金屬與塑料激光焊接技術(shù)研究進(jìn)展

田文文

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川 成都 610213）

激光焊接在材料加工領(lǐng)域占據(jù)重要的地位，傳統(tǒng)的激光焊接主要在金屬材料之間進(jìn)行，然而隨著的技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，異種材料之間的激光焊接也成為重要的突破方向，本文主要研究金屬與塑料的激光焊接技術(shù)。

塑料實(shí)際上是一種聚合物，激光直接連接金屬和聚合物的原理主要是通過激光照射金屬產(chǎn)生高溫并通過熱傳導(dǎo)到達(dá)聚合物，在聚合物臨近連接界面處產(chǎn)生熔化區(qū)域，并在其內(nèi)部激發(fā)微小氣泡，氣泡的產(chǎn)生或快速膨脹產(chǎn)生高的內(nèi)壓使得熔化的聚合物與金屬的表面緊密的貼在一起，同時(shí)推動(dòng)熔融的聚合物流入金屬，因其表面粗糙，結(jié)果在金屬與聚合物之間產(chǎn)生物理連接（范德華力）、機(jī)械連接（稱為錨固效應(yīng)）或化學(xué)連接。以下分別從不同角度介紹焊接中幾個(gè)重點(diǎn)技術(shù)。

1 焊接材料

2007年，大阪大學(xué)的片山圣二（S. Katayama）等人首先對(duì)以SUS304不銹鋼和非結(jié)晶PA6（聚酰胺6）為材料，采用YAG激光器驗(yàn)證了金屬與塑料的激光直連可行性，并第一次提出LAMP（激光輔助的金屬與塑料焊接技術(shù)）[1]，目前已經(jīng)證明了多種金屬與塑料的焊接是可行的。例如SUS304不銹鋼和PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯），這二者之間可以產(chǎn)生金屬-Cr-O-聚合物之間的化學(xué)連接，再如鍍鋅鋼片與PAN（聚丙烯腈型）CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料），可以產(chǎn)生合金與塑料之間的接合。國(guó)內(nèi)的江蘇大學(xué)也較早開始了金屬與塑料的焊接研究，Xiao Wang等[2]采用了鈦與PET進(jìn)行焊接，分析發(fā)現(xiàn)形成了Ti-C化學(xué)鍵，在研究中采用了較低的焊接功率，并增加了夾緊力。

不同材料之間的連接效果也不盡相同，就聚合物材料而言，由于不同聚合材料在接受熱量后形成的氣泡體積、數(shù)量、大小都有所區(qū)別，直接影響了焊接面積和焊接強(qiáng)度，例如Yukio MIYASHITA等人發(fā)現(xiàn)PET和PC與SUS不銹鋼的可焊接范圍有所不同[3]，就金屬而言，不同的金屬對(duì)激光的吸收度以及熱傳導(dǎo)率不一樣，這直接導(dǎo)致了焊接面積大小的不同，并且還影響了金屬焊接的失效加載力，長(zhǎng)岡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)就使用了三種不同的金屬，即銅、SUS304不銹鋼和A5052合金在同等條件下與PET進(jìn)行激光焊接，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同等條件下PET/SUS304焊接強(qiáng)度最大[4]。

2 激光器

在金屬與塑料的焊接中，激光器的選擇尤為重要，不同激光器產(chǎn)生的方式、光束和使用的功率范圍都不相同，目前采用以下幾種激光器：

2.1 Nd:YAG激光器

即釔鋁石榴石晶體，釔鋁石榴石晶體為其激活物質(zhì)，屬固體激光，可激發(fā)脈沖激光或連續(xù)式激光，發(fā)射之激光為紅外線波長(zhǎng)1.064μm，產(chǎn)生的光為單色光。

2.2 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。常用工作物質(zhì)有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。即半導(dǎo)體激光器可實(shí)現(xiàn)脈沖和連續(xù)兩種工作模式。

YAG激光器具有錐形光束而半導(dǎo)體激光器可以產(chǎn)生線性光束，從塑料一側(cè)開始照射，均可以實(shí)現(xiàn)金屬與塑料的焊接，調(diào)節(jié)YAG激光器的焦距可以改變接合的力度，半導(dǎo)體激光器可以大大提高接合強(qiáng)度，高功率連續(xù)激光束可以產(chǎn)生更深的滲透，江蘇大學(xué)采用近紅外二極管激光器對(duì)鈦和PET進(jìn)行焊接，獲得了直徑為900μm的焊接區(qū)域[4]。

2.3 飛秒激光器

飛秒激光器是一種超短脈沖激光器，目前，在金屬焊接領(lǐng)域的使用并不廣泛。Tomokazu Sano等人在2013年采用飛秒激光器也實(shí)現(xiàn)了金屬與塑料的焊接，研究還發(fā)現(xiàn)脈沖間的距離和線之間的距離對(duì)焊接強(qiáng)度有較大影響[5]。

