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激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度

李彦清 范海琦 朱奎名 刘双宇

李彦清, 范海琦, 朱奎名, 刘双宇. 激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
引用本文: 李彦清, 范海琦, 朱奎名, 刘双宇. 激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
LI Yan-qing, FAN Hai-qi, ZHU Kui-ming, LIU Shuang-yu. Enhanced bonding strength between stainless steel and plastic by using laser scanning array structure[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
Citation: LI Yan-qing, FAN Hai-qi, ZHU Kui-ming, LIU Shuang-yu. Enhanced bonding strength between stainless steel and plastic by using laser scanning array structure[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313

激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度

doi: 10.3788/CO.20201302.0313
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51305044

详细信息
    作者简介:

    李彦清(1970—), 男, 黑龙江泰来人, 副教授, 1995年于长春光学精密机械学院获得硕士学位, 主要从事激光焊接、光电检测技术等方面的研究。E-mail:liyanqing@cust.edu.cn

    刘双宇(1978—), 男, 吉林农安人, 教授, 2007年于吉林大学获得博士学位, 主要从事仿生表面与激光增减材制造等方面的研究。E-mail:liushuangyu@cust.edu.cn

  • 中图分类号: TG156.3

Enhanced bonding strength between stainless steel and plastic by using laser scanning array structure

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51305044

More Information
  • 摘要: 本文采用光纤激光器在不锈钢表面上制备圆形阵列结构来增强不锈钢与塑料的连接强度。研究了激光制备的圆形阵列结构参数以及连接参数对不锈钢与塑料连接强度的影响。结果表明,不锈钢表面经过激光扫描构形处理后能显著提高不锈钢与塑料的连接强度,在压力作用下,熔融塑料渗入激光构造微孔形成的机械互锁是增强不锈钢与塑料连接强度的主要机制。激光构形后不锈钢表面上的毛刺高度、数量以及覆盖率对连接接头的连接强度有重要影响。毛刺高度为10~20 μm,毛刺数量占比Tm小于14.82%时,不锈钢与塑料在连接面处断裂,剪切力随着Tm的增加而增加;当Tm值高于14.82%时,在塑料处断裂,且剪切力数值在塑料的平均拉伸断裂力(950 N)上下浮动。不锈钢与塑料连接接头断裂于塑料处时所对应的最小覆盖率为38.5%,此时剪切力为900 N。此外,激光扫描处理过程中不锈钢与塑料连接的温度与压力对连接强度有重要影响,在加热温度为400℃时,不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强;当压力为75 kN时,不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强。
  • 图  1  两种材料样品和连接区域的尺寸

    Figure  1.  Dimensions of two materials and bonding areas

    图  2  激光扫描构形示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of laser scanning and configuration

    图  3  阵列单元内激光扫描轨迹与光斑间距

    Figure  3.  Laser scanning track and spot distance in array cells

    图  4  压力测试装置

    Figure  4.  Pressure test device

    图  5  不锈钢加热200℃时,塑料连接界面的表面形貌。(a)连接前;(b)连接后

    Figure  5.  Surface morphologies of plastic connection interface when the stainless steel is heated to 200℃.(a) Before connection; (b)after connection

    图  6  在微孔直径为0.2 mm、0.5 mm和0.7 mm时,加热温度对不锈钢与塑料连接强度的影响

    Figure  6.  Effect of heating temperature on connection strength between the stainless steel and the plastic when the diameter of the micropores is 0.2, 0.5 and 0.7 mm

    图  7  不同温度下,微孔直径为0.7 mm的不锈钢与塑料的连接截面照片。(a)300℃、(b)400℃、(c)500℃、(d)600℃

    Figure  7.  Photos of connection section of stainless steel and plastic with micropore diameter of 0.7 mm at different temperatures. (a) 300℃; (b) 400℃; (c) 500℃; (d) 600℃

    图  8  在微孔直径为0.2 mm、0.5 mm和0.7 mm的条件下,连接压力对不锈钢与塑料连接强度的影响

    Figure  8.  Effect of the connection pressure on the connection strength between the stainless steel and the plastic when the diameter of the micropore is 0.2, 0.5 and 0.7 mm

