專利名稱：一種激光透射焊接連接方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光透射焊接技術領域，特指一種能提高金屬和聚合物激光透射焊接連接強度的方法。用微細超聲電解復合加工的方法在金屬表面形成凹坑，在進行激光透射焊接時熔化的聚合物受到焊接壓力的作用流入凹坑，在焊縫處形成一種鉚接結(jié)構(gòu)的咬合界面，增加金屬與聚合物的連接接觸面積，從而實現(xiàn)提高激光透射焊接連接強度。
背景技術：
目前，激光透射焊接技術在聚合物與聚合物、聚合物與金屬等同種和異種材料的焊接加工領域得到廣泛應用，其特點是快速、非接觸、精確、熱影響區(qū)小等，焊接產(chǎn)品伴隨著激光透射焊接技術的發(fā)展，越來越多的被應用于醫(yī)學等領域、汽車工業(yè)，如文獻《PET薄膜與316L不銹鋼薄板激光透射連接實驗研究》中，316L不銹鋼薄板與聚合物經(jīng)過激光透射焊接可以應用于醫(yī)學中作為生物植入體，但其指出激光透射連接接頭的質(zhì)量有待進一步研究提聞。連接強度是焊縫質(zhì)量的一個重要評價指標，通常可以用剝離強度和拉伸強度來衡量。隨著技術的發(fā)展，汽車零部件、電子器件產(chǎn)品封裝、醫(yī)療器械等對激光透射焊接連接強度提出了較高的要求。文獻《PET薄膜與薄鈦板激光透射連接》指出，激光透射焊接焊縫接觸面上發(fā)生了反應，金屬與聚合物依靠化學鍵合實現(xiàn)連接，但是僅僅依靠化學鍵，其強度并不能達到目前對封裝等技術高強度、耐久性的要求，根據(jù)對工藝的研究可知，理論上是功率越大越好，實際上功率過大會破壞焊縫質(zhì)量，并且激光功率過大會增加工業(yè)成本,這就需要在激光能量適中時尋找一種可以顯著提高激光透射焊接連接強度的方法，以滿足實際生產(chǎn)中高強度、耐久性的需要。目前國內(nèi)外對于提高激光焊接連接強度的方法比較的多，但是提高激光透射焊接鏈接強度的方法還比較的少，主要是通過優(yōu)化激光透射焊接的工藝參數(shù)來獲得最優(yōu)的透射焊接質(zhì)量。經(jīng)檢索國外文獻《Effect of anodizing on pulsed Nd:YAGlaser joining of polyethylene terephthalate (PET) and aluminium alloy (A5052)))中提出一種方法，其特點是將A5052鋁合金表面進行陽極氧化，形成一層陽極氧化層，在激光透射焊接時用來吸收更多的激光能量，從而形成更深層次的熔池，實現(xiàn)激光透射焊接連接強度的提高。文獻《激光沖擊表面強化對焊接接頭力學性能的影響》表述了一種對焊接接頭的表面強化處理提高拉伸強度的方法，此方法是在焊接后再進行焊接連接強度的提高，在透射焊接中不可避免的會造成焊接后焊縫的破壞。而本發(fā)明針對金屬與聚合物的材料特點，通過微細超聲電解處理改變金屬材料表面形貌，在金屬表面形成有利于提高對激光吸收的凹坑，激光透射焊接時，能夠使得金屬表面快速升溫，聚合物快速融化，在焊接壓力的作用下，熔化的聚合物進入凹坑中，在焊縫處形成一種鉚接結(jié)構(gòu)的咬合界面，從而提高了激光透射焊接連接強度，尤其是拉伸強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種激光透射焊接連接的方法。根據(jù)激光透射焊接特點，用微細超聲電解復合加工的方法在吸收層金屬材料的表面形成凹坑，在焊接時使得受到焊接壓力作用的熔化聚合物流進凹坑，在焊縫處形成一種類似鉚接結(jié)構(gòu)的咬合界面，增加金屬與聚合物的連接接觸面積，實現(xiàn)提高激光透射焊接連接強度。本發(fā)明的具體步驟為
A)形成凹坑將表面平整的原始形貌金屬用乙醇進行超聲波清洗，清除其表面雜質(zhì)，吹干后，用精密加工機床在原始形貌金屬表面加工形成直徑O. 480mm—O. 510mm,深度為O. 08mm一O. 120mm,間距為 2mm—5mm 的凹坑；
