一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法与流程

1.本发明属于激光表面微加工技术、金属材料和胶接技术的跨学科领域，具体涉及一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法。


背景技术：

2.胶接技术越来越多地应用于汽车、轮船、航空航天及建筑等行业中，因为它具有提高接头刚度、均匀应力分布和连接不同材料的能力等优点，为了提高胶接接头的机械性能，许多化学或机械的表面处理方法用来处理被粘物表面。在车身轻量化材料中铝合金车身作为未来的发展方向，对铝合金的胶接性能的研究至关重要。目前，激光表面处理已经成功地应用于通过激光诱导表面物理化学改性来提高金属和非金属等材料的粘合强度，激光表面处理使材料表面变得粗糙，随后通过高能激光脉冲对材料进行熔化、气化和固化，形成表面微结构。但是，胶接材料和胶接剂的种类繁多，用途广泛，设备型号众多，用户需求多种多样，目前将激光表面处理工艺应用到具体铝合金材料的胶接工艺中以提高胶接性能还缺少针对性的研究试验，针对性不强，还需要探索提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法以扩展激光技术和胶接技术的结合及应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法，提出了合理的铝合金表面激光处理参数范围和方法，并进行了相关实验验证，显著提升了铝合金材料的胶接性能，更好的满足了用户的多方面需求。
4.一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法，通过以下技术方案来实现：
5.一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法，所述方法包括以下步骤：
6.在空气或惰性气体环境下，温度条件为室温，设定脉冲激光器的激光扫描参数为：平均功率为30w～100w，扫描速度为3001mm/s～4000mm/s，脉冲频率为10khz～400khz，光斑直径为90μm～200μm，扫描线间距为0.08mm～0.5mm；用激光扫描铝合金表面胶接部位，对被扫描铝合金进行激光表面处理；对被扫描铝合金表面使用胶黏剂进行胶接工艺处理。
7.进一步地，所述对被扫描铝合金表面使用胶黏剂进行胶接工艺处理包括：
8.对经过激光处理的铝合金处理表面进行涂胶；在胶层上均匀撒玻璃微珠，控制胶黏剂的胶层厚度为0.5mm～1mm；胶接铝合金，固定工装；对溢胶进行处理；对铝合金进行烘箱加热固化。
9.优选地，所述脉冲激光器的波长为1055nm～1075nm；可选地，所述脉冲激光器为固体激光器、光纤激光器、手持式光纤激光器中的一种。
10.优选地，所述脉冲激光器为掺镱脉冲光纤激光器。
11.优选地，所述脉冲激光器的脉宽为5～500ns。
12.可选地，所述胶黏剂为减震膨胀胶、密封胶、结构胶。
13.可选地，所述结构胶为环氧树脂结构胶、丙烯酸结构胶、聚氨酯结构胶中的一种。
14.可选地，所述铝合金为铸造铝合金、变形铝合金中的一种。
15.优选地，所述铝合金为铝-6061。
16.本发明涉及一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法，有益效果为：利用本发明提供激光表面处理工艺方法，通过实验找出相匹配的激光扫描参数，按照激光扫描参数对被扫描铝合金材料进行激光表面处理，之后再按照相应的工艺方法进行胶接，从实验结果可以显著提高铝合金表面胶接的十字拉拔力、剪切强度和耐水性性能，提高了胶接性能；该工艺不仅适用于铝合金自粘，其他金属材料的激光表面处理也可以借鉴。激光表面处理工艺还同时具有绿色环保、成本低、速度快、处理效率高等优点，从而尽可能在最大程度上发挥了胶黏剂的性能，扩展了铝合金的应用，实现了激光技术和胶接技术的良好结合，满足了用户多种胶接需求。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
18.图1是本发明实施例提供的激光表面处理工艺过程示意图；
19.图2是本发明实施例提供的十字拉伸试片示意图；
20.图3是本发明实施例提供的单搭接剪切试片示意图；
21.图4是本发明实施例提供的异丙醇擦拭和激光表面处理后材料的接触角对比示意图；
22.图5是本发明实施例提供的铝合金表面异丙醇擦拭和激光表面处理后的微观表面形貌对比图；
23.图6是本发明实施例一提供的异丙醇擦拭和激光表面处理后环氧树脂结构胶常温单搭接样件剪切后胶接接头破坏形式示意图；
