一种超快激光处理增强复合材料与金属连接强度的方法
阅读说明：本技术 一种超快激光处理增强复合材料与金属连接强度的方法 (Method for enhancing connection strength of composite material and metal through ultrafast laser treatment ) 是由 黄婷 王栋 肖荣诗 徐洁洁 于 2021-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超快激光处理增强复合材料与金属连接强度的方法。本发明首先通过控制超快激光扫描线间距、激光功率以及扫描速度等工艺参数,以达到有效去除金属材料氧化膜薄层的目的,然后采用超快激光在去除氧化膜后的金属表面刻蚀出微结构,通过增加纤维增强复合材料与金属材料实际连接面积的方式,提高了异质结构接头的机械锚固作用,实现了连接接头剪切强度的大幅提升。根据本发明的方法具有结构可控性强、效率高及无污染等优势,具有较好的工业应用前景。(The invention provides a method for enhancing the connection strength of a composite material and metal by ultrafast laser treatment. According to the invention, the purpose of effectively removing the oxide film thin layer of the metal material is achieved by controlling the process parameters such as the ultra-fast laser scanning line spacing, the laser power, the scanning speed and the like, then, the microstructure is etched on the metal surface after the oxide film is removed by adopting the ultra-fast laser, the mechanical anchoring effect of the heterostructure joint is improved by increasing the actual connecting area of the fiber reinforced composite material and the metal material, and the shear strength of the connecting joint is greatly improved. The method has the advantages of strong structural controllability, high efficiency, no pollution and the like, and has better industrial application prospect.)
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料(FRP)与金属材料异种材料连接，属于先进制造
技术领域
。背景技术
纤维增强复合材料(FRP)具有高比强度、耐腐蚀性良好以及耐疲劳性优异等性能，在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。金属材料具有良好机械加工性、热导性以及成本低等优势。为了充分发挥两种材料的优越性能，在飞机、汽车等大型结构件中必然涉及FRP与金属材料的连接。
在国内外相关研究结果中，胶接和焊接是FRP与金属材料连接较为常用的方式。但是，通过胶接和焊接得到的异质结构接头力学性能较差，限制了工业应用的发展。接头力学性能较差的原因主要是由于界面处异质结构实际结合面积较小，导致机械锚固作用较弱。
此外，由于铝合金等金属材料中含有活性元素，其表面会形成较厚的氧化膜。在FRP与金属材料连接过程中，连接界面处金属一侧的氧化膜具有隔热效果，不利于热量在界面处的传递。现有研究主要通过机械处理以及化学清洗去除金属表层的氧化膜。但是，机械处理难以得到控制，异质结构接头连接界面结合效果不稳定。而化学清洗不仅工艺繁琐，且会产生污染环境的气体。
因此，本领域需要一种改进的纤维增强复合材料与金属材料搭接接头强化的方法，既能够去除连接界面处的氧化膜，又能够实现异质结构接头力学性能的大幅提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种基于超快激光预处理的FRP/金属材料搭接接头强化的方法，提高连接强度，改善连接效果。
本发明的技术方案如下。
本发明第一方面提供了一种超快激光处理增强复合材料与金属连接强度的方法，包括如下步骤：
步骤S1，通过超快激光去除金属材料连接界面处的氧化膜薄层；
步骤S2，采用超快激光在去除氧化膜后的金属材料表面刻蚀出微结构。
优选地，所述步骤S1中的超快激光指脉冲宽度为皮秒、飞秒级别的激光。
优选地，所述步骤S2在金属材料表面通过超快激光刻蚀出多种不同的微结构。
优选地，所述微结构中刻蚀密度为20-80％，其中所述刻蚀密度为材料去除面积与整个区域面积的比值。
本发明第二方面提供了一种异种材料连接接头强化方法，所述异种材料包括金属材料和纤维增强复合材料(FRP)，包括如下步骤：
步骤S1，通过超快激光去除金属材料连接界面处的氧化膜薄层；
步骤S2，采用超快激光在去除氧化膜后的金属材料表面刻蚀出微结构；
步骤S3，将所述金属材料与纤维增强复合材料进行连接。
