碳纤维增强塑料和不锈钢激光焊接解决方案

由于碳纤维增强塑料（CFRP）具有高的重量重量比，优异的耐腐蚀性和出色的疲劳性能，因此受到了广泛的关注。上述特性使该材料适合使用。在飞机，汽车和其他产品中。汽车行业对热塑性碳纤维增强塑料特别感兴趣，因为它有望减少生产时间。将塑料或碳纤维增强塑料与金属连接在一起通常需要使用粘合剂或机械工具，例如螺栓和铆钉。但是，这些连接工艺存在一些缺点，例如对挥发性有机化合物（VOC）排放的环境限制，较长的粘结时间以及螺钉或铆钉也会增加重量。因此，片山诚治教授带领团队开发了激光辅助金属和塑料直接焊接（LAMP）技术。通过使用连续波（CW）Nd：YAG激光器，半导体激光器，光纤激光器或圆盘激光器，该技术可以快速而牢固地结合金属，例如钢，不锈钢，铝合金和工程热塑性塑料（例如聚酰胺）。 PA，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC）连接在一起。 LAMP焊接技术可以将碳纤维增强塑料板和304不锈钢板牢固地焊接在一起，其中使用CW盘激光器在金属上进行非渗透焊接。图1显示了拉伸剪切试验前后，聚丙烯腈（PAN）PA基碳纤维增强塑料板与304不锈钢板之间的激光搭接接头。其中，碳纤维增强塑料片的厚度为3mm，宽度为20mm，并且碳纤维更长，不锈钢板的厚度为3mm，宽度为30mm。横截面照片（参见图1中的插图）显示了由不锈钢中的浅孔形成的激光焊缝。此外，熔化区广泛分布在连接表面附近的碳纤维增强塑料片的区域中。在图1b中，我们可以观察到黑色碳纤维增强塑料板粘合到304不锈钢板的底表面。尤其是，粘合的碳纤维增强塑料零件主要由激光焊接焊缝下方的不锈钢板标识。在碳纤维增强塑料板的接合面也可以看到不锈钢。以上事实表明，形成牢固的焊接接头是可行的。图2显示了在不同的圆盘激光辐照条件下对接头进行的拉伸剪切试验的结果。结果表明，接头的拉伸剪切载荷（强度）约为4800N（20mm宽的碳纤维增强塑料）。该结果是在2kW的功率和5mm / s的测试速度下获得的，该速度高于碳纤维增强塑料板拉伸剪切负荷的一半。在30mm宽，3mm厚的PA塑料片和304不锈钢板之间的接合处的拉伸剪切载荷约为3400N。由此可以判断，20mm宽的碳纤维增强塑料与304不锈钢板之间的连接载荷远大于30mm宽的PA塑料板与钢板之间的连接载荷。因此，通过在具有更长碳纤维的聚丙烯腈（PAN）型PA基碳纤维增强塑料片和304不锈钢板之间形成搭接，可以获得载荷。图3是碳纤维增强塑料片和304不锈钢板之间的接合表面的扫描电子显微镜（SEM）照片。许多亚毫米大小的气泡不规则地分布在碳纤维周围的塑料基体中，这是由激光焊接过程中熔池的高温引起的热传导引起的。已经证实，碳纤维增强塑料中气泡的几何特征主要取决于塑料和碳纤维的重叠形状，以及热传导水平和碳纤维长度。据报道，与普通塑料相比，碳纤维增强塑料更容易形成气泡。对于普通塑料，由于纤维表面之间的不稳定性，气泡仅在界面附近形成，而在碳纤维增强塑料中ce和基体以及碳纤维的高导热性，使气泡广泛分布在塑料基体中。