技術領域

本發(fā)明涉及異質結構連接領域，特別涉及一種塑料和金屬異質結構的連接方法。

背景技術：

塑料/金屬異質密封結構可以充分發(fā)揮塑料及金屬的特性、滿足強度和密封性等各方面的要求，已經(jīng)較為廣泛的應用于航天、航空、汽車、通訊電子等領域的閥芯密封結構、流體傳感器密封件等。

塑料/金屬異質密封結構中塑料與金屬部件的連接一般有兩種方式：冷壓粘膠方法及熱壓方法。其中，采用冷壓粘接方法時，粘膠完成后膠水需進行常溫固化或高溫固化，生產(chǎn)效率低。而且，目前可獲得的粘接性能較差，膠水在服役過程中易于出現(xiàn)破裂，無法保證產(chǎn)品的密封性能。采用熱壓方法主要依靠的是熔化的塑料填入金屬表面的微觀凸起及凹陷內形成機械咬合。為增強塑料與金屬的機械咬合，在熱壓前通常需要對金屬表面進行表面機械噴砂處理，但機械噴砂可獲得的表面粗糙度有限（最高10μm），特別是對于硬度較大的金屬部件，比如鋼制部件，由于基體較硬，采用機械噴砂可獲得的粗糙度非常低，致使塑料與金屬在界面的機械咬合效應弱，難以滿足實際產(chǎn)品中的強度、氣密性等指標。而且機械噴砂得到的金屬表面形貌具有隨機性和不可控性，導致產(chǎn)品性能分散度大，可靠性難以保證。而且，由于塑料的熔點較低，為防止塑料整體過熱導致的性能惡化，熱壓成型時溫度一般控制的偏低，而金屬導熱系數(shù)遠大于塑料，因此常常導致界面處塑料熔化不充分，無法充分填入金屬表面的微觀凸起及凹陷內，因此，這種方式形成的塑料/金屬界面結合通常較弱。

激光毛化技術作為一種非接觸性的毛化技術，具有毛化點形狀和分布可控，形貌排列有序，粗糙度可大范圍調整，重復性好，毛化效果不依賴于噴砂顆粒與材料表面相對硬度等諸多優(yōu)勢?，F(xiàn)已廣泛應用于冷軋鋼板及軋輥領域，且在汽車、航空航天、電子等領域具有廣泛的推廣應用價值和前景。但目前該項技術尚未有應用于塑料/金屬異質密封結構的先例。

塑料與金屬異質結構激光連接的原理是塑料與金屬搭接在一起，當激光穿過上部透光的塑料材料而被下部吸光的金屬所吸收，在界面處產(chǎn)生熱量使上下兩種材料發(fā)生熔化形成精密、牢固和密封的界面連接。塑料與金屬界面連接機理主要有兩種：一是二者的機械咬合，二是塑料中的活性官能團與金屬中的某些化學元素及金屬氧化物形成的化學鍵合。根據(jù)報道，Al、Mg、Si、Zn及不銹鋼中的Cr及Cr的氧化物等等，均能與塑料中的羥基及羧基等形成Me-O-C鍵（Me為金屬元素）。特別是這些金屬元素形成的氧化物，與活性基團形成化學鍵的傾向更強。采用激光毛化后，一方面，機械咬合程度可以加大；另一方面，毛化后形成的金屬表面凸起及凹陷增大了化學鍵合的面積，表面形成的金屬氧化物也有利于促進化學鍵合的形成。

綜上，傳統(tǒng)的冷壓粘膠及機械噴砂+熱壓方法難以滿足塑料/金屬異質密封結構的強度、氣密性等指標。為提升此類結構的性能及可靠性，增強塑料與金屬在界面的結合是關鍵。采用塑料/金屬異質結構的激光輔助熱壓連接方法是提升界面結合的有效途徑。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：提供一種塑料和金屬異質結構的連接方法，包括以下步驟：S1、對待連接的金屬部件表面進行激光毛化處理，使所述金屬部件表面產(chǎn)生局部凸起和凹陷，并形成金屬氧化物層；S2、對所述經(jīng)過激光毛化處理的金屬部件和待連接的塑料部件進行熱壓，使所述金屬部件和塑料部件粘合在一起；S3、使用離焦激光束穿透所述塑料部件，到達所述塑料部件和金屬部件的界面上，使所述界面處的塑料部件局部熔化。

進一步地，所述激光毛化處理完成后，采用表面形貌儀進行測量，以考察金屬表面凸起和凹陷高度差和毛化形貌密度。

進一步地，所述金屬部件表面激光毛化處理后，凸起和凹陷高度差≥20μm，毛化形貌密度≥1/mm²。

進一步地，所述界面區(qū)域溫度高于所述塑料部件的熔點，低于所述塑料部件的分解溫度。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、相比機械噴砂手段，金屬表面激光毛化后可形成大的表面粗糙度，增強塑料與金屬在界面處的機械咬合，有助于提高界面結合強度及氣密性；

2、金屬表面激光毛化后形成的凸起及凹陷增大了塑料與金屬的化學鍵合面積，表面形成的金屬氧化物也有利于促進化學鍵合的形成，從而進一步提高界面結合強度及氣密性；

3、可根據(jù)實際需求，靈活調節(jié)激光毛化工藝參數(shù)，在金屬表面創(chuàng)造不同的微觀“凸起”及“凹陷”形貌特征，即可針對不同產(chǎn)品結構及性能需求實現(xiàn)對塑料/金屬界面的微觀結構設計，增大塑料/金屬異質密封結構產(chǎn)品的可控性及靈活性；

