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華天激光焊接機對不銹鋼與碳纖維增強塑料的焊接使用

2015-07-19 返回列表

  ?因為碳纖維增強塑料(CFRP)具有很高的強度對分量比(strength-to-weight ratio)、出色的抗腐蝕功能和優秀的疲憊功能,因而受到了極大的關注,上述特點讓這種資料合適用在飛機、轎車和其他產品中。轎車工業對熱塑性碳纖維增強塑料特別感興趣,因為它有望縮短出產時刻。
  將塑料或碳纖維增強塑料與金屬接合在一起,一般需求運用膠粘劑或螺栓、鉚釘等機械東西。但是,這些接合工藝有幾種不足之處,如蒸發性有機化合物(VOC)排放的環境約束、粘合時刻較長,螺釘或鉚釘也會添加分量。因而,Seiji Katayama教授帶領團隊開宣布激光輔佐直接焊接金屬和塑料(LAMP)的技能。經過運用連續波(CW)Nd:YAG激光器、半導體激光器、光纖激光器或碟片激光器等,該技能能敏捷而牢固地將比如鋼、不銹鋼、鋁合金在內的金屬與工程熱塑性塑料(例如聚酰胺PA、聚對苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC)接合起來。

  LAMP焊接技能能夠牢固地將碳纖維增強塑料片材和304不銹鋼板焊接在一起,其間運用CW碟片激光器在金屬上生成不焊透焊縫。圖1顯現了聚丙烯腈(PAN)型PA基材碳纖維增強塑料片材與304不銹鋼板之間的激光搭接接頭在做拉伸剪切實驗前、后的狀況。其間,碳纖維增強塑料片材厚度為3mm、寬度為20mm,具有較長的碳纖維,不銹鋼板厚度為3mm、寬度為30mm。橫截面的相片(見圖1中的插圖)顯現了不銹鋼中淺層小孔構成的激光焊道。此外,熔化區廣泛散布在碳纖維增強塑料片材中接近接合面的區域。在圖1b中,咱們能夠觀察到黑色的碳纖維增強塑料片材粘結在304不銹鋼板的底外表。特別是,粘結的碳纖維增強塑料有些首要依據激光焊道下的不銹鋼板而辨認出來。在碳纖維增強塑料片材的接合面中也能看到不銹鋼的有些。上述事實標明構成牢固的焊接接頭是可行的。

 圖2顯現了在不同碟片激光輻照條件下對接頭進行拉伸剪切實驗的成果。成果標明,接頭的最大拉伸剪切負荷(強度)約為4800N(20mm寬的碳纖維增強塑料),這一成果是在功率為2kW和5mm/s的實驗速度的狀況下得出,高于碳纖維增強塑料板的拉伸剪切負荷的一半。30mm寬、3mm厚的PA塑料片材與304不銹鋼板之間接頭的拉伸剪切負荷最大約為3400N。從中咱們能夠判別,20mm寬的碳纖維增強塑料和304不銹鋼板之間接頭的最大負荷要遠高于30mm寬的PA塑料片材與鋼板間的接頭。因而,經過在具有更長碳纖維的聚丙烯腈(PAN)型PA基材碳纖維增強塑料片材和304不銹鋼板之間構成搭接接頭,能夠得到最高的負荷。

  圖3為碳纖維增強塑料片材和304不銹鋼板之間接頭接合面的掃描電子顯微鏡(SEM)相片。很多亞毫米巨細的氣泡不規則地散布在碳纖維周圍的塑料基體中,這是由激光焊接過程中溶池的高溫導致的熱傳導構成的。據證明,碳纖維增強塑料中氣泡的幾許特征首要取決于塑料和碳纖維的疊合形狀,以及傳導熱量的水平緩碳纖維的長度。據悉,與一般塑料相比,碳纖維增強塑料中更容易構成氣泡。對一般塑料來說,氣泡只構成在界面鄰近;而在碳纖維增強塑料中,因為纖維外表與基體之間的不穩定以及碳纖維具有較高的熱導率,所以氣泡廣泛散布在塑料基體中。

  圖4是接頭界面鄰近的透射電子顯微鏡(TEM)相片,從PA基體、不銹鋼上的氧化膜、不銹鋼基體中別離選擇典型的點來進行透射電鏡能譜剖析(TEM-EDS)。咱們能夠觀察到,碳纖維增強塑料從原子或分子尺度上被連接在304不銹鋼的10納米厚的鉻鐵(Cr-Fe)氧化層上。這標明,化學鍵合和物理(范德華力)粘結的可能性很高。因而,碳纖維增強塑料和304不銹鋼能被牢固地接合在一起構成強而有力的接頭。

  進一步地,在7×10^-6帕的高壓下,從碳纖維增強塑料片材向不銹鋼板鉆一個2mm的孔,并丈量鉆孔過程中蒸發氣體的壓力水平緩質譜,再經過Q-質譜儀來剖析氣泡中的氣體成分。成果標明,氣泡內的氣體成分為氮氣、氫氣和碳纖維增強塑料的PA基體裂解發生的烴類氣體。因為裂解后發生氣泡并敏捷擴大,高壓迫使熔化的塑料進行移動并流入金屬外表的坡口或晶界。從所有實驗中咱們能夠推斷出接合機制(見圖5),即,碳纖維增強塑料復合資料與不銹鋼直接接合,是經過化學或物理地粘結熔化的塑料和掩蓋在不銹鋼上的氧化膜來完成的,此外還要思考塑料流動到坡口或晶界而導致的機械錨固效應。
  這種激光焊接碳纖維增強塑料和金屬的技能估計將在行業界得到使用。這種辦法也成功用于焊接碳纖維增強塑料和鋁合金或帶有鋅涂層的鋼,并且它被證明能構成強而有力的接合。

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