一种树脂材与金属材的异种材接合件、制备方法及车辆与流程

1.本发明涉及车辆制造技术领域，尤其涉及一种树脂材与金属材的异种材接合件、制备方法及车辆。


背景技术：

2.伴随着汽车和航空领域轻量化的需求，金属材和树脂材接合技术被越来越多地研究。现有技术中，存在通过摩擦点焊和自蔓延连接技术将金属材和树脂材接合在一起。但是这种连接方式存在以下缺陷：
3.1)焊接工艺复杂、成本较高。自蔓延反应粉末的配置成本较高，而且需要将这种自蔓延反应粉末均匀铺置在碳纤维复合材料和金属材料之间，对于复杂的材料表面很难实现。
4.2)质量稳定性不高，自蔓延反应过程快，由于燃烧波的前进，热损失可能不同，燃烧过程中会出现非平衡相或亚稳相，易于烧结。
5.3)效率较低，前期需要均匀铺置自蔓延反应粉末，经过夹具加紧后，50mm间距就需要进行搅拌头摩擦点焊，自蔓延反应粉末从被引燃到自蔓延反应完成过程中，搅拌头始终插入在金属和碳纤维材料中，搅拌头插入金属的保持时间需要3s-15s时间，整个过程效率低，时间久。
6.目前，还有一种技术，即将金属材料喷涂到金属件表面，在金属件表面形成一喷涂层，该喷涂层表面具有若干微孔，将该金属件嵌入到成型模具中，在模具中注射熔融的树脂并冷却，树脂侵入喷涂层表面的微孔中与金属件结合。然而这种技术中，金属材料形成的喷涂层仅与金属件表面熔融，导致金属件和喷涂层的结合强度差。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的在于提供一种方法简单且能够大规模生产的异种材接合件的制备方法。
8.本发明的一个进一步的目的在于提高异种材接合件的接合强度。
9.特别地，本发明提供了一种树脂材与金属材的异种材接合件的制备方法，包括如下步骤：
10.固定树脂材；
11.在所述树脂材的上表面喷涂微细金属粒子，以在所述树脂材的上表面形成金属涂层；
12.将金属材的下表面贴合在所述金属涂层的上表面；
13.利用激光焊接技术将所述金属材和所述金属涂层焊接在一起，且使得焊接部的熔深为预设深度，得到所述树脂材与所述金属材接合在一起的异种材接合件；
14.所述预设深度大于或等于所述金属涂层厚度的一半与所述金属材的厚度之和。
15.可选地，所述预设深度等于所述金属材的厚度和所述金属涂层的厚度之和。
16.可选地，所述激光焊接技术的焊缝的形状为直线形、圆形、c形、螺旋形、未封闭环形、波浪形、矩形、s形和菱形中的一种或多种的组合。
17.可选地，所述在所述树脂材的上表面喷涂微细金属粒子，以在所述树脂材的上表面形成金属涂层，包括如下步骤：
18.利用熔覆方法在所述树脂材的上表面喷涂所述微细金属粒子，以在所述树脂材的上表面形成所述金属涂层；
19.可选地，所述金属涂层的厚度为范围在0.2mm-5mm中任一值。
20.可选地，所述在所述树脂材的上表面喷涂微细金属粒子，以在所述树脂材的上表面形成金属涂层，包括如下步骤：
21.第一金属膜层形成步骤：利用熔覆方法在所述树脂材的上表面喷涂第一微细金属粒子，以在所述树脂材的上表面形成第一金属膜层；
22.第二金属膜层形成步骤：利用冷喷涂法在所述第一金属膜层的上表面喷涂第二微细金属粒子，以在所述树脂材的上表面形成第二金属膜层；
23.所述金属涂层包括所述第一金属膜层和所述第二金属膜层。
24.可选地，所述制备方法还包括如下步骤：反复执行所述第二金属膜层形成步骤，以在所述第一金属膜层的上表面形成多层层叠的第二金属膜层。
25.可选地，所述第一金属膜层和所述第二金属膜层的厚度均为范围在0.2mm-5mm中任一值。
26.特别地，本发明还提供了一种利用前述的制备方法制备获得的异种材接合件，包括树脂材、金属材和连接在所述树脂材和所述金属材之间的金属涂层。
27.可选地，所述金属涂层与所述金属材的材料为同系的金属材料。
28.特别地，本发明还提供了一种车辆，包括目标件，所述目标件是由前述的异种材接合件构造而成。
