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已经开发出利用激光技术来连接金属或者陶瓷的两种新工艺。激光束在被耐热材料吸收并转换成热量之前首先穿过塑料组件。经过这样的处理之后，可实现在两个被连接件表面间，或者是经不熔材料的某一连接面而使组件实现正连接。

由于具有很多的优点，塑料正取代金属成为大量产品的生产材料。这不仅包括诸如移动电话、照相机等基本消费品，而且还包括汽车和电子工程上的一些组件。尽管如此，某些特定功能的金属组件还是必需的，并且必须高精度和高强度地将它们和塑料组件连接起来。

因此，对组装时间短并且应用范围广的灵活连接技术的需求是很大的。塑料技术中的加工新方法的市场占有率正不断提高，并由于可能因节省产品的质量和资源而使其优势得以维持。

本文首先对这些材料间连接的已知方法作一综述。以此为基础，位于杰出的分区“高薪酬国家的集成生产技术”范围内的德国亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研 究所开展 的由欧盟赞助的“Masmicro”项目的框架内，已有基于激光技术来连接塑料件的新方法被开发出来。这包括激光传输熔接和“Liftec”技术（激光诱 导结合技术），即基于用激光辐射将组件加热并压进塑料件中的正向填充技术。

技术现状

焊接接头是一种在组件系统中具有高结合强度的整体接头。在焊接连接时，有必要使连接段的部件部分熔化以便在压力存在下使熔融的部件部分能被连接到一起。然而，塑料和金属熔化温度的范围相差很远。在金属到达熔化状态之前塑料就已经热降解了。

金属和塑料这两种材料在工业加工中常常具有竞争关系，而混合技术结合了这两种材料的优点。金属和聚合物之间采用混合连接技术的连接方法通常采用成 型填充和 摩擦填充的连接机理。另一种可能提供的技术是在熔接情况下通过黏合作用而形成整体接头。然而，这种方法中为了使不同的材料间产生足够强的黏附力，必须另外 使用黏附剂。

作为例子，成型填充和摩擦填充提供了夹物模塑和基体上注塑成型的基础，在这两种成型过程中，混合接头在注射模塑 过程中就可以直接形成。在夹物模塑技术中，其可能包含诸如螺纹衬套的金属功能组件。在基体上注塑成型的技术中，金属镶件起到了给包含有塑料的功能元件充当 支承元件的作用。这就通过将连接操作转到注塑成型过程中而省去了部件间的组装步骤。不幸的是，由于在这种方法中必须确保金属镶件必须适合注塑模塑并且成型 得到的复合零件能顺利脱模，因而对零件几何尺寸的自由度有限制。

塑料-塑料间连接的例子。材料：聚四氟乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯。塑料平板的厚度为10mm，
圆筒的直径为10mm，利用沟槽进行正向填充，辅以轴向孔来防止塑料喷出。

因此，可能有必要首先生产各个单独的部件。这样一来部件几何尺寸所受的限制就更小一些。然后就可以将各组件连接到一起。用户可以从连接工艺中选择一系列的方法。除了黏合和诸如锁扣的机械连接技术外，部件间的连接方式还包括热成型的方法，如铆接和翻边的方式。

因此，在铆接过程中要先通过加热的方式使铆钉熔化。不同的机理都适用于此，如热传导、热空气、辐射甚至超声。合适的热成型工具使塑化的铆钉形成铆钉头。

例如在超声铆接中，铆钉头被耦合进超声发生器中。铆钉就被加在这个位置，并且另外一个零件也必须有空，以便能通过铆钉固定起来。

因此，须通过将铆钉安装在孔中的方式将部件和另外一个部件连接起来。通过这种方式实现连接部位的紧密结合是不可能的，仅能是一系列的点连接的方式。

在环式连接方式中，首先在金属平板上加工一个孔，然后用一个直径更大一些的充模充压，通过这种方式就可加工出环。连接操作本身就是将环压进塑料中，由于咬边和成型填充的作用，都具有摩擦力的铸制极板间的连接从而得以实现。

在所有现存的方法中，为了获得金属或者塑料上的正连接，诸如铆钉和通孔的合适元件必须能被提供。

塑料/金属之间连接的激光传送组装

因此，不同的方法都有可能用于制造塑料/金属复合组件。生产所需的大量步骤对生产率和部件的复杂性都提出了限制。位于杰出的分区“高薪酬国家的集 成生产技术”内，在德国亚琛RWTH（技术大学）的研究人员正开发一种利用激光辐射来实现金属/塑料间热组装连接的合适加工技术。除了材料的选择外，辐射 源和数个辐射方法的连接原则都是可用的，其能用于塑料/金属的激光组装连接。

