CN117962318B - 一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，属于异种材料连接技术领域，其包括以下步骤：S1：在金属基板的待焊接区域加工多条颈缩沟槽；S2：在颈缩沟槽内熔覆混有增强物的热塑性塑料，该热塑性塑料与热塑性塑料基板的材质一致，热塑性塑料冷却后凸出金属基板，形成凸纹理；S3：通过带有凸齿纹理的超声振动头在热塑性塑料基板的待焊接区域加工与凸纹理相配合的凹纹理；S4：将凸纹理插入凹纹理内部，并将热塑性塑料基板与金属基板进行超声焊接。本发明能大幅增强热塑性塑料基板与金属基板之间的可焊性，降低超声焊接所需的功率及工艺难度；也可以避免异种材料超声焊接造成的局部应力集中、气孔及微裂纹等焊接缺陷。

Description

一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法

技术领域

本发明涉及异种材料连接技术领域，具体涉及一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法。

背景技术

随着聚合物材料技术的发展，热塑性塑料因强度好、易加工、耐腐蚀及可焊接等优点，被广泛应用于航空航天、船舶海洋、汽车交通生物医疗、电力电子等工业领域。由于加工成本、制造工艺、生产条件等因素的制约，在制造结构复杂或大型零部件时连接技术不可避免，特别是金属与热塑性塑料的连接。

金属与热塑性塑料属异种材料，其热力学及物理化学性质存在较大差异，导致其连接结构难以获得足够的强度。目前适用于热塑性塑料与金属的连接方式有机械连接(螺接和铆接)、粘接和焊接。机械连接具有应力集中及非轻量化等缺点，且不太适用于较厚材料的连接。粘接虽然可克服机械连接的缺点，但严重依赖于粘接剂性能及固化条件，必需对粘接面进行严格预处理，其工艺要求苛刻、效率低。焊接虽然效率高，但对异种材料的可焊性较差，且焊接区域易产生气孔及微裂纹等缺陷，导致连接强度不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，以解决现有金属与热塑性塑料在直接焊接时，可焊性差，焊接区域易产生气孔及微裂纹等缺陷，从而导致连接强度不足的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，包括以下步骤：

S1：在金属基板的待焊接区域加工多条颈缩沟槽；

S2：在颈缩沟槽内熔覆混有增强物的热塑性塑料，该热塑性塑料与热塑性塑料基板的材质一致，热塑性塑料冷却后凸出金属基板，形成凸纹理；

S3：通过带有凸齿纹理的超声振动头在热塑性塑料基板的待焊接区域加工与凸纹理相配合的凹纹理；

S4：将凸纹理插入凹纹理内部，并将热塑性塑料基板与金属基板进行超声焊接。

本发明先在金属基板上预加工处多条颈缩沟槽，然后在颈缩沟槽中熔覆混有增强物的热塑性塑料，并凸出金属基板形成凸纹理，颈缩沟槽的存在使热塑性塑料与金属基板之间具有良好的连接性，最后将凸纹理和热塑性塑料基板上的凹纹理配合后通过超声焊接连接在一起，因此，本发明对金属基板与热塑性塑料基板的超声焊接实质上是热塑性塑料与热塑性塑料基板之间的超声焊接，即将金属基板与热塑性塑料基板之间的异种材料超声焊接转换为热塑性塑料与热塑性塑料基板之间的同种材料超声焊接，从而大幅增强热塑性塑料基板与金属基板之间的可焊性，降低超声焊接所需的功率及工艺难度；也可以避免异种材料超声焊接时，因比热容、热膨胀系数等热力学参数不匹配，而造成的局部应力集中、气孔及微裂纹等焊接缺陷。

