to-weight ratio)、出色的抗腐蚀功能和优秀的疲惫功能,因而受到了极大的关注,上述特点让这种资料合适用在飞机、轿车和其他产品中。轿车工业对热塑性碳纤维增强塑料特别感兴趣,因为它有望缩短出产时刻。
  将塑料或碳纤维增强塑料与金属接合在一起,一般需求运用胶粘剂或螺栓、铆钉等机械东西。但是,这些接合工艺有几种不足之处,如蒸发性有机化合物(VOC)排放的环境约束、粘合时刻较长,螺钉或铆钉也会添加分量。因而,Seiji Katayama教授带领团队开宣布激光辅佐直接焊接金属和塑料(LAMP)的技能。经过运用连续波(CW)Nd:YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器等,该技能能敏捷而牢固地将比如钢、不锈钢、铝合金在内的金属与工程热塑性塑料(例如聚酰胺PA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC)接合起来。

  LAMP焊接技能能够牢固地将碳纤维增强塑料片材和304不锈钢板焊接在一起,其间运用CW碟片激光器在金属上生成不焊透焊缝。图1显现了聚丙烯腈(PAN)型PA基材碳纤维增强塑料片材与304不锈钢板之间的激光搭接接头在做拉伸剪切实验前、后的状况。其间,碳纤维增强塑料片材厚度为3mm、宽度为20mm,具有较长的碳纤维,不锈钢板厚度为3mm、宽度为30mm。横截面的相片(见图1中的插图)显现了不锈钢中浅层小孔构成的激光焊道。此外,熔化区广泛散布在碳纤维增强塑料片材中接近接合面的区域。在图1b中,咱们能够观察到黑色的碳纤维增强塑料片材粘结在304不锈钢板的底外表。特别是,粘结的碳纤维增强塑料有些首要依据激光焊道下的不锈钢板而辨认出来。在碳纤维增强塑料片材的接合面中也能看到不锈钢的有些。上述事实标明构成牢固的焊接接头是可行的。

 图2显现了在不同碟片激光辐照条件下对接头进行拉伸剪切实验的成果。成果标明,接头的最大拉伸剪切负荷(强度)约为4800N(20mm宽的碳纤维增强塑料),这一成果是在功率为2kW和5mm/s的实验速度的状况下得出,高于碳纤维增强塑料板的拉伸剪切负荷的一半。30mm宽、3mm厚的PA塑料片材与304不锈钢板之间接头的拉伸剪切负荷最大约为3400N。从中咱们能够判别,20mm宽的碳纤维增强塑料和304不锈钢板之间接头的最大负荷要远高于30mm宽的PA塑料片材与钢板间的接头。因而,经过在具有更长碳纤维的聚丙烯腈(PAN)型PA基材碳纤维增强塑料片材和304不锈钢板之间构成搭接接头,能够得到最高的负荷。

  图3为碳纤维增强塑料片材和304不锈钢板之间接头接合面的扫描电子显微镜(SEM)相片。很多亚毫米巨细的气泡不规则地散布在碳纤维周围的塑料基体中,这是由激光焊接过程中溶池的高温导致的热传导构成的。据证明,碳纤维增强塑料中气泡的几许特征首要取决于塑料和碳纤维的叠合形状,以及传导热量的水平缓碳纤维的长度。据悉,与一般塑料相比,碳纤维增强塑料中更容易构成气泡。对一般塑料来说,气泡只构成在界面邻近;而在碳纤维增强塑料中,因为纤维外表与基体之间的不稳定以及碳纤维具有较高的热导率,所以气泡广泛散布在塑料基体中。

  图4是接头界面邻近的透射电子显微镜(TEM)相片,从PA基体、不锈钢上的氧化膜、不锈钢基体中别离选择典型的点来进行透射电镜能谱剖析(TEM-EDS)。咱们能够观察到,碳纤维增强塑料从原子或分子尺度上被连接在304不锈钢的10纳米厚的铬铁(Cr-Fe)氧化层上。这标明,化学键合和物理(范德华力)粘结的可能性很高。因而,碳纤维增强塑料和304不锈钢能被牢固地接合在一起构成强而有力的接头。

  进一步地,在7×10^-6帕的高压下,从碳纤维增强塑料片材向不锈钢板钻一个2mm的孔,并丈量钻孔过程中蒸发气体的压力水平缓质谱,再经过Q-质谱仪来剖析气泡中的气体成分。成果标明,气泡内的气体成分为氮气、氢气和碳纤维增强塑料的PA基体裂解发生的烃类气体。因为裂解后发生气泡并敏捷扩大,高压迫使熔化的塑料进行移动并流入金属外表的坡口或晶界。从所有实验中咱们能够推断出接合机制(见图5),即,碳纤维增强塑料复合资料与不锈钢直接接合,是经过化学或物理地粘结熔化的塑料和掩盖在不锈钢上的氧化膜来完成的,此外还要思考塑料流动到坡口或晶界而导致的机械锚固效应。
  这种激光焊接碳纤维增强塑料和金属的技能估计将在行业界得到使用。这种办法也成功用于焊接碳纤维增强塑料和铝合金或带有锌涂层的钢,并且它被证明能构成强而有力的接合。