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结合实验和数值模拟方法研究激光照射连接聚合物和金属零部件

摘要：本文主要介绍一种两步法来进行不透明聚合物和金属的连接。首先，需要在微观尺度上对金属材料的局部进行构筑加工，以保证与其所连接的聚合物的连接牢固性。第二步，用激光源对金属材料织构面的背面进行照射。金属表面吸收激光能量，并且将其转化为热能，然后通过热传导的方式将热传递到金属与聚合物的连接界面，导致在界面处的聚合物融化。融化的聚合物与金属的表面紧密的贴在一起，同时熔融的聚合物流入金属表面预处理区域中，形成了金属与聚合物之间的机械式连接。通过有限元模型的辅助，可以调整焊接参数，以保证达到要求的界面连接温度。文中所述方法是通过双相钢与纤维增强聚酰胺的连接作为例子来说明的。文中讨论了不同微区结构，尤其是几何和腔长宽比，对接头处的剪切力性能的影响。

关键词：聚合物/金属焊接；激光连接；激光构筑；玻纤增强

1.前言

轻量化、低成本结构减少了能源消耗和温室气体特别是CO₂的排放，对其的研究推动着交通运输行业向多材料（包括由金属和金属、金属和和聚合物合成复合材料制成的组件）引进发展。非金属材料因其质轻、耐腐蚀、易于加工和回收、极好的成型性能以及大的设计灵活性等优点而引起广泛关注。这样一来，连接聚合物和金属可以结合两者优异的性能，合成的材料机械性能增强，同时重量得到减轻。但是，由于目前的结构零件制作离不开金属材料，所以引进新的制造工艺，特别是能够生产高质量的接头且可以批量生产，同时达到规定的生产率的制造工艺变得越来越重要。目前，工业生产上运用的连接方法分为两种：PMA（成型后组装）和IMA（在模制组件）。PMA可以再分为粘结和机械连接（螺钉、螺栓、铆钉等）。粘结是基于在塑料-金属界面处引入的化学粘结。虽然这是一个相对简单的工艺过程，但是并不环保，而且工艺过程繁琐，固化时间长，要求机械阻力要小，同时受到外部环境影响时性能容易恶化。机械连接的缺点是也需要精密的工艺过程，需要额外的装配零件以及接头设计灵活性差。另一方面，IMA尽管在接头设计上可能性受到限制，但是它不需要繁琐的工艺过程。通过回顾大量不同的金属聚合物连接的方法，得出的结论是从金属表面预处理要求、注射成型工艺的兼容性、以及聚合物金属连接的耐用性三个方面来看，通过微尺度机械连接是最有前景的。

制造新一代合理的混合接头的另一个技术是用激光加热直接连接塑料和金属。根据激光光学性质，在初始波长处存在两个变量。在传输连接过程中。在激光透射连接中，聚合物对激光高度透明。因此，激光透过聚合物到达金属与聚合物的界面处是可行的。相反地，在传导连接中，聚合物对于激光是不透明的，这种情况下是直接用激光照射照射金属表面，产生的热量通过热传导传递到界面处。

进一步加强混合连接性能的方法是在金属表面构筑微小图案，由此提供额外的机械联锁。在Roesne、Bergmann、Stambke和Cenigaonaindia等人论文中有提到证明，为了使连接操作顺利进行，除了激光功率，激光扫描扫描速度及夹紧装置这些参数以外，织构图案的性质和几何特征是影响聚合物/金属混合接头机械性能的关键参数。

除了形成具有轻量化结构的交通运输业，在生物医学领域也发现了其潜在的应用。例如，在2009年由Georgiev等人用微电子机械系统和生物微电子系统设备所展示的，证明了纯钛和聚四氟乙烯的连接是可行的；wang等人在2010年成功合成钛和PET箔片接头结构。这些工程结构都是基于无微观结构的传输焊接产生的，所获得的强度主要归因于化学键的形成,如Ti-F键和Ti-C键。

在本文中，主要研究连接非透明聚合物和金属的两步法。通过激光源来控制接头处的微观形貌和实现连接操作。使用有限元模型来帮助选择合适的连接操作参数。文中研究了双相钢和纤维增强聚酰胺连接性能，探索不同的微区结构，特别是几何形状以及腔长宽比，对连接处的拉伸、剪切力学性能的影响。