    图  9  微孔直径为0.5 mm时,不同连接压力下的不锈钢与塑料的连接截面照片。(a)45 kN、(b)55 kN、(c)65 kN、(d)75 kN、(e)85 kN

    Figure  9.  Photographs of connection section of plastic and stainless steel with micropore diameter of 0.5 mm under different connection pressures. (a) 45 kN; (b) 55 kN; (c) 65 kN; (d) 75 kN; (e) 85 kN

    图  10  微孔直径为0.5 mm,不同毛刺占比时的3D形貌照片。(a)Tm=4.62%;(b)Tm=14.82%;(c)Tm=19.44%

    Figure  10.  3D morphology photos of micropore with diameter of 0.5 mm at different Tm.(a)Tm=4.62%;(b)Tm=14.82%;(c)Tm=19.44%

    图  11  激光标刻次数与某一范围内毛刺个数占比关系柱形图

    Figure  11.  Column diagram showing the relationship between laser marking number and the proportion of burrs in a certain range

    图  12  激光标刻次数与Tm和与剪切力的关系

    Figure  12.  The relationship between Tm, shear force and laser marking time

    图  13  (a) 连接界面处和(b)塑料处的断裂位置和形貌

    Figure  13.  Fracture locations and morphologies of (a)bonding interface and (b)inside plastics

    图  14  Tm=16.89%时,不锈钢连接后表面微孔的3D形貌

    Figure  14.  3D morphology of surface micropores after bonding stainless steel when Tm=16.89%

    图  15  微孔直径为0.5 mm的不锈刚的3D形貌照片。(a)C=54.0%、(b)C=19.3%

    Figure  15.  3D morphologies of stainless steel surface with micropore diameter of 0.5mm. (a) C=54.0%; (b) C=19.3%

    图  16  覆盖率对不锈钢与塑料连接强度的关系曲线

    Figure  16.  Relationship curve of coverage rate vs connection strength

    表  1  不锈钢和PP+EDPM-T20的物理性能和力学性能

    Table  1.   Physical and mechanical properties of stainless steel and PP+EDPM-T20

    材料 密度/
    (g·cm-3)
    熔点/
    (℃)
    热降解温度/(℃) 抗拉强度/
    MPa
    不锈钢 7.93 1 398~1 454 - ≥520
    PP+EDPM-T20 1.05±0.02 160 450 ≥20
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    表  2  激光器的参数

    Table  2.   Parameters of the laser equipment

    参数 数值 参数 数值
    波长/nm 1 064 平均功率/W 20
    脉宽/μs 100 频率/KHz 25
    脉冲能量/mJ 1 光斑/mm φ0.05
    功率密度/mW·cm-2 510 范围/mm 100×100
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    表  3  不同温度下连接接头的拉伸强度

    Table  3.   Tension strength of joint at different temperatures

    序号 温度/(℃) 断裂位置 剪切力/N
    1 200 连接失败 0
    2 300 连接界面 602
    3 400 连接界面 705
    4 500 连接界面 673
    5 600 连接界面 639
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-03
  • 修回日期:  2020-02-07
  • 刊出日期:  2020-04-01

激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度

doi: 10.3788/CO.20201302.0313
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 51305044

    作者简介:

    李彦清(1970—), 男, 黑龙江泰来人, 副教授, 1995年于长春光学精密机械学院获得硕士学位, 主要从事激光焊接、光电检测技术等方面的研究。E-mail:liyanqing@cust.edu.cn

    刘双宇(1978—), 男, 吉林农安人, 教授, 2007年于吉林大学获得博士学位, 主要从事仿生表面与激光增减材制造等方面的研究。E-mail:liushuangyu@cust.edu.cn

