激光焊接：為非接觸式加工手段提供最高工藝靈活性

如今，在越來越多的工業(yè)應(yīng)用中，激光器已被視為一種用于直接將塑料/ 復(fù)合材料與金屬進(jìn)行焊接的替代解決方案，這種非接觸式的加工手段提供了最高的工藝靈活性。
 
當(dāng)前，汽車行業(yè)的驅(qū)動(dòng)因素之一是如何在不增加成本或?qū)π阅?、質(zhì)量和安全性等造成損害或影響的情況下制造出更輕量化的汽車。對于座椅結(jié)構(gòu)來說，這主要包括使用更薄，強(qiáng)度更高的鋼材，近年來混合型材料結(jié)構(gòu)也得到了廣泛的研究。這一點(diǎn)同樣適用于僅金屬類的混合結(jié)構(gòu)以及金屬/ 塑料復(fù)合材料所打造的部件結(jié)構(gòu)。
 
這些混合材料結(jié)構(gòu)的使用會(huì)帶來許多不同的挑戰(zhàn)，最明顯的是如何將具有不同化學(xué)、機(jī)械和熱性質(zhì)的構(gòu)成材料焊接在一起。目前用于焊接塑料和金屬材質(zhì)的最傳統(tǒng)的技術(shù)是粘合劑粘合、機(jī)械焊接、包覆成型或這些工藝的組合，此類手段都涉及大量的組裝操作，以及會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)上的限制。
 
如今，在越來越多的工業(yè)應(yīng)用中，激光器已經(jīng)被視作為一種用于直接將塑料/ 復(fù)合材料與金屬進(jìn)行焊接的替代型解決方案。該方法不需要額外的液體/固體粘合劑或組裝元件，并且與機(jī)械接頭和復(fù)雜且昂貴的模具相比，激光器提供了很高的工藝靈活性。為了評估這種新型激光技術(shù)的可能性，德國Faurecia Automotive Seating公司與歐共體共同資助了一個(gè)名為PMjoin 的項(xiàng)目。
 
激光工藝步驟
 
這種直接、非接觸式的激光工藝手段包括兩個(gè)步驟。 首先，通過在該區(qū)域掃描激光并局部燒蝕材料，在金屬表面上形成帶槽的微觀結(jié)構(gòu)。 凹槽可以小到幾微米寬，而通過在同一區(qū)域上多次掃描激光可以改變深度。 圖1 示出了兩種不同的凹槽幾何形狀：頂部是使用連續(xù)波(CW)單模光纖激光器打造的樣式，其特征是頂部帶有小的重鑄結(jié)構(gòu)的不規(guī)則橫截面凹槽，而底部是采用一款納秒脈沖激光器打造的樣式，特征是在頂部具有大的重鑄結(jié)構(gòu)的規(guī)則凹槽形狀。
 
在該方法的第二個(gè)步驟中，將塑料與結(jié)構(gòu)化金屬重疊配置并加熱至熔融溫度。針對對激光波長透明的塑料，激光束可以從塑料側(cè)端施加—激光能量通過塑料被傳輸?shù)浇雍辖缑嫔?，在該界面處的能量被金屬吸收。金屬逐漸升溫，且塑料的低導(dǎo)熱性確保了局部熱點(diǎn)，使塑料熔化。
 
對于對激光波長不透明的塑料來說(包括大多數(shù)汽車結(jié)構(gòu)塑料/ 復(fù)合材料)，必須通過導(dǎo)電加熱金屬的方式從金屬側(cè)端進(jìn)行加熱。當(dāng)在界面處局部產(chǎn)生足夠的熱量時(shí)，塑料便會(huì)熔化。在這兩種情況下，良好的溫度控制對于避免塑料過熱(導(dǎo)致出現(xiàn)毛孔)或燃燒都是至關(guān)重要的。
 
雖然導(dǎo)電加熱解決方案無法發(fā)揮節(jié)能效用，但它與創(chuàng)建出穩(wěn)定接頭的透射加熱解決方案一樣有效。在這項(xiàng)工藝中，使用連續(xù)波直接二極管激光器從金屬側(cè)端進(jìn)行導(dǎo)電加熱。在導(dǎo)電加熱和透射加熱的工藝中，必須施加壓力以確保熱量有效地傳導(dǎo)到塑料中。一旦塑料達(dá)到熔融溫度，便受壓流入微結(jié)構(gòu)中，當(dāng)冷卻時(shí)，將其自身固定在金屬結(jié)構(gòu)中，從而形成機(jī)械聯(lián)鎖。
 