进一步地，上述步骤S1中，采用变激光入射角协同多次扫描的多次加工方法在金属基板的待焊接区域加工颈缩沟槽，颈缩沟槽满足以下几何条件：

其中，为激光最大入射角，并且M为沟槽开口宽度，W为沟槽间距，H为沟槽深度，扫描次数≥3。

进一步地，上述在加工颈缩沟槽前，对金属基板的待焊接区域进行清洁。

进一步地，上述步骤S2包括以下子步骤：

S21：将设有通槽的铺粉模具水平放置在加工有颈缩沟槽的金属基板的待焊接区域上方，并保持通槽与颈缩沟槽一一对齐；

S22：向铺粉模具的通槽内装入混有增强物的热塑性塑料粉末，直到铺满通槽并高出铺粉模具上表面；

S23：刮去高于铺粉模具上表面的粉末，并垂直向上取出铺粉模具；

S24：对金属基板的待焊接区域加热，直到混有增强物的热塑性塑料粉末熔化后停止加热并冷却，形成凸出金属基板的凸纹理。

进一步地，上述铺粉模具的通槽的横截面为上窄下宽的梯形，其几何条件满足：

250μm≤G≤700μm；

B<A＝M；

K＝W；

其中，G为通槽的深度，B为通槽的上开口宽度，A为通槽的下开口宽度，K为通槽的间距，M为颈缩沟槽的开口宽度，W为颈缩沟槽的间距。

进一步地，热塑性塑料粉末的粒度为500目至2000目；增强物为粒度500目至2000目的硅粉末、铝粉末、氧化铝粉末、二氧化硅粉末、碳纤维粉末中的一种或多种，并且增强物与热塑性塑料粉末的体积比为1:100至10:100。

进一步地，上述步骤S3包括以下子步骤：

S31：将端面带有凸齿纹理的超声振动头垂直放置在热塑性塑料基板的待焊接区域上方；

S32：启动超声振动，使超声振动头的凸齿垂直压入热塑性塑料基板的待焊接区域，直至压入深度Z达到所需深度后快速垂直抬起超声振动头，并停止超声振动，从而在热塑性塑料基板的待焊接区域制备出凹纹理。

进一步地，上述超声振动头凸齿的几何参数满足：

L＝K＝W；

N≥G；

P≥B；

G≤Z≤N；

其中：L为凸齿的间距，N为凸齿的高度，β为齿形斜角，P为凸齿的齿顶宽度。

进一步地，上述步骤S4包括以下子步骤：

S41：将金属基板的待焊接区域与热塑性塑料基板的待焊接区域叠加后水平放置在超声焊接装置的底座上，并确保金属基板位于热塑性塑料基板的上方；

S42：将金属基板的待焊接区域的凸纹理插入热塑性塑料基板的待焊接区域的凹纹理内部；

S43：将超声焊接头移动至待焊接区域的上方，并对金属基板与热塑性塑料基板进行超声焊接，直至焊接完成。

进一步地，上述热塑性塑料基板为厚度≤5mm的聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、尼龙、聚碳酸酯、热塑性聚酰亚胺中的一种或多种；

金属基板为厚度≤5mm的铝合金、钛合金、镁合金或钢。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将金属基板与热塑性塑料基板之间的异种材料超声焊接转换为热塑性塑料与热塑性塑料基板之间的同种材料超声焊接，从而大幅增强热塑性塑料基板与金属基板之间的可焊性，降低超声焊接所需的功率及工艺难度；也可以避免异种材料超声焊接时，因比热容、热膨胀系数等热力学参数不匹配，而造成的局部应力集中、气孔及微裂纹等焊接缺陷。

(2)本发明在金属基板的待焊接区域加工的颈缩微沟槽可以与热塑性塑料形成“燕尾榫”锚固，热塑性塑料中混入的增强物可有效提高焊接区域的连接强度，使热塑性塑料基板与金属基板的焊接结构具有良好的力学性能和耐久性。

