专利名称：一种提高激光透射焊接连接强度的方法
技术领域：
本发明属于激光透射焊接技术领域，特指ー种能提高金属和聚合物激光透射焊接连接强度的方法及装置。用脉冲激光处理的方法在金属表面形成凹坑，在进行激光透射焊接时熔化的聚合物受到焊接压カ的作用流入凹坑，在焊缝处形成一种铆接结构的咬合界面，増加金属与聚合物的连接接触面积，从而促使金属与聚合物更好的相互結合，从而实现提高激光透射焊接连接強度。
背景技术：
目前，激光透射焊接技术在聚合物与聚合物、聚合物与金属等同种和异种材料的焊接加工领域得到广泛应用，其特点是快速、非接触、精确、热影响区小等，焊接产品伴随着激光透射焊接技术的发展，越来越多的被应用于医学等领域、汽车エ业，如文献《热塑性聚氨酯弾性体薄膜激光透射焊接》中，热塑性聚氨酯弾性体经过激光透射焊接可以应用于医药制品中，但其指出激光透射连接接头的质量有待进一步研究提闻。连接强度是焊缝质量的ー个重要评价指标，通常可以用剥离强度和拉伸强度来衡量。随着技术的发展，汽车零部件、电子器件产品封装、医疗器械等对激光透射焊接连接强度提出 了较高的要求°文献〈〈Chemical bond formation during laser bonding of TeflonFEP and titanium》指出，激光透射焊接焊缝实际接触面上发生了反应,金属与聚合物依靠化学键合实现连接，但是依靠化学键，其强度并不能满足封装等技术中高強度、耐久性的要求。目前国内外对于提高激光透射焊接连接強度的方法还主要集中在优化其エ艺參数方面，经检索文献《PET薄膜与薄钛板激光透射连接》中通过对參数优化得出连接强度随着功率増加和速度減少而增加，为达到更高强度，理论上需要更高功率，更小速度，但是在实际应用中，考虑到经济性、方便性以及安全性，就需要在激光能量适中时寻找ー种可以显著提高激光透射焊接连接強度的方法，以满足实际生产中高強度、耐久性的需要。文献《激光冲击表面強化对焊接接头力学性能的影响》表述了ー种对焊接接头的表面強化处理提高拉伸强度的方法，此方法是在焊接后再进行焊接连接强度的提高，在透射焊接中不可避免的会造成焊接后焊缝的破坏。而本发明针对金属与聚合物的材料特点，通过脉冲激光处理改变金属材料表面形貌，在金属表面形成有利于提高对激光吸收的凹坑，激光透射焊接吋，能够使得金属表面快速升温，聚合物快速融化，在焊接压力的作用下，熔化的聚合物进入凹坑中，在焊缝处形成一种铆接结构的咬合界面，从而提高了激光透射焊接连接強度，尤其是拉伸強度。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高激光透射焊接连接強度的方法。根据激光透射焊接特点，用脉冲激光处理的方法在吸收层金属材料的表面形成凹坑，在焊接时使得受到焊接压カ作用的熔化聚合物流进凹坑，在焊缝处形成一种铆接结构的咬合界面，増加金属与聚合物的连接接触面积，从而促使金属与聚合物更好的相互結合，实现提高激光透射焊接连接强度。本发明的具体步骤为
A)形成凹坑将表面平整的原始形貌金属用乙醇进行超声波清洗，清除其表面杂质，吹干后用脉冲激光器对原始形貌金属的焊接区域冲击处理，在原始形貌金属表面形成深度为50um一130um,直径最小为40um,间距为2mm—5mm的凹坑；
B)焊件装配将表面形成凹坑的脉冲激光处理后金属作为下层吸光材料，聚合物作为上层透光材料置于工作台上，聚合物搭接在脉冲激光处理后金属上，聚合物和脉冲激光处理后金属紧密贴近，中间没有间隙，约束层置于聚合物上，压板置于约束层上方，通过放置在压板上的压头施加焊接压力，通过设于激光处理后金属与工作台之间的压力传感器测量压力数值；
C)焊接试验用能量连续的激光器发生器对约束层进行激光透射，激光束的能量、激光光斑大小由激光器控制计算机调节和控制，激光束透过约束层和聚合物使金属表面温度快速达到上层聚合物的熔点，聚合物表面融化，聚合物受到压头施加的焊接压力，聚合物的表层熔化并流进凹坑，在焊缝处形成铆接结构的咬合界面，控制装置控制工作台沿X方向移动，调节工件与激光束的相对位置。
本发明中被处理的金属可根据实际材料焊接区域的位置及宽度选择凹坑的位置和行列数，同时选择凹坑的深度要参考实际焊接金属材料的厚度。本发明中金属与聚合物连接的形式采用搭接，即金属置于下层，聚合物置于金属之上，金属与聚合物有一定的重合接触区域。本发明的实现，提供了一种更好、更快、方便、安全、可靠的可以显著提高激光透射焊接连接强度的方法，使得提高激光透射焊接连接强度领域得到进展该方法使得金属与聚合物的局部连接变得更加牢固，不再受限于依靠传统的优化工艺参数方法来获得较高强度的焊缝。该方法使得医学和光电子领域内获得耐久性的封装，在汽车等连接强度要求很高的领域实现连接构件的应用。本发明通过显著提高激光透射焊接的连接强度推动激光透射焊接技术在工业上的应用。
