在许多轻质结构中都需要将金属和塑料连接在一起。来自Fraunhofer LBF，Fraunhofer ILT，Siegfried Hofmann和Weber Fibertech的工程师在熔融物质包裹成型之前构造金属连接的表面。

经济高效的激光加工

使用来自不同材料组合的混合材料在安全相关和功能组件中越来越受欢迎。 玻璃纤维增强聚酰胺和高合金钢和铝材料通常用于汽车工业中的高应力部件区域。 激光加工可以实现高接近速度和丰富的设计自由度的无接触处理。新的光束引导和加工概念为使用激光作为构造金属接头的工具以及加工纤维复合材料和金属部件的边缘以使其热连接铺平了道路。

技术路线

金属表面首先在两步工艺中进行修饰，如图1所示。为此，激光束用于在金属表面上以压痕的形式产生微结构，使塑料能够"抓住"金属表面。接下来是实际的连接过程，其中熔融塑料流入所产生的结构并凝固。

目前使用两种不同的方法来构造表面，两种方法使用的光束源，加工策略和所得到的结构几何形状是不同的。例如，在图2中覆盖整个表面的海绵状自组织微结构，图3中的线性结构之间出现差异，如图3所示，其可以以任何结构图案排列。两种结构方法最终都会扩大表面并具有缩进的几何形状。

在随后的连接过程中，熔融塑料流入凹槽，通过机械手柄连接两个连接配件。热传导或热辐射方法可用于热连接过程。在传统的生产工艺中，如注塑，压制或树脂传递模塑（RTM），结构化金属连接配件可以直接插入并连接在相应的生产过程中。

海绵状微结构

为了形成具有自组织微结构的海绵状表面，即所谓的锥形突起（CLP），图2（顶部），使用超短激光脉冲逐层烧蚀整个金属表面。在仅仅几次通过之后，激光脉冲和材料之间的物理相互作用导致锥形突起和孔在消融持续时进一步扩散，直到整个表面被覆盖。这种增长过程取决于所使用的材料。使用标准钢变体，微观结构在20至30次通过后完全成形。图2（下图）显示了CLP结构的增长，这取决于通过次数。各个结构的深度为50至100μm，宽度为20至40μm。

缩进线结构

使用具有高光束质量的激光源来创建具有锯齿状几何形状的线结构;这允许激光输出功率聚焦在非常小的区域上。高强度导致部分金属蒸发，而所产生的升华压力将熔融物质从基部压到结构的边缘，在那里它部分固化。当该过程重复多次时会发生缩进。与CLP结构相比，线结构稍微粗糙。然而，在实验室规模上，这种结构化方法比CLP结构化要快得多。

验证测试

如图4所示，开发了一个试样可用于研究多轴载荷状态，如拉伸和扭转应力以及它们的重叠状态。

使用试样，在使用静态拉伸试验的工艺参数验证步骤中确定影响注塑工艺强度的因素。分析了保压，嵌入温度和结构化方法的过程因素。使用的塑料是PA66，含有25％（重量）玻璃纤维（PA66/GF25），连接的金属是机械钢（E335）。在连接区域中，仅基质材料穿透压痕。

图5显示了CLP结构如何表现出比线结构更大的断裂应力。总的来说，静态断裂强度显示出很小的散射，表明在所研究的两种混合连接方法的连接过程中稳定的工艺参数。同样显而易见的是，通过激光进行的热连接可以实现比注射成型更大的断裂应力。

对于裂缝表面的显微镜检查表明，与注射成型不同，使用激光进行热焊接时，熔融物质完全穿透压痕并在断裂后保持紧紧夹住。这可归因于金属和塑料之间的边界表面上的热梯度和注塑成型。

图6比较了使用激光，压制和注射成型的热焊接对于生产过程可行的CLP结构的拉伸强度和剪切强度。通过压制实现最高的拉伸和剪切强度。在压制的情况下，使用185℃的变温工具、嵌入温度控制和具有40％重量玻璃纤维的聚酰胺6（PA6 GF40）。尽管存在温度梯度，但通过压制实现的静态强度超过使用激光的热焊接。这是由于能量的更均匀和均匀的应用以及挤压时的连接压力。

内部压力测试

该技术的一个特定应用领域是在内部压力负载下或在需要防漏密封的应用中使用。使用特殊试验台，用试样确定爆破压力强度。 41bar采用激光热连接，45bar采用挤压。

车顶板梁

在BMW 7系车辆的原始部件顶板梁（图7）中实施测试样本分析。车顶板梁包括玻璃纤维增强塑料支架，其连接到两个金属连接板（用作连接到车身的元件）。 如前所述，使用形状锁定和粘合而不是胶合和铆接来连接塑料和金属。

车顶板横梁设计为开放式轮廓，允许其在压制生产过程中制造。 将预先构造的金属嵌体在烘箱中预热并插入到温度为200℃的紧密轮廓的加热压制工具中。 将局部UD带插入中间和外围带中以增加刚度并使用真空喷嘴固定到位。 将半成品从双螺杆挤出机中挤出并插入压制工具中，然后关闭模具。 在70秒的循环时间之后弹出屋顶元件。这一概念的优点在于它节省了70％的工艺循环时间和一个额外的加工步骤，同时将原材料成本减半。

集成到现有流程中

该技术的一个关键特征是结构化嵌体部件可以轻松地集成到传统和现有的生产过程中。

对内部耐压性的研究表明，混合连接提供高达45bar的静态爆破压力，并且对于106负载的循环负载，内部压力负载容量为30bar。该结果使该技术非常适用于暴露于内部压力的应用。它还适用于潮湿等环境影响，或防止污垢远离敏感的封装组件。

混合连接的强度受到温度梯度，热量均匀性和沿边界表面输入的连接压力的显着影响。当使用激光热焊接时，温度梯度最低。然而，在这里，仍然需要在沿边界表面输入的热量和压力方面对该过程进行技术优化。如果将此技术用于注塑或压制过程，建议采用变温和密闭工具加热和嵌入物的预热，以最大限度地减少温度梯度和内部应力。

来源：Springer

作者：Spancken D , Straeten K V D , Beck J , et al.

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