汽車座椅設(shè)計(jì)理念
 
作為PMjoin 項(xiàng)目的一部分，F(xiàn)aurecia 公司設(shè)計(jì)了一種以其通用的鋼制座椅結(jié)構(gòu)(圖2)為模型的概念座椅靠背結(jié)構(gòu)，其中座椅靠背的兩個(gè)高強(qiáng)度鋼側(cè)梁由PAGF30 復(fù)合材料替代。 靠背的上，下橫梁和斜倚組件，以及座墊和調(diào)節(jié)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)則保持不變。
 
在第一部分，首先研究了微結(jié)構(gòu)參數(shù)對接頭機(jī)械性能的影響。為此，布置了一套試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)出具有各種凹槽圖案的簡單試件，然后對樣件開展拉伸剪切、拉力和剝離試驗(yàn)。研究的參數(shù)包括重復(fù)(激光)運(yùn)行次數(shù)、結(jié)構(gòu)密度(凹槽之間的間距)、凹槽相對于材料表面的角度、凹槽結(jié)構(gòu)相對于載荷方向的定向、激光類型，以及激光功率。例如，可以使用簡單的凹槽幾何形狀來實(shí)現(xiàn)17N/mm2 的剪切強(qiáng)度值，這一剪切強(qiáng)度值是粗糙(噴砂)處理的表面所實(shí)現(xiàn)的值的2 倍以上，并且是未經(jīng)處理的金屬表面值的4 倍。
 
如前所述，研究發(fā)現(xiàn)，使用不同(結(jié)構(gòu)化)的激光器可以實(shí)現(xiàn)不同的凹槽幾何形狀。凹槽形狀的不規(guī)則性和突出材料表面的重鑄層的尺寸(和形狀)有助于將塑料錨定在接頭中。
 
在研究的第二步中，小規(guī)模試驗(yàn)的結(jié)果被轉(zhuǎn)移到概念座椅靠背結(jié)構(gòu)上。每個(gè)焊接點(diǎn)的機(jī)械負(fù)荷，即上下橫梁組件和復(fù)合側(cè)梁構(gòu)件之間的焊接，以及鋼斜倚組件和復(fù)合側(cè)梁構(gòu)件之間的焊接是通過對一款具有代表性的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元(FE)分析后確定的。基于小規(guī)模試驗(yàn)的結(jié)果，在每個(gè)接合點(diǎn)確定了經(jīng)FE 計(jì)算的荷載傳遞所需的接合面積。
 
由于使用了先前一個(gè)項(xiàng)目中的復(fù)合側(cè)梁構(gòu)件，在焊接點(diǎn)處需要略微重新設(shè)計(jì)，以確保采用了新的基于激光的技術(shù)能夠獲得足夠的焊接面積。此外，還設(shè)計(jì)和制造了新的鋼支架以將現(xiàn)有的斜倚組件與復(fù)合側(cè)梁構(gòu)件焊接起來。同時(shí)，也一并設(shè)計(jì)了適合的定位和夾緊夾具。
 
測試結(jié)果
 
使用在小規(guī)模試驗(yàn)中確定的參數(shù)制作了一小部分概念座椅靠背結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)前沖擊和后沖擊試驗(yàn)，以及動(dòng)態(tài)前沖擊試驗(yàn)。兩種測試類型都有助于了解結(jié)構(gòu)中的失效是如何展現(xiàn)的，動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)顯示了現(xiàn)實(shí)生活究竟發(fā)生了什么。雖然后者只給出了一個(gè)合格或不合格的報(bào)告，準(zhǔn)靜態(tài)沖擊試驗(yàn)還返回了一個(gè)定量的結(jié)果—也就是說，該結(jié)構(gòu)究竟在什么扭矩或力量狀態(tài)下會(huì)失效。
 
盡管作為首個(gè)測試結(jié)果來說還是較為積極的，但觀察到的失效模式也表明設(shè)計(jì)的概念仍然過于僵化。此外，將鋼制和復(fù)合材料部件重新設(shè)計(jì)后，以最大化其對座椅背結(jié)構(gòu)性能的效用，從而實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的設(shè)計(jì)的潛力仍有待探索。無論如何，這種混合結(jié)構(gòu)通過了動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。
 
這個(gè)概念研究清楚地顯示出使用激光器將塑料直接與金屬焊接是替代粘合劑粘合、機(jī)械焊接或包覆成型等傳統(tǒng)手段的理想解決方案?；诖私Y(jié)果，半結(jié)構(gòu)式的混合組件現(xiàn)在便可以高效地利用這種激光焊接技術(shù)了。
 
然而，在用于結(jié)構(gòu)混合組件的大批量生產(chǎn)前，仍然還有一段路要走。這至少需要另外一種設(shè)計(jì)迭代，以最大限度地發(fā)揮兩種材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度工藝的潛力，以及對濕度和溫度等長期變量對性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行評估。此外，還可以考慮其它用于傳導(dǎo)加熱的替代型技術(shù)