优选地，所述金属材料为铝合金、钛合金、高温合金、碳钢，不锈钢或镁合金。所述纤维增强复合材料为纤维增强热塑性或热固性树脂基复合材料，增强相为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。
优选地，所述连接方式包括激光连接、搅拌摩擦焊接、电阻焊接、超声波焊接、注塑模焊、感应焊接或胶接。
通过以上技术方案，本发明能够取得如下优点。
1)超快激光去除氧化膜具有结构可控性强、效率高以及无污染等优点，在实现高效去除金属材料表层氧化膜的同时，可保证稳定的去除效果，有利于工业领域的应用。
2)超快激光所实现的“冷加工”，具有较小的热影响区，不会产生气孔、裂纹等缺陷。该工艺方法在极大提高预处理效率的同时，异质结构接头得到较大的提升，可实现工业化的应用。
附图说明
图1是根据本发明的强化方法作用区域示意图；
图2是图1中刻蚀区域中刻蚀密度计算示意图；
图3是图1中实施例处理后的AA2060铝锂合金表面形貌图；
图4是对图1中实施例处理后的连接接头进行拉伸测试示意图；
图5是图1中实施例处理前后的CFRP/AA2060铝锂合金激光连接接头剪切强度对比图；
图6为当刻蚀结构为垂直结构以及不同刻蚀密度下，对图1中实施例处理后的CFRP/AA2060铝锂合金激光连接接头剪切强度对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明不限于以下实施例。
本实施例提供了一种FRP/金属材料连接接头强化方法，包括如下步骤：
步骤S1，通过超快激光去除金属材料连接界面处的氧化膜薄层。
超快激光作为一种先进的加工技术，其超短脉宽可有效抑制热扩散，可实现“冷加工”。因此，超快激光在去除金属氧化膜方面具有独特的优势。
步骤S2，采用超快激光在去除氧化膜后的金属材料表面刻蚀出微结构。
激光预刻蚀处理与现有技术中的机械结合增强工艺，包括砂纸打磨、喷丸处理等械，都是通过增加FRP与金属材料实际结合面积的方法，提高连接接头机械锚固作用。本发明采用激光预刻蚀处理的技术方案具有结构可控性强、加工效率高等优势。同时，通过激光制备的微结构可改变异质结构界面处的热传递形式，一定程度上减少了接头界面处的收缩气孔，气孔缺陷的减少有利于异质结构接头强度的提高。超快激光具有超窄脉宽和超高能量密度等优势，具有较小的热影响区，不会产生气孔、裂纹等缺陷。该工艺方法可制备结构密度较高的微结构，极大增强异质结构界面机械锚固作用。
本实施例还提供了一种异种材料连接接头强化方法，所述异种材料包括金属材料和纤维增强复合材料(FRP)，包括如下步骤：
步骤S1，通过超快激光去除金属材料连接界面处的氧化膜薄层；
步骤S2，采用超快激光在去除氧化膜后的金属材料表面刻蚀出微结构；
步骤S3，将所述金属材料与纤维增强复合材料(FRP)进行连接。
本实施例的具体实施方式如下。
1.原料：
1)航空航天用高强2060铝锂合金，材料尺寸为60mm×30mm×2mm。
2)碳纤维含量约为22％的PA6基复合材料，材料尺寸为60mm×25mm×4mm。
2.工艺方法：
步骤一：飞秒激光去除氧化膜。
本发明采用TruMicro5000绿光飞秒激光器和SCANLAB公司生产的hurrySCAN14扫描振镜。激光波长为515nm，脉冲宽度800fs，最大功率为75W，焦斑直径为50μm。所采用的激光功率为60W，扫描速度为2000mm/s，扫描线间距为40μm，扫描次数为2。
步骤二：飞秒激光刻蚀微结构。
步骤二与步骤一所采用的激光器为同一台激光器。四种刻蚀形貌如图3所示，包括：(a)与拉伸方向垂直的直线型、(b)与拉伸方向平行的直线型、(c)与拉伸方向成0°、90°角的网格状，以及(d)与拉伸方向成45°、135°角的网格状。
步骤二所采用的激光功率为15W，扫描速度2000mm/s，扫描次数为60。为保证相同的刻蚀结构密度，形貌(a)和(b)的线间距为114μm，形貌(c)和(d)的线间距为200μm。
步骤三：CFRP与AA2060铝锂合金激光连接。
采用IPG生产的YLS-6000型光纤激光器，激光波长为1070nm，准直镜焦距为200mm，积分镜焦距为200mm，光斑尺寸为0.6mm×5.8mm，激光功率和连接速度分别为5kW、60mm/s。
3.力学性能测试
如图4所示，采用MTS-370拉伸测试机测试根据本实施例的方法得到的异质结构接头的剪切力，拉伸加载速率为0.5mm/min。试样拉伸过程中两侧均预置垫块，保证连接接头处于竖直方向。
采用本发明的方法处理前后的CFRP/AA2060铝锂合金激光连接接头剪切力对比如图5所示。未经任何处理的CFRP/AA2060连接接头平均剪切力仅为1939N。通过飞秒激光去除氧化膜，其接头平均剪切力提升至2290N。当刻蚀结构为垂直结构时，接头平均剪切力提升至5361N，约为未处理接头的2.8倍；当刻蚀结构为平行结构时，接头提升至5189N，约为未处理接头的2.7倍；当刻蚀结构为90°网格结构时，接头平均剪切力提升至5114N，约为未处理接头的2.6倍；当刻蚀结构为45°网格结构时，接头平均剪切力提升至4428N，约为未处理接头的2.3倍；结果表明：通过飞秒激光预处理，接头力学性能得到较大提升。
图6为当刻蚀结构为垂直结构以及不同刻蚀密度下，采用本发明的方法处理后的CFRP/AA2060铝锂合金激光连接接头剪切强度对比图。在优选的实施方式中，微结构中刻蚀密度为20-80％，其中所述刻蚀密度为材料去除面积与整个区域面积的比值。
以上所述仅仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的范围内，利用本发明公开的技术内容作出的简单变形或等同变化的实施方式，都应属于本发明的范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种加工制备表面微纳复合结构的方法