3 焊接工藝優(yōu)化

在焊接的過程中，很多工藝因素會(huì)對(duì)焊接強(qiáng)度產(chǎn)生影響。激光焊接主要依賴的是熱量的輸入，因此熱量對(duì)提高焊接強(qiáng)度其主導(dǎo)作用。主要表現(xiàn)為：a、焊接時(shí)隨著功率的增加，拉力會(huì)出現(xiàn)升高的峰，隨后在某一點(diǎn)下降，同樣的焊接的速度也有類似的影響；b、接合部的比例增加，接合強(qiáng)度也相應(yīng)增加。上述研究也證明了，盡管熱量的輸入占據(jù)主導(dǎo)因素，但是并不是輸入熱量越大焊接效果就越好，焊接強(qiáng)度曲線存在一個(gè)飽和位點(diǎn)。

此外，激光照射的方式也具有影響，目前廣泛采取的是激光從塑料側(cè)面照射的方式，這能夠使得激光束直接照射到組裝部位，瞬間產(chǎn)生很高的熱量，改善連接的強(qiáng)度。

另外，還存在其它影響焊接的因素。2011年，片山圣二等人研究發(fā)現(xiàn)：a、激光引起的羽化現(xiàn)象。激光照射金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生羽化現(xiàn)象，其中高羽會(huì)造成淺焊；b、激光吸收。當(dāng)光束越小、能量越高或者焊接速度越低時(shí)，光吸收就會(huì)越高，當(dāng)激光射入時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種“鑰匙孔”結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的焊接速率，鑰匙孔與熔化池會(huì)有不同的大小，這種大小影響了光的吸收，從而影響焊接效果[6]。Yukio Miyashita等研究發(fā)現(xiàn)，氣泡的狀態(tài)會(huì)因施加的力的大小和頻率而改變，施加適度的靜態(tài)力可以抑制氣泡的擴(kuò)張，有利于焊接強(qiáng)度的提升；施加周期的接觸力則會(huì)使氣泡快速流動(dòng)，使得氣泡密度降低，其焊接強(qiáng)度相對(duì)于靜態(tài)壓力較小[7]，因此，施加不同作用力對(duì)于提高焊接強(qiáng)度又提出一種新的手段。

江蘇大學(xué)首次通過數(shù)學(xué)模型對(duì)影響焊接強(qiáng)度的因素進(jìn)行了分析，包括激光功率、焊接速度、距離等，將接合強(qiáng)度與激光功率成正比到達(dá)某點(diǎn)后成反比的線性關(guān)系、焊接速度與接合強(qiáng)度成反比的關(guān)系等定性結(jié)論通過定量分析得以驗(yàn)證[8]。

4 表面預(yù)處理

大量實(shí)驗(yàn)證明，在金屬與塑料焊接時(shí)，塑料會(huì)受熱分解或融化，如果金屬表面是粗糙的，或者有一定的微結(jié)構(gòu)，則這部分流動(dòng)的塑料會(huì)進(jìn)入金屬的這些粗糙部位，待迅速冷卻后，塑料便會(huì)停留在這些微結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生錨化作用，因此，很多研究者開始針對(duì)金屬表面進(jìn)行處理，希望得到理想的表面微結(jié)構(gòu)，增加焊接的強(qiáng)度，這些處理包括物理、化學(xué)等手段。由于金屬表面一般都存在氧化層，其對(duì)金屬與塑料的連接可能會(huì)造成影響，Wahba M[9]等人采取了焊接前的預(yù)處理措施，首先對(duì)金屬樣品AZ91D進(jìn)行摩擦去除表面氧化層，再使用丙酮清洗，然后采用激光對(duì)金屬樣品進(jìn)行表面處理，通過這樣的預(yù)處理增強(qiáng)了結(jié)合強(qiáng)度，此外，研究者們還開發(fā)了對(duì)聚合材料使用紫外-臭氧[10]等方法，不同的預(yù)處理方式造成的孔洞不同，更深的孔洞當(dāng)然能夠更深的錨化。

5 結(jié)語

針對(duì)金屬與塑料的激光焊接已經(jīng)開展了廣泛的嘗試，今后可以重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)用于航空、生物等領(lǐng)域的重點(diǎn)材料；激光器的選擇以及焊接工藝的優(yōu)化還有很大的嘗試空間，可以加入集成式系統(tǒng)的技術(shù)以便形成工業(yè)化的量產(chǎn)系統(tǒng)；表面的處理除了傳統(tǒng)的化學(xué)和物理方法之外，通過分子層面的材料表面修飾等也能夠給出很好的思路。金屬與塑料的激光焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展必定能夠在新興制造領(lǐng)域帶來驚喜的效果。