  • 中图分类号: TG156.3

摘要: 本文采用光纤激光器在不锈钢表面上制备圆形阵列结构来增强不锈钢与塑料的连接强度。研究了激光制备的圆形阵列结构参数以及连接参数对不锈钢与塑料连接强度的影响。结果表明,不锈钢表面经过激光扫描构形处理后能显著提高不锈钢与塑料的连接强度,在压力作用下,熔融塑料渗入激光构造微孔形成的机械互锁是增强不锈钢与塑料连接强度的主要机制。激光构形后不锈钢表面上的毛刺高度、数量以及覆盖率对连接接头的连接强度有重要影响。毛刺高度为10~20 μm,毛刺数量占比Tm小于14.82%时,不锈钢与塑料在连接面处断裂,剪切力随着Tm的增加而增加;当Tm值高于14.82%时,在塑料处断裂,且剪切力数值在塑料的平均拉伸断裂力(950 N)上下浮动。不锈钢与塑料连接接头断裂于塑料处时所对应的最小覆盖率为38.5%,此时剪切力为900 N。此外,激光扫描处理过程中不锈钢与塑料连接的温度与压力对连接强度有重要影响,在加热温度为400℃时,不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强;当压力为75 kN时,不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强。

English Abstract

李彦清, 范海琦, 朱奎名, 刘双宇. 激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
引用本文: 李彦清, 范海琦, 朱奎名, 刘双宇. 激光扫描阵列结构增强不锈钢与塑料的连接强度[J]. 中国光学, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
LI Yan-qing, FAN Hai-qi, ZHU Kui-ming, LIU Shuang-yu. Enhanced bonding strength between stainless steel and plastic by using laser scanning array structure[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
Citation: LI Yan-qing, FAN Hai-qi, ZHU Kui-ming, LIU Shuang-yu. Enhanced bonding strength between stainless steel and plastic by using laser scanning array structure[J]. Chinese Optics, 2020, 13(2): 313-322. doi: 10.3788/CO.20201302.0313
    • 近几年,随着各行各业的快速发展,对材料的综合利用需求逐渐提高,单一材料结构件已经不能满足工程需求。金属/塑料结构在工业生产和轻量化应用方面具有广阔的前景[1],如在汽车[2]、电子[3]、医疗[4]等方面。目前,金属与塑料的连接方法主要有胶接连接[5],机械连接[6],混合连接[7-9]和特殊结构连接[10-11]等。然而,胶接连接时,胶黏剂需要长时间固化,且易挥发,会对环境造成污染;机械连接需要定位和打孔,生产效率低,且易出现孔的应力集中问题,打孔方式不同也会对连接效果产生影响。

      因此,为了避免上述问题,本文通过采用激光在材料表面构造圆形阵列结构,通过机械联锁[12]方法进行连接。该方法对金属和塑料的连接面进行加压,将熔融塑料渗透到金属表面的微结构中。因此,该方法需要对金属表面结构进行构造处理,以改变其物理或化学特性。鉴于高粗糙度和高孔隙率的表面能够提高金属与塑料的连接,研究人员提出了多种金属零件表面处理方法,包括喷砂[13]、喷丸[14]和化学处理[15-16]。然而,这些金属表面加工方法缺乏灵活性,且污染环境。研究人员采用激光表面处理[17-18]来解决上述问题。X.M.Zhang[19]通过激光处理陶瓷材料表面形成锥形的微结构,用准分子激光器处理合金钢表面形成海滩纹形状的微结构,用增韧的环氧树脂胶连接陶瓷和金属来提高结合强度。结果发现用激光处理后的表面比经简单机械处理的表面连接强度有明显改善。E.G.Baburaj[20]等学者用准分子激光器处理钛合金的表面并形成微柱阵列结构,并采用胶接方法提高了钛合金板之间的黏结强度。Andreas Roesner[21]用激光蚀刻金属表面形成凹槽的微观结构,并通过激光辐射或者热感应技术使熔融的塑料在压力作用下注入凹槽中。结果表明,这种连接技术具有较高的剪切强度。用激光蚀刻可以使金属表面的凹槽微结构呈现出咬边形状,而且这种微结构与熔融的塑料形成了机械互锁结构,从而提高两种材料的连接强度。Xu Fei[22]在304不锈钢表面构造了微孔阵列结构,采用加温加压的方法将熔融塑料渗入到金属表面的微结构中。研究人员发现激光处理后的不锈钢表面可以很好的与塑料连接,连接强度与微孔直径等因素有关。上述实例说明了激光处理金属表面可以提高异种材料的连接强度,但是均未研究激光处理金属表面形成的微孔阵列结构特征对不锈钢与塑料连接强度的影响,对激光处理表面形貌特征与连接强度的关系以及阈值也没有深入研究。