在塑料/金属的激光传送组装连接中，激光辐射穿过塑料而被引入到连接区域，因此塑料必须具有适当的透明度。这里，一些电磁能被金属吸收并被转换成热能。输入的能量使金属受热然后通过热传导使塑料塑化。因此，为了确保足够的热传输，两种键接材料间的合适接触是一个前提。

在许多激光方法中，非接触的方式和局部有限制的能量转移可防止被连接的材料受到热破坏。由于被连接的原件在连接过程中彼此相对没有移动，因此机械应力也很低。同时，连接过程中没有气体或烟气排除，也不会有颗粒形成。

由于塑料的光学性能位于二极管和Nd:YAG激光器的波长范围内，因而连接过程中能这两种激光器都能选用。应根据所选方法的原理(图1所示)来选择合适的激光。

图1 金属-塑料间连接的激光传输组装类型的示意图

由于所需的资金投入和运营成本都较低，而且高能量的二极管激光器的结构紧凑，该方法尤其适用于顺序型周线焊接、同步焊接和遮罩式焊接。

通过对被键接部件的表面进行适当的处理和改性能增加部件的连接强度。如可对金属件进行毛化处理。这样增加的粗糙度增加了金属件的表面积，从而提高 了塑料和 金属间的黏合强度。为了使软化的塑料进入经处理而得到的微结构中并牢固地保留下来，这里所用的塑料熔体的粘度应尽可能低。

为了研究金属的毛化度对连接过程的影响，研究人员利用Nd:YAG激光在金属表面分别刻蚀出点、线和正方形图案（图2所示）。

图2 具有不同质地表面的不锈钢样品
（点、线和正方形模式）

在下面的近红外图中（图3所示），表面从未毛化到毛化处理的不锈钢金属试样的反射从可见光下降到了近红外的波长范围。与未经处理的试样相比，经毛化处理的 试样光谱反射率下降了50%。一方面，毛化处理增大了金属的表面积并有利于塑料对金属的咬合；另一方面，它也使得金属对发射波长范围在 800-1000nm的高能二极管激光器所发光的吸收增加。

图3 表面经毛化和未经毛化的不锈钢试样
在近红外波长范围内的光谱反射率。

我 们这里使用一个发射波长为940nm、最大输出功率为75W的二极管激光器来进行原件间的熔接。连接板中激光束的直径大约是1.2mm。激光相对于所焊接 材料的相对运动通过一个三维操控系统来控制，同时生产线所需要的压力可通过一个气动锁模装置来实现，其径向密封长度是15mm。对于一个由聚碳酸酯和不锈 钢组合而成的材料，可得到500N的横向拉伸强度（图4所示）。金属表面为线性结构的部件也具有高的拉伸强度。而只有点结构部件的拉伸强度明显很低。

图4 聚碳酸脂/不锈钢试样的拉伸强度与质地间的函数关系。
参数：激光功率=60 W；拉伸速度=400 mm/min

先制得样品连接区域的剖面结构，然后在反射光显微镜下对其进行检查。为此，通过垂直于焊接缝的方向对样品进行观察，然后接地并打磨。随后金属表面和进入其中的塑料的形貌就能被证实（图5所示）。

图5 部件连接区域的反射光显微镜图片

塑料（顶部黑色区域）和金属（底部浅色区域）间的正向填充明显可辨。特别是垂直于图象平面方向的塑料填充通道清晰可见。该方法对由金属和塑料构成的半成品没有特殊的限制。

塑料与金属或陶瓷间的成型填充连接

“Liftec”（激光诱导熔接技术）能处理各种透明或者至少半透明的热塑性塑料。在这种情况下，组件或者子组件是由穿过被连接到其上面的塑料的 激光辐射来加热的。在被耐热材料吸收并转为热量之前，激光辐射首先穿过由兰宝石或石英玻璃制得的透明平板，然后再穿过塑料部件。通过这些技术的利用，在封 闭的模具内进行热成型的过程中，通过利用透明件，引入激光辐射的热量仍是可能的。