29.根据本发明的方案，在树脂材的表面形成金属涂层，将金属材的下表面贴合在金属涂层的上表面，再利用激光焊接技术将金属材和金属涂层焊接在一起，从而将金属材和树脂材接合在一起。这种方法打破了传统方法，即某种程度上也已然形成的技术偏见，即在金属材一侧进行表面处理来完成树脂材和金属材的接合，从而使得这种方法具有突破性的进步。本发明方法在树脂材侧进行镀层处理，并且焊接部的熔深大于或等于金属涂层厚度的一半与金属材的厚度之和，也就是说，焊接部是贯穿金属材且至少到达一半厚度的金属涂层，由于金属涂层是与树脂材接合在一起的，焊接部如此贯穿则可以将金属材与金属涂层接合，进而将金属材与树脂材接合在一起。利用激光焊接技术速度非常快，效率非常高，质量非常稳定，适合大规模生产。
30.进一步地，利用熔覆方法在树脂材的上表面喷涂微细金属粒子的方法中，该微细金属粒子的温度会升高，这会使得喷涂过程中微细金属粒子形状更容易变成扁平状，从而使得树脂材与金属粒子之间的接触面积更大，进而提高两者紧贴的强度，也就是说，利用这种方法，该树脂材和金属涂层之间可以接合非常紧密，两者接合强度大。
31.进一步地，利用冷喷涂法在第一金属膜层的上表面喷涂第二微细金属粒子，由于冷喷涂法中温度低，因此第二微细金属粒子不容易发生变形，更容易形成厚膜，厚膜相比于薄膜与金属材的结合会更加紧密，因此，在第一金属膜层的上表面形成第二金属膜层的结
构，一方面可以与树脂材接合非常紧密，另一方面可以与金属材接合非常紧密。
32.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
33.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
34.图1示出了根据本发明一个实施例的树脂材与金属材的异种材接合件的制备方法的示意性流程图；
35.图2示出了根据本发明实施例一的树脂材与金属材的异种材接合件的示意性结构图；
36.图3示出了根据本发明实施例一的激光焊接技术的焊缝的形状的示意性截面图；
37.图4示出了根据本发明实施例二的树脂材与金属材的异种材接合件的示意性结构图；
38.图中：1-树脂材，2-金属涂层，21-第一金属膜层，22-第二金属膜层，3-金属材，4-焊接部。
具体实施方式
39.图1示出了根据本发明一个实施例的树脂材与金属材的异种材接合件的制备方法的示意性流程图。如图1所示，该制备方法包括：
40.步骤s100，固定树脂材；
41.步骤s200，在树脂材的表面喷涂微细金属粒子，以在树脂材的表面形成金属涂层；
42.步骤s300，将金属材的下表面贴合在金属涂层的上表面；
43.步骤s400，利用激光焊接技术将金属材和金属涂层焊接在一起，且使得焊接部的熔深为预设深度，得到树脂材与金属材接合在一起的异种材接合件；该预设深度大于或等于金属涂层厚度的一半与金属材的厚度之和。
44.根据本发明的方案，在树脂材的表面形成金属涂层，将金属材的下表面贴合在金属涂层的上表面，再利用激光焊接技术将金属材和金属涂层焊接在一起，从而将金属材和树脂材接合在一起。这种方法打破了传统方法，即某种程度上也已然形成的技术偏见，即在金属材一侧进行表面处理来完成树脂材和金属材的接合，从而使得这种方法具有突破性的进步。本发明方法在树脂材侧进行镀层处理，并且焊接部的熔深大于或等于金属涂层厚度的一半与金属材的厚度之和，也就是说，焊接部是贯穿金属材且至少到达一半厚度的金属涂层，由于金属涂层是与树脂材接合在一起的，焊接部如此贯穿则可以将金属材与金属涂层接合，进而将金属材与树脂材接合在一起。利用激光焊接技术速度非常快，效率非常高，质量非常稳定，适合大规模生产。
45.以下以具体实施例来详细说明：
46.实施例一：
47.该实施例一中制备方法包括上述步骤s100至步骤s400。图2示出了根据本发明实
施例一的树脂材与金属材的异种材接合件的示意性结构图。如图2所示，由步骤s100至步骤s400制备获得的异种材接合件包括树脂材1、金属材3和连接在树脂材1和金属材3之间的金属涂层2。