24.图7是本发明实施例一提供的异丙醇擦拭后常温单搭接样件剪切的力-时间曲线图；
25.图8是本发明实施例一提供的激光表面处理后常温单搭接样件剪切的力-时间曲线图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
27.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，图1示出了本发明实施例提供的激光表面处理工艺过程示意图，所述方法包括以下步骤：
28.在空气或惰性气体环境下，优选地为惰性气体环境下，温度条件为室温，设定脉冲激光器的激光扫描参数为：平均功率为30w～100w，扫描速度为3001mm/s～4000mm/s，脉冲频率为10khz～400khz，光斑直径为90μm～200μm，扫描线间距为0.08mm～0.5mm；用激光扫描铝合金表面胶接部位，对被扫描铝合金进行激光表面处理；对被扫描铝合金表面使用胶
黏剂进行胶接工艺处理。
29.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，对被扫描铝合金表面使用胶黏剂进行胶接工艺处理包括：
30.对经过激光处理的铝合金处理表面进行涂胶；
31.在胶层上均匀撒玻璃微珠，控制胶黏剂的胶层厚度为0.5mm～1mm；通过选择和控制玻璃微珠的直径大小，确保胶层厚度的均匀性，防止收到挤压后胶层厚度发生变化；
32.胶接铝合金，固定工装；
33.对溢胶进行处理；此步骤中，可采用擦拭或这刮除等方法去除溢胶，保持铝合金的清洁环境，防止溢胶影响胶接效果；
34.对铝合金进行烘箱加热固化，加热的温度及保持时间、固化的时间均可参考相应胶黏剂的使用资料。
35.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，脉冲激光器的波长为1055nm～1075nm；可选地，所述脉冲激光器为固体激光器、光纤激光器、手持式光纤激光器中的一种。
36.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，优选地，脉冲激光器为掺镱脉冲光纤激光器。
37.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，优选地，脉冲激光器的脉宽为5～500ns。
38.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，可选地，所述胶黏剂为减震膨胀胶、密封胶、结构胶。
39.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，可选地，所述结构胶为环氧树脂结构胶、丙烯酸结构胶、聚氨酯结构胶中的一种。
40.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，所述铝合金为铸造铝合金、变形铝合金中的一种。优选地，铝合金的型号为铝-6061。
41.本发明实施例提出的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法中，我们对铝合金料片表面在进行激光处理后，接下来可将料片进行胶接，并按照上述的胶接工艺，选择合适的胶黏剂进行相关实验，其中具体的有关实验过程如下所述，并提供了多个实施例的实验结果。
42.本发明实施例中十字胶接的料片尺寸为75mm*25mm*3mm，十字拉伸的胶接面积为25mm*25mm。本发明单搭接剪切的胶接的料片尺寸为100mm*25mm*3mm，单搭接剪切的搭接面积为12.5mm*25mm。
43.下面结合具体实施例来对以上实施方式进行更详细的说明。选用铝合金6061材料，采用不同的激光处理参数，胶黏剂分别采用环氧树脂结构胶、丙烯酸结构胶、聚氨酯结构胶进行具体说明。
44.首先穿戴好防护用品，然后把胶接材料试样裁剪为100mm*25mm和75mm*25mm的两种规格标准样件，用激光器对裁好的标准样件需要胶接的区域进行激光扫描，下面我们将对本发明实施例进行详细描述。
45.铝合金具有质轻、耐腐蚀、吸能性好、可循环利用等优点，成为汽车、轮船、航空航天等制造业的主要材料，在本发明实施例中，我们采用铝合金-6061为胶接材料，其中，铝合
金-6061的化学成分见表1，表2为铝合金-6061的主要力学性能。以下实施例中选用的为3mm厚的铝-6061合金，胶接实验中铝合金板的尺寸为100mm*25mm和75mm*25mm两种规格。
46.表1铝-6061合金化学成分
47.元素sifecumnmgcrzntial实测值％0.570.290.210.081.060.160.090.06余量