2.实验过程

实验中使用的材料分别是双相钢（DP1000）和玻璃增强聚酰胺（PA6-GF30），金属和聚合物试样规格分别是80x25x1 mm³和80x25x4 mm³。

首先，为了研究显微几何结构对所连接金属聚合物接头处粘着力性质的影响，分别用激光功率为200 W的连续波激光器和40 W的纳秒激光器对金属样品表面进行构筑。

在总面积为15x20 mm²金属样品上构筑出垂直于样品盘长边缘的方向一致且平行的凹槽。采用不同的激光，使用相同的样品和工艺参数，反复扫描金属表面不同的次数，来达到不同的测试方式。另外，对应于连续波激光源和毫秒激光源的结构密度值分别为0.038和0.133。结构密度的定义是结构区域相对于总的检测区域的比例。最后，连续凹槽之间的距离恒定，为400 mu;m。

通过表面形貌分析金属微结构的效应。首先，为了研究凹槽的质量，通过光学显微镜获得端部处的显微结构。然后，将样品固定在环氧树脂上来分析织构结构的深度和纵横比。

图1 搭接结构示意图

连续波激光器传导连接的搭接装置如图1所示。金属材料和底部材料（聚酰胺）重合长度为20 mm，整个样品的长度为140 mm。用直径约1 mm的连续波激光光源照射样品来进行连接。为了得到有效的1x10 mm²的矩形，用高频率激光点在平行于样品盘长边缘方向上，扫描样品长度为10 mm，同时用电流检测器进行检测。随后换成以360 mm/min的速度在产生凹槽的方向上，对样品进行扫描，越过整个金属表面保证一个完整10x20 mm²的连接区域。如图1中阴影区域所示。为了研究金属表面图案对接头性能的影响，保持激光参数不变。通过气动夹紧装置施加均匀的压力将这两种材料固定，以促进熔融塑料流入双相钢表面的微结构里。

接头的力学性能是通过拉伸剪切试验来研究连接处的强度，使用最大负载能力为50 kN的测试机，十字头位移速度为5 mm/min。实验时，每组进行五次连接实验，以确保实验结果的可靠性。

3.连接过程的FEM热源模型

为了确保连接过程顺利进行，靠近聚合物处的界面温度一定要保持在一个预先确定的的范围内。这个温度区间已经给定，从聚合物熔点（下界温度点）到聚合物分解温度（上界温度点）。然而，单从实验过程的角度来看，具体连接温度是不能直接测量得到的。因此，为了避免不当的试验方法带来的昂贵成本和时间消耗，开发出用于该连接过程的FEM热源模型。考虑到激光源与材料的相互反应，该热源模型的主要目标是提供一个预测工艺参数的窗口，确保界面反应温度适当。被照射的金属表面温度可以用非接触法测得节点温度来进行检测。该热源模型的另一个优点是可以实现聚合物界面温度与被照射金属表面温度的关联检测。通过这种方式,可以研究控制方案，以避免在开放-循环制备方法中出现的一些不良现象，如融合不彻底或过热现象等。

利用商业市场上的多物理场耦合分析软件可以分析热方程，使用与真实搭接接头部分相对应的几何结构来进行测试，如下述方程1所示。

(1)

在方程式1中，rho;代表密度，Cp代表比热，k代表导热系数。Q是定容热源，在该种情况下，Q = 0，因为输入的能量是边界热源而潜在的热是可以忽略的。进一步的热物理性质细节在2.2.3节中找到。边界条件的一般形式是由下面方程2所给定的：

(2)

在方程式2中，q代表边界热源，h代表传热系数，sigma;代表史蒂芬-波尔兹曼常数，ε代表材料的辐射系数。鉴于夹具的设计，只有部分金属表面暴露在大气中，该处在正视图（如图1）中显示的几何形状为一片阴影区域。这个表面是受到激光辐射的特定区域，所以除这个区域以外，其他的边界q=0恒成立。操作热源的细节可以在2.2.1节中有提到。同样地，可以将这个开方便接的传热系数看做一个自由对流空气中的标准系数h₀。其余的表面直接接触夹具系统，夹具系统传热系数h₁远大于上述h₀。关于辐射率，若仅考虑金属被辐射的上表面，是从零开始的不同数值。在金属-聚合物界面则有一个特殊状态,因为要将接头的热阻纳入考虑，相关的说明可在2.2.2节中找到。