      本文采用光纤激光器对不锈钢表面进行圆形阵列结构构形,并将加热后的不锈钢与塑料通过加压进行连接。研究了加热温度、连接压力、表面毛刺个数占比和覆盖率对连接强度的影响,获得了激光处理后表面形貌特征与连接强度的关系。

    • 试验使用的材料是不锈钢和车用聚丙烯/三元乙丙橡胶共混合材料(PP+EDPM-T20)。表 1给出了不锈钢和PP+EDPM-T20的物理性能和力学性能。试验采用的不锈钢样品的尺寸是15 mm×100 mm×1 mm,PP+EDPM-T20样品的尺寸是15 mm×100 mm×2.5 mm。利用光纤激光器对不锈钢的连接区域进行激光扫描构形,两种材料的连接区域面积是15 mm×20 mm,如图 1所示。

      表 1  不锈钢和PP+EDPM-T20的物理性能和力学性能

      Table 1.  Physical and mechanical properties of stainless steel and PP+EDPM-T20

      材料 密度/
      (g·cm-3)
      熔点/
      (℃)
      热降解温度/(℃) 抗拉强度/
      MPa
      不锈钢 7.93 1 398~1 454 - ≥520
      PP+EDPM-T20 1.05±0.02 160 450 ≥20

      图  1  两种材料样品和连接区域的尺寸

      Figure 1.  Dimensions of two materials and bonding areas

      试验采用IPG光纤激光器,型号为YLPM-1-4×200-20-20,IPG光纤激光器参数如表 2所示。采用计算机软件(EzCad)对激光扫描参数进行控制,使激光束按照规定的样式工作,利用光纤激光器将高能量密度激光束聚焦在金属表面进行扫描和构形, 如图 2所示。在阵列结构单元内,激光束沿x方向进行扫描,之后沿y方向由+y到-y进行扫描,两个光斑的中心距离为25 μm,最后扫描阵列结构单元的外圆轮廓,阵列单元内激光束扫描轨迹与光斑间距如图 3所示。

      表 2  激光器的参数

      Table 2.  Parameters of the laser equipment

      参数 数值 参数 数值
      波长/nm 1 064 平均功率/W 20
      脉宽/μs 100 频率/KHz 25
      脉冲能量/mJ 1 光斑/mm φ0.05
      功率密度/mW·cm-2 510 范围/mm 100×100

      图  2  激光扫描构形示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of laser scanning and configuration

      图  3  阵列单元内激光扫描轨迹与光斑间距

      Figure 3.  Laser scanning track and spot distance in array cells

      采用单因素变量法确定温度和压力的参数后,研究圆形阵列结构的毛刺个数占比和覆盖率对连接强度的影响。实验过程中首先用激光在不锈钢表面上构造出圆形阵列结构,然后将其放入电阻炉中加热至所需温度;随后取出不锈钢板将其放在固定于压力连接装置上的塑料板上面,并用夹紧机构向两种材料的搭接处加压,压力装置如图 4所示。连接过程中,不锈钢的热量传递给塑料,使塑料表面部分熔化,在连接压力的作用下熔化的塑料流入金属表面的微孔结构中。为了确保不锈钢与塑料的有效连接需要保压1分钟。实验采用美国INSTRON公司生产的150DX型液压式万能试验机对连接接头的强度进行了测试。采用德国Zeiss公司生产的型号为EVOMA25的扫描电子显微镜观察了金属与塑料的连接截面。利用德国Zeiss公司生产的型号为LSM700的激光扫描共聚焦显微镜对微孔阵列结构进行了观察。

      图  4  压力测试装置

      Figure 4.  Pressure test device

    • 采用单因素控制变量法研究加热温度对不锈钢与塑料连接强度的影响。设置连接压力为65 kN,微孔直径为0.7 mm,C=21.2%,Tm=2.93%。表 3给出了不锈钢与塑料连接的具体工艺参数。