图1为焊接材料的连接形式示意图。图2为本发明焊件装配及原理图。图3为304不锈钢表面激光处理后凹坑形貌图。图4为实施例焊接后的剖面图。图中，I计算机，2压力传感器，3脉冲激光处理后金属，4聚合物，5约束层，6压板，7激光发生器，8压头，9工作台，10工作台控制装置，11凹坑，12金属原始形貌，13尼龙，14进入凹坑的尼龙，15 304不锈钢。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进一步说明，用本发明焊接透明的尼龙和304不锈钢金属。焊件准备选择的焊接透明透光材料尼龙13尺寸为10x10x2mm,吸光材料304不锈钢15尺寸为10x10x0. 6mm，金属表面形成凹坑激光器采用的是脉冲激光器，最大平均功率250w，最大能量60J，脉宽是1. 064um，激光透射焊接激光器采用的是能量连续的半导体激光发生器7，最大功率为130w，波长为980nm±10nm。焊件的表面处理将样品304不锈钢15用こ醇进行超声波清洗，去掉其表面杂质，将其放在脉冲激光器工作台上，根据实际材料的焊接区域位置进行处理，參数电压490V，离焦量为2mm，频率为30Hz，单孔脉冲T为1. 5s，选择单排凹坑且凹坑间距为5mm，同时用こ醇清洗掉尼龙13表面的杂质，吹干后备用。304不锈钢15经过脉冲激光处理后表面形成的凹坑的SET形貌如附图3所示，用脉冲激光器处理的凹坑平均深度为57. 27um,凹坑平均直径为683. 15um。焊件的装配及焊接将步骤2得到的304不锈钢15放在半导体激光器的工作台9上作为下层吸光材料，尼龙13作为上层吸光材料，通过激光发生器控制计算机I调节功率为60w，光斑直径为2mm。尼龙13和304不锈钢15采用如图1所示的搭接连接形式，尼龙13和304不锈钢15紧密贴近，中间没有间隙，用K9玻璃作为约束层，在约束层玻璃上放置压板6并在压板上用压头8施加焊接压力0. 069KN,激光器按照180mm/min速度进行激光透射焊接，激光透射焊接时通过工作台控制装置10实现エ件沿X方向移动，用于调整エ件与激光束的相对位置。形成高強度的焊接接头，对焊缝分析可看到进入凹坑的尼龙14，对焊缝进行拉伸试验可以得到拉伸强度提高了 120%，如图4所示焊接后的形貌图。
权利要求
1.一种提高激光透射焊接连接强度的方法，其特征在于，具体步骤为 A)形成凹坑将表面平整的原始形貌金属(12)用乙醇进行超声波清洗，清除其表面杂质，吹干后用脉冲激光器对原始形貌金属(12)的焊接区域冲击处理，在原始形貌金属(12)表面形成深度为50um—130um,直径最小为40um,间距为2mm—5mm的凹坑； B)焊件装配将表面形成凹坑的脉冲激光处理后金属(3)作为下层吸光材料，聚合物(4)作为上层透光材料置于工作台(9)上，聚合物(4)搭接在脉冲激光处理后金属(3)上，聚合物(4)和脉冲激光处理后金属(3)紧密贴近，中间没有间隙，约束层(5)置于聚合物(4)上，压板(6 )置于约束层(5 )上方，通过放置在压板(6 )上的压头(8 )施加焊接压力，通过设于激光处理后金属(3)与工作台(9)之间的压力传感器(2)测量压力数值； C)焊接试验用能量连续的激光器发生器(7)对约束层(5)进行激光透射，激光束的能量、激光光斑大小由激光器控制计算机(I)调节和控制，激光束透过约束层(5)和聚合物(4)使金属表面温度快速达到上层聚合物(4)的熔点，聚合物(4)表面融化，聚合物(4)受到压头(8 )施加的焊接压力，聚合物(4 )的表层熔化并流进凹坑(11)，在焊缝处形成铆接结构的咬合界面，控制装置(10)控制工作台(9)沿X方向移动，调节工件与激光束的相对位置。
2.根据权利要求1的一种提高激光透射焊接连接强度的方法，其特征在于，所述步骤A)中，所述原始形貌金属(12)根据实际材料焊接区域的位置及宽度选择凹坑的位置和和行列数。
3.根据权利要求1或2的一种提高激光透射焊接连接强度的方法，其特征在于，所述步骤B)中，所述约束层(5)对于所应用激光是透明的，激光束透过时无明显能量损失。
4.根据权利要求1或2的一种提高激光透射焊接连接强度的方法，其特征在于，所述聚合物(4)为透明的尼龙，所述原始形貌金属(11)为304不锈钢金属，用K9玻璃作为约束层。
全文摘要
本发明公开了一种提高激光透射焊接连接强度的方法，属于激光透射焊接技术领域，特指金属与聚合物的激光透射焊接。本发明先将金属材料需要焊接的表面进行脉冲激光处理,在其表面形成凹坑，焊接时把表面经过脉冲激光处理后的金属作为下层吸光材料，聚合物作为上层透光材料，采用搭接的连接形式，用约束层夹紧并施加焊接压力，使用能量连续的半导体激光器进行激光透射焊接，使得表面温度快速达到上层聚合物的熔点，聚合物表面融化，由于下层金属表面经过脉冲激光处理形成了凹坑，所以表层熔化的聚合物在焊接压力的作用下流进凹坑，在焊缝处形成一种铆接结构的咬合界面，实现提高激光透射焊接的连接强度。
文档编号B29C65/16GK103057117SQ20121058192
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者刘会霞, 赵振关, 陈浩, 黄创, 严长, 顾宇轩, 孟冬冬, 伍彦伟, 蔡野, 李品, 王霄 申请人:江苏大学