(3)本发明在进行超声焊接时，金属基板位于热塑性塑料基板的上方，因此，超声焊接头直接与金属基板接触，以减小超声波在传播过程中的衰减，可以使焊接区域获得更多能量。

(4)本发明在进行超声焊接时，保持金属基板的待焊接区域的凸纹理插入热塑性塑料基板的待焊接区域的凹纹理内部，可使焊接区域充分接触并提高摩擦产生的热量，促进焊接区域的熔融物充分扩散，从而减少应力集中、气孔及微裂纹等焊接缺陷，增加焊接结构强度。

附图说明

图1为实施例1加工有颈缩沟槽的金属基板的结构示意图；

图2为实施例1形成有凸纹理的金属基板的结构示意图；

图3为实施例1的热塑性塑料基板加工凹纹理时的结构示意图；

图4为实施例1加工有凹纹理的热塑性塑料基板的结构示意图；

图5为实施例1的金属基板与热塑性塑料基板超声焊接时的结构示意图；

图6为实施例2中铝合金与PEKK(聚醚酮酮)超声焊接后的微观组织图。

图中：10-金属基板；11-颈缩沟槽；12-凸纹理；20-热塑性塑料基板；21-凹纹理；30-超声振动头；40-超声焊接头；50-铺粉模具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

本实施例提供一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，包括以下步骤：

S1：在金属基板10的待焊接区域加工多条颈缩沟槽11；

S2：在颈缩沟槽11内熔覆混有增强物的热塑性塑料，该热塑性塑料与热塑性塑料基板20的材质一致，热塑性塑料冷却后凸出金属基板10，形成凸纹理12；

S3：通过带有凸齿纹理的超声振动头30在热塑性塑料基板20的待焊接区域加工与凸纹理12相配合的凹纹理21；

S4：将凸纹理12插入凹纹理21内部，并将热塑性塑料基板20与金属基板10进行超声焊接。

其中，金属基板10采用合金钢、钛合金、铝合金或镁合金等，热塑性塑料基板20的材质为聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、尼龙、聚碳酸酯、热塑性聚酰亚胺中的一种或多种；金属基板10和碳纤维热塑性复合材料基板70的厚度均≤5mm。

本发明先在金属基板10上预加工处多条颈缩沟槽11，然后在颈缩沟槽11中熔覆混有增强物的热塑性塑料，并凸出金属基板形成凸纹理12，颈缩沟槽11的存在使热塑性塑料与金属基板10之间具有良好的连接性，最后将凸纹理12和热塑性塑料基板20上的凹纹理21配合后通过超声焊接连接在一起，因此，本发明对金属基板10与热塑性塑料基板20的超声焊接实质上是热塑性塑料与热塑性塑料基板20之间的超声焊接，即将金属基板10与热塑性塑料基板20之间的异种材料超声焊接转换为热塑性塑料与热塑性塑料基板20之间的同种材料超声焊接，从而大幅增强热塑性塑料基板20与金属基板10之间的可焊性，降低超声焊接所需的功率及工艺难度；也可以避免异种材料超声焊接时，因比热容、热膨胀系数等热力学参数不匹配，而造成的局部应力集中、气孔及微裂纹等焊接缺陷。

请参照图1，步骤S1中，首先对金属基板10的待焊接区域进行清洁，然后采用变激光入射角协同多次扫描的多次加工方法在金属基板10的待焊接区域加工颈缩沟槽11，颈缩沟槽11满足以下几何条件：

其中，为激光最大入射角，并且M为沟槽开口宽度，W为沟槽间距，H为沟槽深度，扫描次数≥3。

在本实施例中，确保激光的焦点保持不变，旋转激光发射器以改变激光入射角。显然，可以采用正离焦(激光焦点在金属基板10的待焊接区域的外侧)、负离焦(激光焦点在金属基板10的待焊接区域的内侧)或者离焦为零(激光焦点在金属基板10的待焊接区域的外侧面上)的方式加工颈缩沟槽11。

本发明在金属基板10的待焊接区域加工的颈缩沟槽11可以与热塑性塑料形成“燕尾榫”锚固，热塑性塑料中混入的增强物可有效提高焊接区域的连接强度，使热塑性塑料基板20与金属基板10的焊接结构具有良好的力学性能和耐久性。