      表 3  不同温度下连接接头的拉伸强度

      Table 3.  Tension strength of joint at different temperatures

      序号 温度/(℃) 断裂位置 剪切力/N
      1 200 连接失败 0
      2 300 连接界面 602
      3 400 连接界面 705
      4 500 连接界面 673
      5 600 连接界面 639

      表 3可以看到,当加热温度为200 ℃时,不锈钢与塑料都连接件连接失败,而其它加热温度下不锈钢与塑料均连接成为一个整体,且通过拉伸试验测试知断裂发生在连接面。图 5给出了不锈钢加热200 ℃时,塑料连接界面的表面形貌。从图中可以看出,将不锈钢加热到200 ℃后使其与塑料接触,仅看到塑料表面部分微熔,在压力作用下塑料表面更加光滑,此工艺条件下不锈钢能起到烫平塑料表面的作用,不能有效的熔化塑料,塑料未能与微孔直径为0.7 mm的不锈钢成功连接。根据表 3的实验数据可以看出,当温度为400 ℃时,不锈钢与塑料的剪切力最大,达到705 N。

      图  5  不锈钢加热200℃时,塑料连接界面的表面形貌。(a)连接前;(b)连接后

      Figure 5.  Surface morphologies of plastic connection interface when the stainless steel is heated to 200℃.(a) Before connection; (b)after connection

      图 6给出不同微孔直径结构时,不同加热温度对不锈钢与塑料连接强度的影响曲线。可见,当加热温度小于400 ℃时,连接强度随着温度的升高而增强,加热温度为400 ℃时,不锈钢与塑料的剪切力最大。当加热温度大于400 ℃后,连接强度随着温度的升高而减小。同时可以看出微孔直径越大连接强度越高。

      图  6  在微孔直径为0.2 mm、0.5 mm和0.7 mm时,加热温度对不锈钢与塑料连接强度的影响

      Figure 6.  Effect of heating temperature on connection strength between the stainless steel and the plastic when the diameter of the micropores is 0.2, 0.5 and 0.7 mm

      图 7给出微孔直径为0.7 mm,不同加热温度下不锈钢表面微孔阵列结构与塑料连接接头的截面扫描照片。从图 7可以明显地观察到注入不锈钢表面微孔的熔融塑料注入量与连接情况。温度为300 ℃时,塑料部分熔化,未与不锈钢表面微孔完全接触,如图 7(a)所示。温度为400 ℃时,塑料填满微孔,此时连接强度最大,如图 7(b)所示。温度为500 ℃时,塑料与不锈钢表面微孔之间有明显缝隙,如图 7(c)所示,这是因为温度过高导致塑料汽化,在两种材料之间形成气垫层,导致塑料与微孔之间存在缝隙,且随着温度的升高缝隙变大,导致连接界面剪切力降低。综上可知,在加热温度为400 ℃时,不锈钢与塑料的连接强度最强。

      图  7  不同温度下,微孔直径为0.7 mm的不锈钢与塑料的连接截面照片。(a)300℃、(b)400℃、(c)500℃、(d)600℃

      Figure 7.  Photos of connection section of stainless steel and plastic with micropore diameter of 0.7 mm at different temperatures. (a) 300℃; (b) 400℃; (c) 500℃; (d) 600℃

    • 图 8给出加热温度为400℃,C=15.3%,Tm=2.97%的条件下,压力对界面连接强度的影响曲线。从图 8可以看到,当连接压力为75 kN时,不锈钢与塑料连接界面有最大的剪切力。当连接压力小于75 kN时,连接强度随着压力的升高而增强;压力大于75kN后,连接强度随着压力的增大而减小。同时可以看出微孔直径越大连接界面的连接强度越大。

      图  8  在微孔直径为0.2 mm、0.5 mm和0.7 mm的条件下,连接压力对不锈钢与塑料连接强度的影响

      Figure 8.  Effect of the connection pressure on the connection strength between the stainless steel and the plastic when the diameter of the micropore is 0.2, 0.5 and 0.7 mm