48.在步骤s100中，该树脂材1可以选择为热可塑性树脂或热硬化性树脂，例如可以为碳纤维复合树脂材1。该树脂材1的形状可以为板状，其厚度不受限制。该树脂材1例如可以为热可塑性树脂或者热硬化性树脂，如可以是碳纤维树脂材1。
49.在步骤s200中，该微细金属粒子的材料可以选择为与金属材3能固相接合的金属材料，优选为与该金属材3同系的金属材料，例如，该金属材3的材料为铝合金材料，则该微细金属粒子的材料也为铝合金材料，也可以为其他铝系合金。该金属材3的材料为铁合金材料，则该微细金属粒子的材料也为铁合金材料，也可以为其他铁系合金材料。该金属材3的材料为镍合金材料，则该微细金属粒子的材料也为其他镍系合金材料。
50.在该实施例中，是利用熔覆方法在树脂材1的上表面喷涂微细金属粒子的。该熔覆方法选择为能够产生高温气体的熔覆喷涂方法，例如可以为等离子喷涂、弧光喷涂等。该金属涂层2的厚度为范围在0.2mm-5mm中任一值，例如0.2mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm。
51.利用该熔覆喷涂方法，微细金属粒子在喷涂过程中温度升高，该微细金属粒子容易产生变形，喷涂冲击下该粒子变形为扁平状，如此可以使得树脂材1和微细金属粒子之间得到大的接触面积，进而提高紧贴强度。可以理解的是，只要在温度升高以及喷涂过程中的冲击力下，该微细金属粒子才能发生变形，在温度较低或没有冲击力下，该微细金属粒子则不容易发生变形。因此，利用熔覆方法在树脂材1的上表面喷涂微细金属粒子，可以树脂材1与金属涂层2接合非常紧密，两者结合强度非常高。
52.在步骤s300中，“贴合”是指金属材3和金属涂层2接触、紧贴的含义。该金属材3的厚度没有特别要求，但是为了能够紧贴金属涂层2，其最佳厚度范围为大于0mm且小于等于2mm金属材3，例如可以为0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm或2mm。并且该金属材3的形状优选为板状。
53.该步骤s400中，激光是从金属材3的上方朝向该金属材3射入的，可以在金属材3和金属涂层2上形成焊接部4，该焊接部4从金属材3的上表面向下延伸至金属涂层2内，该焊接部4的厚度即为熔深，在一个最优的实施例中，该焊接部4的熔深等于金属材3的厚度和金属涂层2的厚度之和。也就是说，该焊接部4从金属材3的上表面延伸至金属涂层2的下表面。此处，需要注意的是，该焊接部4的下端可以处于金属涂层2和树脂材1的界面处，最优地，是位于金属涂层2的最下端但并不突破该金属涂层2的最下端，即未触及该树脂材1，如此可以最大限度地使得该树脂材1的热影响最小，以防止其与金属涂层2的接合强度受到影响，同时得到的异种材接合件的接合强度最高。
54.激光焊接技术的焊缝的形状可以为如图3所示的直线形、圆形、c形、螺旋形、未封闭环形、波浪形、矩形、s形和菱形中的一种或多种的组合。该焊缝的形状也会影响异种材接合件的接合强度，对于高的接合强度的异种材接合件来说，优选选择上述焊缝形状。
55.为了使树脂材1的热影响最小，需要选择最佳的焊接条件。通常，该焊接条件受树脂材1、金属材3的材料、形状等影响，从而有所不同，也就是说，树脂材1和金属材3的材料以及形状等不同，其对应的最佳焊接条件也会有所不同。该焊接条件包含热源、输出功率、焊
接速度、焊接功率、焊接部4位的直径以及金属涂层2和金属材3之间的间隙，例如焊接速度为60-120mm/s，焊接功率为3.75-5kw，激光焊接器的压轮压力的上限是2.5-3bar，下限是1.5-4bar。
56.特别地，本发明还提供了一种异种材接合件，该异种材接合件由上述制备方法制备而成，该异种材接合件的特征与前述制备方法中介绍的特征一一对应，此处不再赘述。
57.特别地，本发明还提供了一种车辆，该车辆包括目标件，该目标件是由前述的异种材接合件构造而成。该目标件可以为车辆制造过程中能够用到这种材料件的任何结构件，例如该目标件为车辆外板、内外装饰用的构造部件、控制系统以及驱动系统等所用到的机械性产品等。