在连接过程中部件会被机械压力推离塑料件。在这种情况下，通过热导的方式将塑料件加热到其流动点之上（图6所示）。接着进一步利用机械压力将部件 压入塑料 件中。通过选择合适几何尺寸的组件，利用这种方法冷却后就能得到牢固的正向连接。塑料渗透到沟槽或者孔中并在其周围形成一个加厚层，这样就通过塑料的流动 形成了成型填充连接。在加压操作过程中材料可能发生偏移而导致塑料表面出现我们不愿看到的喷射现象。组件中加工中空的孔以使塑料能流到其中的方法能避免或 者至少将喷射现象降到最低。塑料件中预先加工的开孔也是为了达到同一目的。

图6 新连接方法的加工顺序

一个关键的因素是用比键接塑料具有更高耐热性的材料。然后通过吸收激光辐射将其加热到所用塑料流动点的温度之上。可选的耐热材料首先是金属和陶瓷，但也包括诸如聚四氟乙烯的耐热塑料。

如果该过程中所用的塑料对激光辐射而言并不透明的话，可通过并不是让激光辐射通过塑料而是直接作用在金属组件上的方式来达到目的（图7所示）。

图7 辐射从侧边进入的新连接方法的加工顺序

最重要的过程参数是相对耐热的材料所被加热到的温度。如果连接温度太高的话，两组件间会形成气泡，有时塑料会变色；如果连接温度太低，由于应力的作用，塑料件上可能会产生裂纹，并且耐热性更高的材料可能会发生变形。

与当今已经处于应用当中的加热概念相比(举例来说，如诱导加热)，利用激光辐射加热很大程度上不依赖于被连接组件的热和电导性。因此，除了金属和 陶瓷外，其它一些材料也能被连接到塑料上。用两种材料生产的复合部件具有更高的机械强度(硬度)、更好的耐磨性和耐热性，同时其重量更轻，设计的自由都也 更高。

由于激光辐射具有高的能量密度，可快速和选择性地加热金属组件，如果需要的话进行部件间的局部连接也是可能的。如果能用高温计测量部件发出的热辐 射，则所 需的确切连接温度就可设定为所用材料的函数。在这种情况下，高温计信号和所需的温度则由一个控制器来进行处理，并且将所需激光功率的相应设定信号传递给激 光器。通过这种方式，不会对原件产生伤害的无应力夹物模塑是可以实现的。

应用

塑料部件已经可通过热成型来进行生产，并提供了大量的设计自由度。密度低和耐化学腐蚀是这类材料用量不断升高的深层次原因。另一方面，高强度是金属和陶瓷的首要特征。在塑料和金属或者陶瓷能很好连接到一起的情况下，“Liftec”技术总是可行的。以下是其它一些例子：

■ 柔性焦距透镜组与边框的连接：除了增加强度和防止透镜变松以外，这也提供了新的设计可能性。因此，组件能由光学生产商在生产过程中直接连接起来。像在螺钉连接的情况下要进行预钻孔的事先准备工作在这里就不需要了。

■ 连接塑料窗口或其正面到金属框架上：能获得强度高，密闭性好的连接。

■ 在手机技术中的应用：手机铰链处的金属针脚会频繁受到手机塑料外壳力的冲击，采用这种技术能延长铰链的寿命。此外，采用这种连接技术生产的部件的外观质量更好。

■ 连入的金属对塑料件的增强作用：作用到部件上的机械载荷被金属元件所吸收。结果就是部件能承受高得多的机械应力。

图8a 带螺纹的金属件嵌入塑料的例子。材料：不锈钢和聚甲基丙烯酸甲酯；料板厚度为
10mm，螺杆直径为M4。由于区域加厚而实现了二者间的正向填充

图8b 塑料-陶瓷间连接的例子。材料：ZrO2和聚甲基丙烯酸甲酯。塑料平板厚度为10mm
，圆筒直径为8mm。由于表面硬度大而实现正向填充，另外轴向的孔阻止了塑料的喷出

图8c 在光学领域的应用例子。材料：钢(1.4301)，聚甲基丙烯酸甲酯/聚碳酸酯。
塑料板厚度为3mm，金属针直径为2mm。由于区域加厚而实现了二者间的正向填充

图8a、b和c所示为所研究的不同材料间的连接。包括厚度在3-10mm的立方形热塑性塑料，如聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯和金属、陶瓷和聚四氟乙烯等耐热性更好的材料之间的连接。

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