      图 9给出了微孔直径为0.5 mm,不同连接压力下的不锈钢表面微孔阵列结构与塑料连接接头的截面扫描照片。从图 9可以明显观察到,熔融塑料注入不锈钢表面微孔的注入量与连接情况。当连接压力为45 kN时出现了大量的未填满区域,如图 9(a)所示,这是由于没有足够的压力使塑料完全注入到微孔中。随着连接压力的升高未填满现象明显改善,当连接压力为75 kN时塑料完全注入微孔中,填满整个微孔,此时连接强度最强,如图 9(c)所示。当连接压力为85 kN时塑料与微孔接触处有空隙出现,如图 9(e)所示。这是因为压力太大而导致塑料注入微孔时溢出微孔界面,冷却后材料收缩导致有微间隙存在,这也使得不锈钢与塑料接触面积减少,机械互锁效果减弱,进而导致不锈钢与塑料的连接强度减弱。因此,当连接压力为75 kN时,不锈钢与塑料的连接强度最强。

      图  9  微孔直径为0.5 mm时,不同连接压力下的不锈钢与塑料的连接截面照片。(a)45 kN、(b)55 kN、(c)65 kN、(d)75 kN、(e)85 kN

      Figure 9.  Photographs of connection section of plastic and stainless steel with micropore diameter of 0.5 mm under different connection pressures. (a) 45 kN; (b) 55 kN; (c) 65 kN; (d) 75 kN; (e) 85 kN

    • 由于激光构形后的不锈钢表面分布着许多高低不同的毛刺,取不锈钢表面为基准面,提取构形域内的毛刺高度数据。为了便于描述以5 μm为增量步,筛选出各范围内的毛刺高度数据,并引入某一高度范围内毛刺个数占毛刺总个数的比例公式:

      (1)

      其中q表示某一高度范围内的毛刺个数,m代表构形区域内毛刺的总个数。

      图 10(彩图见期刊电子版)给出阵列圆直径为0.5 mm的微结构的三维形貌图。可以观察到经过激光构形后的不锈钢表面上分布着许多高低不同的毛刺,随着标刻次数的增加,毛刺的高度和数量也增加。当标刻一次或两次时毛刺高度主要以5 μm以下的为主,构形区域比较平整。随着标刻次数的增加构形内毛刺数量和高度均增加,且构形区域内存在波纹峰。

      图  10  微孔直径为0.5 mm,不同毛刺占比时的3D形貌照片。(a)Tm=4.62%;(b)Tm=14.82%;(c)Tm=19.44%

      Figure 10.  3D morphology photos of micropore with diameter of 0.5 mm at different Tm.(a)Tm=4.62%;(b)Tm=14.82%;(c)Tm=19.44%

      统计构形区域内某一高度范围内的毛刺个数占总毛刺个数的比例的变化如图 11(彩图见期刊电子版)所示。从图中可以看出,当标刻一次时高度在0~5 μm范围内的毛刺所占比例最大,此时试样在连接面断裂并且连接强度最小,这说明高度在0~5 μm范围内的毛刺对不锈钢与塑料的连接强度影响很小。随着标刻次数的增加毛刺高度在5~10 μm所占比例先增加后趋于平缓,在所占比例最大时依旧是在连接面处断裂,可见5~10 μm所占比例也未对增强连接强度有较大影响。而当毛刺高度在10~20 μm内的毛刺个数所占比例有大幅升高,且均在塑料处断裂。这说明高度在10~20 μm范围内的毛刺对不锈钢与塑料的连接有很大的影响。而20~40 μm高度的毛刺所占比例虽然也有增加,但提升的比例较小。依据前文定义的指定高度范围的毛刺个数占比T,认为高度在10~20 μm范围内的毛刺对增强不锈钢与塑料连接强度起主导作用,即用Tm表示。

      图  11  激光标刻次数与某一范围内毛刺个数占比关系柱形图

      Figure 11.  Column diagram showing the relationship between laser marking number and the proportion of burrs in a certain range