B)焊件裝配將表面形成凹坑的微細超聲電解后金屬作為下層吸光材料，聚合物作為上層透光材料放在工作臺上，聚合物搭接在微細超聲電解后金屬上，聚合物和微細超聲電解后金屬緊密貼近，中間沒有間隙，約束層置于聚合物上，壓板置于約束層上，通過放置在壓板上的壓頭施加焊接壓力，通過置于微細超聲電解后金屬下的壓力傳感器測量壓力數(shù)值；
C)焊接試驗用能量連續(xù)的激光發(fā)生器對約束層進行激光透射，激光束的能量、激光光斑大小由激光器控制計算機調(diào)節(jié)和控制，激光束透過約束層和聚合物使金屬表面溫度快速達到上層聚合物的熔點，聚合物表面融化，聚合物受到壓頭施加的焊接壓力，聚合物的表層熔化并流進凹坑，在焊縫處形成鉚接結(jié)構(gòu)的咬合界面，控制裝置控制工作臺沿X方向移動，調(diào)節(jié)工件與激光束的相對位置。其中被處理的金屬可根據(jù)實際材料焊接區(qū)域的位置及寬度選擇凹坑的位置和行列數(shù)，同時選擇凹坑的深度要參考實際焊接金屬材料的厚度。本發(fā)明中金屬與聚合物連接的形式采用搭接，即金屬在下面，聚合物置于金屬之上，金屬與聚合物有一定的重合接觸區(qū)域。本發(fā)明的實現(xiàn)，可以更好、更快、方便、安全、可靠的顯著提高激光透射焊接連接強度，使得提高激光透射焊接連接強度領域得到突破，不再受限于依靠傳統(tǒng)的優(yōu)化工藝參數(shù)方法來獲得高強度的焊縫該方法使得金屬與聚合物的局部連接更加的牢固，在醫(yī)學和光電子領域獲得封裝的耐久性，在汽車等連接強度要求很高的領域?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件連接的應用。本發(fā)明通過顯著提高激光透射焊接的連接強度推動激光透射焊接技術在工業(yè)上的應用。


圖1為焊接材料的連接形式示意圖。圖2為本發(fā)明焊件裝配及原理圖。圖3為金屬凹坑的形貌圖。圖4為實施例焊接后的剖面圖。圖中，I計算機，2壓力傳感器，3微細超聲電解后金屬，4聚合物，5約束層，6壓板，7激光發(fā)生器，8壓頭，9工作臺，10工作臺控制裝置，11凹坑，12金屬原始形貌，13尼龍，14進入凹坑的尼龍，15 304不銹鋼。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進一步說明，用本發(fā)明焊接透明的尼龍和304不銹鋼金屬。焊件準備選擇的焊接透明透光材料尼龍13尺寸為10x10x2mm,吸光材料304不銹鋼15尺寸為10x10x0. 6mm。激光透射焊接激光器采用的是能量連續(xù)的半導體激光發(fā)生器7，最大功率為130w，波長為980nm±10nm。焊件的表面處理將樣品304不銹鋼15用乙醇進行超聲波清洗，去掉其表面雜質(zhì)，吹干后，將其放在精密加工機床工作臺上，選用Φ0. 5mm圓形微細軸工具電極，應用電解液為5%硝酸鈉水溶液，選定工件與工具間靜壓力為2.0N，加工時間2min，磨料WlO碳化硼，，磨料懸浮液濃度15%，采用“靜液”方式定時供給電解液，脈沖頻率5000Hz，脈沖占空比3:7，脈沖電壓為3V，獲得凹坑直徑O. 492mm，深度為O. 094mm，凹坑間距為2mm。處理完后用乙醇進行清洗，除去金屬表面電解介質(zhì)，同時用乙醇清洗掉尼龍13表面的雜質(zhì)，吹 干后備用。焊件的裝配及焊接將步驟2得到的304不銹鋼15放在半導體激光器的工作臺9上作為下層吸光材料，尼龍13作為上層吸光材料，通過激光發(fā)生器控制計算機I調(diào)節(jié)功率為60w，光斑直徑為2mm。尼龍13和304不銹鋼15采用如圖1所示的搭接連接形式，尼龍13和304不銹鋼15緊密貼近，中間沒有間隙，用K9玻璃作為約束層，在約束層玻璃上放置壓板6并在壓板上用壓頭8施加焊接壓力O. 069KN,激光器按照120mm/min速度進行激光透射焊接，激光透射焊接時通過工作臺控制裝置10實現(xiàn)工件沿X方向移動，用于調(diào)整工件與激光束的相對位置。形成高強度的焊接接頭，對焊縫分析可看到進入凹坑的尼龍14，如圖四所示焊接后的形貌圖。