4、對塑料與金屬進行激光連接，可以實現(xiàn)對界面的局部加熱，有效避免熱壓過程中塑料構件整體受熱導致的性能惡化，還可以有效避免界面處塑料熔化不足導致的界面結合不良；

5、采用塑料與金屬激光連接取代粘膠接，可有效避免膠水在服役過程中的破裂問題，可靠性高；

6、對塑料與金屬進行激光連接時，由于激光的非接觸特性，塑料制品不會發(fā)生污染，并極大地減小了連接過程中產(chǎn)生的振動應力和熱應力，還可以進行三維復雜曲面的高速連接，生產(chǎn)效率高、有利于大規(guī)模的工業(yè)應用。

附圖說明

下面結合附圖對發(fā)明作進一步說明：

圖1是本發(fā)明實施例的塑料和金屬異質結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的對金屬部件表面進行激光毛化的過程示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的金屬部件表面激光毛化后的金屬表面；

圖4是本發(fā)明實施例的對塑料和金屬異質結構熱壓接頭進行激光連接的過程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的塑料和金屬異質結構的連接方法作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

實施例1：如圖1所示的某種塑料/金屬異質密封結構，由金屬部件1及塑料部件2組成，本發(fā)明提供一種塑料/金屬異質密封結構的激光輔助熱壓連接方法，包括如下步驟：

S1、如圖2所示，對金屬部件1表面進行激光毛化處理，采用脈沖激光3，在噴嘴4中噴出的輔助氣體5作用下，在金屬表面所需部位產(chǎn)生圖3中所需的局部凸起和凹陷6；

S2、塑料部件2與金屬部件1的激光連接，如圖4所示，離焦激光束3穿透塑料到達塑料/金屬界面上，激光能量在界面處為金屬所吸收，產(chǎn)生熱量，并由金屬經(jīng)界面向塑料傳導，造成界面處塑料的局部區(qū)域發(fā)生熔化7，充填金屬表面的凸起和凹陷，形成二者的機械咬合，并促進塑料中活性基團與金屬及金屬氧化物的化學鍵合，從而加強塑料與金屬基體在界面處的結合。必要時，可采取適當?shù)募訅菏侄未龠M界面結合。

對在上述條件下進行激光毛化后的金屬表面采用表面形貌儀進行測量，以考察金屬表面凸起和凹陷高度差，以及毛化形貌密度；對毛化后金屬表面橫截面金相觀察以考察氧化膜厚度；并對塑料/金屬激光連接后的界面進行氣密性測試。

激光毛化時選用母材為不銹鋼，采用光纖激光器，聚焦光斑直徑為0.6mm，激光功率為300W～1500W，掃描速度在2.4m/m～36m/min范圍內，脈沖頻率為100Hz～1000Hz，占空比在50%～75%之間，輔助氣體為Ar、Ar+CO₂,側吹角度25%～45%，氣流量為15～25L/min，激光掃描次數(shù)可為單次或多次，對應得到的毛化凸起和凹陷高度差在5μm～200μm之間可調，氧化膜厚度為0~5μm。優(yōu)選的，所述金屬表面毛化的凸起和凹陷高度差不低于20μm，密度不低于1/mm²。

塑料/不銹鋼激光連接時，選用塑料基體為PA、PET及PA6，采用光纖激光器，聚焦光斑直徑為0.6mm，激光功率為400W～1000W，離焦量為50mm～150mm，掃描速度為400～1000mm/min。優(yōu)選的，激光連接工藝參數(shù)需嚴格控制以促進塑料在界面處熔化與流動的同時，不造成塑料的熱損傷（界面區(qū)域溫度控制在塑料的熔點以上，分解溫度以下）。經(jīng)測試，采用激光輔助熱壓連接可將此密封構件氣密性合格率提升至85%以上，高于機械噴砂+熱壓方法（低于35%）。

實施例2：針對實施例1中所述的塑料/金屬異質密封結構，并采用與實施例1相同的表面形貌及氣密性測試方法。選用母材為鋁合金，采用光纖激光器，聚焦光斑直徑為0.6mm，激光功率為1500W～3000W，掃描速度在2.4m/m～36m/min范圍內，脈沖頻率為100Hz～1000Hz，占空比在50%～75%之間，輔助氣體為Ar,側吹角度20%～30%，氣流量為10～15L/min，激光掃描次數(shù)為單次，對應得到的毛化凸起和凹陷高度差在5μm～30μm之間可調，氧化膜厚度為0~10μm。優(yōu)選的，所述金屬表面毛化的凸起和凹陷高度差不低于15μm，密度不低于1/mm²。

塑料/鋁合金激光連接時，選用塑料基體為PA、PET及PA6，采用光纖激光器，聚焦光斑直徑為0.6mm，激光功率為600W～2000W，離焦量為30mm～100m，掃描速度為400～1000mm/min。優(yōu)選的，激光連接工藝參數(shù)需嚴格控制以促進塑料在界面處熔化與流動的同時，不造成塑料的熱損傷（界面區(qū)域溫度控制在塑料的熔點以上，分解溫度以下）。經(jīng)測試，采用激光輔助熱壓連接可將此密封構件氣密性合格率提升至95%以上，高于機械噴砂+熱壓方法（低于85%）。

由上述實施例可知，本發(fā)明的方法操作簡單，采用金屬表面激光毛化+塑料/金屬的激光連接相結合的方法，通過在金屬表面形成所需的局部凸起和凹陷及界面處的局部加熱及控溫來提升塑料與金屬的機械咬合及化學鍵合程度，促進塑料/金屬界面的緊密結合，從而提高塑料/金屬異質密封結構的界面結合強度及氣密性。

本說明書中對于實施例公開的系統(tǒng)而言，由于與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。