      图 12给出激光标刻次数与Tm和剪切力的关系曲线。图中加热温度为400℃,连接压力为75 kN时,微孔直径为0.5 mm,C=29.4%。标刻次数为1~5次时Tm值在0%~7.66%内变化,此时不锈钢与塑料均从连接界面处断裂,随着标刻次数的增加,Tm和剪切力均增大。当Tm小于14.82%时,不锈钢与塑料的连接强度小于塑料的塑性强度,不锈钢与塑料从连接面处断裂,且连接强度随着Tm的增大而增大。当Tm值为14.82%~21.93%时,连接接头均从塑料处断裂,且拉伸力在950 N上下浮动。图 13给出了不锈钢和塑料在连接界面处断裂的形貌和在塑料处断裂的形貌。

      图  12  激光标刻次数与Tm和与剪切力的关系

      Figure 12.  The relationship between Tm, shear force and laser marking time

      图  13  (a) 连接界面处和(b)塑料处的断裂位置和形貌

      Figure 13.  Fracture locations and morphologies of (a)bonding interface and (b)inside plastics

      图 14(彩图见期刊电子版)给出从接头连接面处断裂的试件表面的三维形貌图,从图中可以看出圆形阵列结构的微孔内部未被塑料填满,但起主要作用的毛刺之间和毛刺上均被塑料填充和附着,这进一步说明毛刺是影响不锈钢和塑料连接的重要因素。

      图  14  Tm=16.89%时,不锈钢连接后表面微孔的3D形貌

      Figure 14.  3D morphology of surface micropores after bonding stainless steel when Tm=16.89%

    • 在激光构造的区域内,对于微孔直径相同的圆形阵列结构,圆心到圆心的距离越大,区域内的圆的个数越少,如图 15所示。为了方便起见,引入覆盖率的公式:

      (2)

      图  15  微孔直径为0.5 mm的不锈刚的3D形貌照片。(a)C=54.0%、(b)C=19.3%

      Figure 15.  3D morphologies of stainless steel surface with micropore diameter of 0.5mm. (a) C=54.0%; (b) C=19.3%

      其中C为覆盖率,Sc表示单个圆的面积,n表示圆的数量(n取整数),S代表搭接重合区域面积(15 mm×20 mm)。

      图 15给出覆盖率为54.0%和19.3%的不锈钢表面三维形貌图。图 16给出了加热温度为400℃,连接压力为75 kN,塑料与直径为0.5 mm、Tm为7.66%、C为19.3%~54.0%的圆形阵列结构不锈钢表面的结合强度关系。当C为19.3%~29.4%时,不锈钢与塑料从连接面处断,且C越大,剪切力越大。而C为38.5%~54.0%的圆形阵列结构从塑料处断裂。对于单个圆来说,Tm相同,所以C越大,表面上圆的个数越多,连接强度也就越强。C小于38.5%时,金属与塑料的连接强度小于塑料的塑性强度,不锈钢与塑料从连接界面处断裂。C大于38.5%,不锈钢和塑料从塑料处断裂,且剪切力的数值在塑料的平均拉伸力950 N上下浮动。

      图  16  覆盖率对不锈钢与塑料连接强度的关系曲线

      Figure 16.  Relationship curve of coverage rate vs connection strength

    • 激光扫描构形能显著提高不锈钢与塑料的连接强度。主要工作机制是在压力作用下熔融塑料渗入激光构造微孔形成机械互锁作用,从而提高连接强度。连接温度和连接压力对不锈钢与塑料的连接强度有重要影响。当加热温度为400℃时,不锈钢与塑料的连接强度最强;当连接压力为75 kN时,不锈钢与塑料的连接强度最强。激光构形后不锈钢表面上的毛刺高度、数量以及覆盖率对连接接头的连接强度有重要影响。毛刺高度为10~20 μm时对应的Tm值对不锈钢与塑料的连接强度起主要作用。当Tm值为0~7.66%时,不锈钢与塑料从连接界面处断裂,且Tm越大,剪切力越大。Tm值为14.82%~21.93%时,不锈钢与塑料从塑料处断裂,且剪切力在950 N上下浮动。当覆盖率C为19.3%-29.4%时,金属与塑料连接接头从连接界面处断,且C越大,剪切力越大。而C为38.5%~54.0%时,连接接头从塑料处断裂,剪切力在950 N上下浮动。

参考文献 (22)

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