在本实施例中，激光均采用纳秒或皮秒激光。

请参照图2，步骤S2包括以下子步骤：

S21：将设有通槽的铺粉模具50水平放置在加工有颈缩沟槽11的金属基板10的待焊接区域上方，并保持通槽与颈缩沟槽11一一对齐；

S22：向铺粉模具50的通槽内装入混有增强物的热塑性塑料粉末，直到铺满通槽并高出铺粉模具50上表面；

S23：刮去高于铺粉模具50上表面的粉末，并垂直向上取出铺粉模具50；

S24：对金属基板10的待焊接区域加热，直到混有增强物的热塑性塑料粉末熔化后停止加热并冷却，形成凸出金属基板10的凸纹理。

其中，铺粉模具50的通槽的横截面为上窄下宽的梯形，其几何条件满足：

250μm≤G≤700μm；

B<A＝M；

K＝W；

其中，G为通槽的深度，B为通槽的上开口宽度，A为通槽的下开口宽度，K为通槽的间距，M为颈缩沟槽的开口宽度，W为颈缩沟槽的间距。

呈上窄下宽的梯形的通槽能够使形成的凸纹理呈梯形，提高热塑性塑料与热塑性塑料基板20之间的连接稳定性。

在本实施例中，热塑性塑料粉末的粒度为500目至2000目；增强物为粒度500目至2000目的硅粉末、铝粉末、氧化铝粉末、二氧化硅粉末、碳纤维粉末中的一种或多种，并且增强物与热塑性塑料粉末的体积比为1:100至10:100。

在本实施例中，热塑性塑料粉末熔融后形成前述热塑性塑料。

请参照图3和图4，步骤S3包括以下子步骤：

S31：将端面带有凸齿纹理的超声振动头30垂直放置在热塑性塑料基板20的待焊接区域上方，超声振动头30的振动方向垂直于热塑性塑料基板20的待焊接区域的表面；

S32：启动超声振动，使超声振动头30的凸齿垂直压入热塑性塑料基板20的待焊接区域，直至压入深度Z达到所需深度后快速垂直抬起超声振动头30，并停止超声振动，从而在热塑性塑料基板20的待焊接区域制备出凹纹理21。

其中，超声振动头30的凸齿的几何参数满足：

L＝K＝W；

N≥G；

P≥B；

G≤Z≤N；

其中：L为凸齿的间距，N为凸齿的高度，β为齿形斜角，P为凸齿的齿顶宽度。

请参照图5，步骤S4包括以下子步骤：

S41：将金属基板10的待焊接区域与热塑性塑料基板20的待焊接区域叠加后水平放置在超声焊接装置的底座上，并确保金属基板10位于热塑性塑料基板20的上方；

S42：将金属基板10的待焊接区域的凸纹理12插入热塑性塑料基板20的待焊接区域的凹纹理21内部，可使焊接区域充分接触并提高摩擦产生的热量，促进焊接区域的熔融物充分扩散，从而减少应力集中、气孔及微裂纹等焊接缺陷，增加焊接结构强度；

S43：将超声焊接头40移动至待焊接区域的上方，并对金属基板10与热塑性塑料基板20进行超声焊接，直至焊接完成；在超声焊接时，金属基板10位于热塑性塑料基板20的上方，因此，超声焊接头40直接与金属基板10接触，以减小超声波在传播过程中的衰减，可以使焊接区域获得更多能量。

实施例2：

本实施例提供一个具体实例用以对整个连接方法予以说明，本实施例以7075-T6铝合金和聚醚酮酮(PEKK)为焊接基板，厚度均为2mm为例，待连接区域的宽度为25mm、长度为25mm，包括以下步骤：

