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碳纤维增强塑料与不锈钢激光焊接解决方案

由于碳纤维增强塑料(CFRP)具有很高的强度对重量比(strength-to-weight ratio)、出色的抗腐蚀性能和优良的疲劳性能,因而受到了极大的关注,上述特点让这种材料适合用在飞机、汽车和其他产品中。汽车工业对热塑性碳纤维增强塑料尤其感兴趣,因为它有望缩短生产时间。


   将塑料或碳纤维增强塑料与金属接合在一起,通常需要使用胶粘剂或螺栓、铆钉等机械工具。然而, 这些接合工艺有几种不足之处,如挥发性有机化合物(VOC)排放的环境限制、粘合时间较长,螺钉或铆钉也会增加重量。因此,Seiji Katayama教授带领团队开发出激光辅助直接焊接金属和塑料(LAMP)的技术。通过使用连续波(CW)Nd:YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器等,该技术能迅速而牢固地将诸如钢、不锈钢、铝合金在内的金属与工程热塑性塑料(例如聚酰胺PA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC)接合起来。


   LAMP焊接技术可以牢固地将碳纤维增强塑料片材和304不锈钢板焊接在一起,其中使用CW碟片激光器在金属上生成不焊透焊缝。图1显示了聚丙烯腈(PAN)型PA基材碳纤维增强塑料片材与304不锈钢板之间的激光搭接接头在做拉伸剪切试验前、后的情况。其中,碳纤维增强塑料片材厚度为3mm、宽度为20mm, 具有较长的碳纤维,不锈钢板厚度为3mm、宽度为30mm。横截面的照片(见图1中的插图)显示了不锈钢中浅层小孔形成的激光焊道。此外,熔化区广泛分布在碳纤维增强塑料片材中靠近接合面的区域。在图1b中,我们可以观察到黑色的碳纤维增强塑料片材粘结在304不锈钢板的底表面。特别是,粘结的碳纤维增强塑料部分主要根据激光焊道下的不锈钢板而识别出来。在碳纤维增强塑料片材的接合面中也能看到不锈钢的部分。上述事实表明形成牢固的焊接接头是可行的。


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