權(quán)利要求
1.一種激光透射焊接連接方法，其特征在于，具體步驟為 A)形成凹坑將表面平整的原始形貌金屬(12)用乙醇進行超聲波清洗，清除其表面雜質(zhì)，吹干后，用精密加工機床在原始形貌金屬(12)表面加工形成直徑O. 480mm—O. 510mm,深度為O. 08mm一O. 120mm,間距為2mm—5mm的凹坑； B)焊件裝配將表面形成凹坑的微細超聲電解后金屬(3)作為下層吸光材料，聚合物(4)作為上層透光材料放在工作臺(9)上，聚合物(4)搭接在微細超聲電解后金屬(3)上，聚合物(4)和微細超聲電解后金屬(3)緊密貼近，中間沒有間隙，約束層(5)置于聚合物(4)上，壓板(6)置于約束層(5)上，通過放置在壓板(6)上的壓頭(8)施加焊接壓力，通過置于微細超聲電解后金屬(3)下的壓力傳感器(2)測量壓力數(shù)值； C)焊接試驗用能量連續(xù)的激光發(fā)生器(7)對約束層(5)進行激光透射，激光束的能量、激光光斑大小由激光器控制計算機(I)調(diào)節(jié)和控制，激光束透過約束層(5)和聚合物(4)使金屬表面溫度快速達到上層聚合物(4)的熔點，聚合物(4)表面融化，聚合物(4)受到壓頭(8 )施加的焊接壓力，聚合物(4 )的表層熔化并流進凹坑(11)，在焊縫處形成鉚接結(jié)構(gòu)的咬合界面，控制裝置(10 )控制工作臺(9 )沿X方向移動，調(diào)節(jié)工件與激光束的相對位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種激光透射焊接連接方法，其特征在于，所述步驟A)其中被處理的金屬可根據(jù)實際材料焊接區(qū)域的位置及寬度選擇凹坑的位置和排數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的激光透射焊接連接方法，其特征在于，所述步驟B)中，所述約束層(5)對于所應用激光是透明的，激光束透過時無明顯能量損失。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的激光透射焊接連接方法，其特征在于，所述聚合物(4)為透明的尼龍，所述原始形貌金屬(11)為304不銹鋼金屬，用K9玻璃作為約束層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的激光透射焊接連接方法，其特征在于，所述步驟A)中，所述精密加工機床選用Φ0. 5mm圓形微細軸工具電極，電解液為5%硝酸鈉水溶液，微細超聲電解后金屬(3)與工具電極間靜壓力為2. 0N，加工時間為2min，磨料為WlO碳化硼，磨料懸浮液濃度為以質(zhì)量計15%，采用“靜液”方式定時供給電解液，脈沖頻率為5000Hz，脈沖占空比為3:7，脈沖電壓為3V。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光透射焊接連接方法，屬于激光透射焊接技術領域，特指金屬與聚合物的激光透射焊接。本發(fā)明先將金屬材料需要焊接的表面進行微細超聲電解復合加工處理，在其表面形成凹坑，焊接時把表面經(jīng)過微細超聲電解復合加工處理后的金屬作為下層吸光材料，聚合物作為上層透光材料，采用搭接的連接形式，用約束層夾緊并施加焊接壓力，使用半導體激光器進行激光透射焊接，使得表面溫度快速達到上層聚合物的熔點，聚合物表面融化，由于下層金屬表面經(jīng)過微細超聲電解復合加工處理形成了凹坑，所以在焊接壓力的作用下，表層熔化的聚合物流進凹坑，在焊縫處形成一種鉚接結(jié)構(gòu)的咬合界面，可實現(xiàn)提高激光透射焊接的連接強度。
文檔編號B29C65/16GK103009626SQ201210581019
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者劉會霞, 趙振關, 陳浩, 黃創(chuàng), 嚴長, 顧宇軒, 張迪, 馬友娟, 邱唐標, 李品, 王霄 申請人:江蘇大學