S1：在铝合金基板的待焊接区域加工多条颈缩沟槽11：

(1)在丙酮中对铝合金基板的待焊接区域进行超声清洁。

(2)选取激光加工参数：选用纳秒红外激光、光斑能量呈高斯分布、聚焦光斑直径＝40μm、脉宽＝200ns、频率＝10kHz、平均功率＝8W、扫描速度＝100mm/s、扫描次数＝3。

(3)采用离焦为零(激光焦点在铝合金基板的待焊接区域的外侧面上)的方式，并分别调节激光入射角为0°、10°和20°进行第一次、第二次和第三次加工，然后调节激光入射角为-10°和-20°进行第四次和第五次加工，通过五次加工获得颈缩沟槽11，此时，激光最大入射角，为20°，加工获得的沟槽开口宽度M为65μm、沟槽间距W为500μm、沟槽深度H为130μm。

(4)对铝合金基板的待焊接区域多次加工，形成多条平行的颈缩沟槽11。

S2：在铝合金基板的待焊接区域形成凸纹理12：

(1)将设有通槽的铺粉模具50水平放置在加工有颈缩沟槽11的铝合金基板的待焊接区域的上方，并保持通槽的中心与颈缩沟槽11的中心对齐。

本实施例中，铺粉模具的材质为不锈钢，宽度为25mm，长度为25mm，高度为0.5mm。通槽的几何参数为：通槽的深度G＝500μm，通槽的上开口宽度B＝120μm，通槽的下开口宽度A＝160μm，通槽的间距K＝500μm。

(2)向铺粉模具50的通槽内撒入混有二氧化硅粉末的聚醚酮酮粉末，直到铺满通槽并高出铺粉模具50的上表面。聚醚酮酮粉末的粒度为1000目，二氧化硅粉末的粒度为1000目，二氧化硅粉末与聚醚酮酮粉末的体积比为5:100。

(3)刮去高于铺粉模具50上表面的粉末，并垂直取出铺粉模具。

(4)将铝合金基板的待焊接区域加热至450℃，使粉末全部熔化后停止加热，冷却后在铝合金基板的待焊接区域形成凸纹理12。

S3：在聚醚酮酮基板的待焊接区域形成凹纹理21：

(1)将端面带有凸齿纹理的超声振动头30垂直放置在聚醚酮酮基板的待焊接区域的上方，超声振动头30的振动方向垂直于聚醚酮酮基板的待焊接区域的表面。

(2)设超声振动参数：压力F1＝1MPa，振幅U1＝90μm，振动频率f1＝20kHz，振动时间T1＝0.5s；然后启动超声振动，使超声振动头30的凸齿垂直压入聚醚酮酮基板的待焊接区域，直至压入深度Z为500μm后快速垂直抬起超声振动头30，并停止超声振动，从而在聚醚酮酮基板的待焊接区域制备出凹纹理21。

本实施例中，超声振动头的端面为25mm×25mm的正方形，超声功率为2000W。超声振动头30的凸齿几何参数为：凸齿的间距L＝500μm，凸齿的高度N＝600μm，齿形斜角β＝10°，凸齿的齿顶宽度P＝160μm。

S4：对铝合金基板和聚醚酮酮基板进行超声焊接：

(1)将铝合金基板的待焊接区域与聚醚酮酮基板的待焊接区域叠加后水平放置在超声焊接装置的底座上，并确保铝合金基板位于聚醚酮酮基板的上方。

(2)将铝合金基板的待焊接区域的凸纹理12插入聚醚酮酮基板的待焊接区域的凹纹理21内部。

(3)将超声焊接头40移动至待焊接区域的上方，并对铝合金基板与聚醚酮酮基板进行超声焊接，直至焊接完成,聚醚酮酮基板与铝合金基板焊接区域的截面微观形貌如图6所示。

本实施例中，超声焊接头的端面为25mm×25mm的正方形，超声功率为3000W，超声焊接参数具体为：压力F2＝1MPa，振幅U2＝100μm，振动频率f2＝25kHz，振动时间T2＝1s，保压时间T3＝0.5s。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在金属基板的待焊接区域加工多条颈缩沟槽；