58.此处需要说明的是，该异种材接合件除可以应用于车辆外，还可以应用在土木领域、家电领域、建筑领域等对生产性和创新性优良的树脂材1和高强度的金属材3组合的产品中。
59.实施例二：
60.该实施例二与实施例一的区别在于，步骤s200中的具体步骤不同，即最终制备的金属涂层2不同，最终导致的异种材接合件结构也相应发生改变。如图4所示，该实施例中，该步骤s200包括第一金属膜层21形成步骤和第二金属膜层22形成步骤。该第一金属膜层21形成步骤为利用熔覆方法在树脂材1的上表面喷涂第一微细金属粒子，以在树脂材1的上表面形成第一金属膜层21。该第二金属膜层22形成步骤为利用冷喷涂法在第一金属膜层21的上表面喷涂第二微细金属粒子，以在树脂材1的上表面形成第二金属膜层22。该金属涂层2包括第一金属膜层21和第二金属膜层22。该第一金属膜层21和第二金属膜层22的厚度均为厚度为范围在大于0.2mm且小于1.5mm中任一值，例如可以为0.2mm、0.5mm、1mm、1.2mm或1.5mm。
61.该实施例中，第二金属膜层22是利用冷喷涂法喷涂而成，该冷喷涂法例如为超音速冷喷涂法，操作时是在音速以上的高速狂吹而成。可以理解的是，该冷喷涂法中，该第二微细金属粒子不容易变形，因此，容易在第一金属膜层21的表面形成厚膜，而厚膜相比于薄膜更容易与金属材3紧密接合。该第二微细金属粒子适合形成在第一金属膜层21的上表面，不适合直接形成在树脂材1的上表面，这是因为，该第二金属膜层22是利用冷喷涂法喷涂而成的，而冷喷涂法中温度较低，第二微细金属粒子不易变形，再加上树脂是柔软的，假若该第二微细金属粒子适合形成在树脂材1的上表面，在该第二微细金属粒子向该树脂材1喷涂冲击时，不容易使该第二微细金属粒子发生变形，从而导致第二微细金属粒子与树脂材1的接合不紧密，进而导致形成的第二金属膜层22容易从该树脂材1的上表面脱落。因此，该第二金属膜层22不适合直接形成在该树脂材1的上表面。由于该第二金属膜层22和第一金属膜层21的材料均是与金属材同系的材料，两者接合在一起时较为容易，因此，该该第二金属膜层22更适合形成在第一金属膜层21上。第一金属膜层21虽然能够紧密接合在树脂材1上，但是由于第一金属膜层21不容易形成厚膜，因此与金属材3不能紧密接合，第二金属膜层22正好弥补了这个缺陷。
62.因此，本发明实施例中，第一金属膜层21可以与树脂材1非常好地接合在一起，第二金属膜层22能与第一金属膜层21紧密接合，并且该第二金属膜层22由于容易形成厚膜从而能够与金属材3更好地接合在一起，因此，该第一金属膜层21和第二金属膜层22相辅相
成，最终能够使得树脂材1和金属材3结合强度非常高。
63.实施例三：
64.该实施例三与实施例二的区别在于，该实施例三中，步骤s200的中的具体步骤不同，即最终制备的金属涂层2不同，最终导致的异种材接合件结构也相应发生改变。该实施例中，该步骤s200包括反复执行的第二金属膜层形成步骤，最终制备获得的金属涂层2包含一层第一金属膜层21和形成在该第一金属膜层21的多层第二金属膜层22。例如，可以有两层第二金属膜层22、三层第二金属膜层22、四层第二金属膜层22或更多层第二金属膜层22。如此，一层第一金属膜层21和多层第二金属膜层22的厚度相比于实施例二中的一层第一金属膜层21和一层第二金属膜层22的厚度更厚，最终形成的金属涂层2能够与金属材3更好地接合在一起。
65.实施例四：
66.该实施例四与前述实施例的区别在于，该实施例四中，该异种材接合件包括一层树脂材1和两层以上的金属材3，该两层以上的金属材3相邻设置。
67.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明常用理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。