3.1.1热源介绍和能量耦合

热源模型中的热量输入是一种边界热源，如方程式2中的q，作用于金属的上表面，但是只作用于图1俯视图中的阴影区域的部分。工作距离内，实际的激光是一个离焦量为1 mm的类高斯功率密度分布的发射源。这个发射源可以实现在10 mm内以V_x=3 m/s的速度线性运动，而整个10x20 mm²的表面被这种单独的线重叠覆盖。为了简化模型，在该试验中，我们考虑使用一个高效方法，这是有效功率高斯集成的结果——沿着一条单行线，然后用所耗费的时间去计算结果，以此重新获得合适的功率密度单元。得到扫过一行以及行与行之间跳转所耗费的时间，就可以获phi;_eff。phi;_eff数值可以在相同的软件网格中通过2D区域内的积分确定。

激光-金属耦合的效率是模型精度的关键因素，而耦合效率是由吸收率（一般是材料的折射率虚步和实部的复合函数）、辐射特性（波长、偏振状态）和入射角和表面特征（粗糙、存在缺陷、氧化层）决定的。由于这些量的大小随温度变化，且激光能量吸收率的确定是完全基于理论的，因此该实验过程是一个复杂的任务。在这个课题中，提出来一种可替代实验的方法，具体按照以下步骤进行：

1. 接收激光照射的金属样品的反射率在室温下使用分光光度计和积分球获取。然后测得波长值为1070 nm的激光被吸收，假设零透过率，通过能量守恒推算光的吸收。
2. 少数实验测试是在不同的工艺参数下进行的。通过这种方式，用不同的温度处理劣质金属表面，这些金属表面已用热实验标签记录。该模型通过连续参数的吸收率来评估，直到数值和实验针对每种情况值一致。此外，相应的吸收值与达到稳态最大值时表面的温度相关。
3. 最后创建A=A(T)的函数曲线，确定了吸收率随温度变化而变化的趋势。

结合有效的功率密度和随温度变化的吸光度的关系表达式，最后通过下面热源边界表达式可以确定：

(3)

3.1.2 热接触子模型

为了更精确地预测金属/聚合物界面温度，将该组合的接触热阻（TCR）加入计算。这意味着在此热循环中，金属和聚合物两边各自的温度是不同的。从原理来说，两个接触的表面应符合三个不同的传热机制：即通过离散接触点热传导、通过层间气体对流转移热量以及辐射传热。但是，当温度低于1000 ℃时，在空隙中的辐射传热可以忽略不计。因此在这种情况下，保留前面所叙述的条件，就可以使用下述计算TCR系数的表达式：

(4)

在方程4中，h_c表示被夹紧固定处的电导，h_g表示间隙气体的电导。在这种情况下，h_c可由Cooper-Mikic-Yovanovich关系进行假定：

(5)

k_contact表示接触热导率的调和平均数，m_asp表示合并后的绝对平均粗糙斜率，sigma;_asp表示合并后的均方根粗糙度，P表示压强，H_c表示软材料的微硬度，在该次试验中，指的就是复合材料。m_asp和sigma;_asp的值是通过实验获得的金属/聚合物连接面的一维截面图计算出来的，H_c也是由微硬度实验测试测得的，压强值是通过夹具系统直接读出。

间隙气体电导表达式如下：

(6)

在方程6中，k_gap表示间质液的热导，在此种情况下，Y表示导电表面之间的平均距离，M表示气体参数。

3.1.3热物理性能

材料的热物理性能参数，特别是密度、导热系数和比热容对定量预测也很重要。对于双相钢而言，随温度变化的性能参数已有论文提到。至于与双相钢连接的聚合物，通过实验测试求得关键温度（玻璃化转变温度、分解温度和融化温度）以及比热容随温度变化的函数。开始分解温度是由热重量分析（TGA）确定的，在21-500 ℃温度范围内进行测量，以20 ℃/min的加热速度在氮气气氛下加热。熔点和玻璃化转变温度也是在氮气气氛下，通过差示扫描量热法（DSC）获得，测试温度范围为-50-500 ℃。最后，比热容的确定也是通过DSC法测得，通过与已知属性的蓝宝石样品对比来确定（ASTME，1269）。热导率和密度常数，直接从数据表中获得。对玻璃纤维增强聚酰胺而言，性能参数总结的主要数据见下表。

表1 玻璃纤维增强聚酰胺的关键温度

4.结果与讨论

4.1. 钢的激光织构化

图2所示的是钢被激光织构化的结果。图2a和图2c中的织构化区域表示出在融化轨迹宽度和沿着凹槽熔化重铸量方面有明显的差异。正如图2b所示，在用纳秒激光器处理过程中，材料均匀的从微观形貌中排出来。

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