S2：在颈缩沟槽内熔覆混有增强物的热塑性塑料，所述热塑性塑料与热塑性塑料基板的材质一致，热塑性塑料冷却后凸出金属基板，形成凸纹理；

S3：通过带有凸齿纹理的超声振动头在热塑性塑料基板的待焊接区域加工与凸纹理相配合的凹纹理；

S4：将凸纹理插入凹纹理内部，并将热塑性塑料基板与金属基板进行超声焊接。

2.根据权利要求1所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，步骤S1中，采用变激光入射角协同多次扫描的多次加工方法在金属基板的待焊接区域加工颈缩沟槽，颈缩沟槽满足以下几何条件：

其中，为激光最大入射角，并且M为沟槽开口宽度，W为沟槽间距，H为沟槽深度，扫描次数≥3。

3.根据权利要求2所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，在加工颈缩沟槽前，对金属基板的待焊接区域进行清洁。

4.根据权利要求1所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：

S21：将设有通槽的铺粉模具水平放置在加工有颈缩沟槽的金属基板的待焊接区域上方，并保持通槽与颈缩沟槽一一对齐；

S22：向铺粉模具的通槽内装入混有增强物的热塑性塑料粉末，直到铺满通槽并高出铺粉模具上表面；

S23：刮去高于铺粉模具上表面的粉末，并垂直向上取出铺粉模具；

S24：对金属基板的待焊接区域加热，直到混有增强物的热塑性塑料粉末熔化后停止加热并冷却，形成凸出金属基板的凸纹理。

5.根据权利要求4所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，所述铺粉模具的通槽的横截面为上窄下宽的梯形，其几何条件满足：

250μm≤G≤700μm；

B<A＝M；

K＝W；

其中，G为通槽的深度，B为通槽的上开口宽度，A为通槽的下开口宽度，K为通槽的间距，M为颈缩沟槽的开口宽度，W为颈缩沟槽的间距。

6.根据权利要求4所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，热塑性塑料粉末的粒度为500目至2000目；增强物为粒度500目至2000目的硅粉末、铝粉末、氧化铝粉末、二氧化硅粉末、碳纤维粉末中的一种或多种，并且增强物与热塑性塑料粉末的体积比为1:100至10:100。

7.根据权利要求5所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，步骤S3包括以下子步骤：

S31：将端面带有凸齿纹理的超声振动头垂直放置在热塑性塑料基板的待焊接区域上方；

S32：启动超声振动，使超声振动头的凸齿垂直压入热塑性塑料基板的待焊接区域，直至压入深度Z达到所需深度后快速垂直抬起超声振动头，并停止超声振动，从而在热塑性塑料基板的待焊接区域制备出凹纹理。

8.根据权利要求7所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，所述超声振动头凸齿的几何参数满足：

L＝K＝W；

N≥G；

P≥B；

G≤Z≤N；

其中：L为凸齿的间距，N为凸齿的高度，β为齿形斜角，P为凸齿的齿顶宽度。

9.根据权利要求1所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，步骤S4包括以下子步骤：

S41：将金属基板的待焊接区域与热塑性塑料基板的待焊接区域叠加后水平放置在超声焊接装置的底座上，并确保金属基板位于热塑性塑料基板的上方；

S42：将金属基板的待焊接区域的凸纹理插入热塑性塑料基板的待焊接区域的凹纹理内部；

S43：将超声焊接头移动至待焊接区域的上方，并对金属基板与热塑性塑料基板进行超声焊接，直至焊接完成。

10.根据权利要求1至9任一项所述的热塑性塑料基板与金属基板的连接方法，其特征在于，所述热塑性塑料基板为厚度≤5mm的聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、尼龙、聚碳酸酯、热塑性聚酰亚胺中的一种或多种；

金属基板为厚度≤5mm的铝合金、钛合金、镁合金或钢。