48.表2铝-6061合金力学性能
49.抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)伸长率％33026012.5
50.环氧树脂结构胶dow betamate 2098(简称gdow2098g)是一种双组份环氧基胶粘剂，a:b＝2:1，可显著提高整车的刚性和耐冲击性，胶粘剂和胶接的接头具有强的耐久性，因胶粘剂的密封性能卓越，从而为钢板和焊点获得良好的耐腐蚀保护，兼容其他车身连接工艺，如机械连接和热融连接。
51.丙烯酸结构胶回天1830c是双组分、灰色、无需底涂金属胶接、高强度、高韧性、快速固化甲基丙烯酯酸胶，适合热塑性塑料、金属和复合材料的自粘和互粘，具有高粘度、高触变，不垂流的特点。本发明实施例中我们采用混合比10:1，操作时间3-6分钟，定位时间10-15分钟，固化时间：24h，胶接间隙：0.3-12mm。表3为环氧树脂结构胶dow betamate 2098g、丙烯酸结构胶回天1830c及和聚氨酯柔性结构胶totalseal6023(简称ts6023)性能对照表。
52.在本发明的具体的实施方式中，环氧树脂胶黏剂和丙烯酸胶黏剂的胶层厚度控制在0.5mm，聚氨酯胶黏剂的胶层厚度控制在1.0mm。
53.图2示出了本发明实施例提供的十字拉伸试片示意图；根据实际零部件中的板材上下位置完成胶接材料及十字拉伸试样制备。对正确胶接后的试片，通过专用夹具施加垂直于试样表面的载荷直到试样破坏。图3示出了本发明实施例提供的单搭接剪切试片示意图；所有实施例都做常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度共计三种测试，水浴条件为40℃浸泡240h，所用水为等离子水。
54.经过对铝合金材料的表面进行激光处理后，铝合金材料的表面发生了显著变化，图4示出了本发明实施例提供的异丙醇擦拭和激光表面处理后材料的接触角对比示意图，其中图4中a为异丙醇擦拭后材料的接触角示意图，为达因值55的达因笔在铝合金板上划线示意图；图4中b为激光表面处理后材料的接触角示意图，激光处理后接触角变为0
°
，为达因值55的达因笔在铝合金板上划线示意图。从图4中可以看出，激光表面处理后，达因液在铝板表面完全扩散开，结构胶和材料的表面浸润性大大增强，有利于胶接接头强度提升。
55.表3环氧树脂结构胶dow2098g、丙烯酸结构胶回天1830c和聚氨酯结构胶ts6023性能对照表
[0056][0057]
图5示出了本发明实施例提供的异丙醇擦拭和激光表面处理后铝板的微观表面形貌对比图，其中图5中a图为异丙醇擦拭后铝板的微观表面形貌，图5中b图为激光表面处理后铝板的微观表面形貌。从图5中微观形貌可以明显看出异丙醇擦拭后的铝板表面比较光滑，激光处理后的铝合金微观表面粗糙度明显上升，表面比较粗糙，这有利于胶黏剂和铝板更好的机械锁合，从物理方面提升了胶接接头的强度。
[0058]
实施例一：
[0059]
实施例一采用的胶黏剂为环氧树脂结构胶dow betamate 2098g。采用掺镱脉冲光纤激光器，激光波长为1064nm，脉宽为500ns，表面处理激光器平均输出功率为56w，扫描速度为4000mm/s，脉冲频率为40khz，激光发射的光斑直径为90μm，扫描线间距为0.09mm，对铝-6061进行异丙醇擦拭和激光表面处理，进行对比实验，测试铝-6061 dow 2098g 铝-6061试件的常温十字拉伸强度、剪切强度、以及40℃水浴240h后的剪切强度，胶层厚度控制在0.5mm。
[0060]
表4为异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金胶接接头的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度。从数据可以看出异丙醇擦拭后胶接接头的十字拉伸强度的平均值为5.40mpa，激光处理后胶接接头的十字拉伸强度的平均值为6.36mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了17.8％。异丙醇擦拭后胶接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为9.21mpa，激光处理后胶接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为21.54mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了133.8％。对单搭接胶接样件进行40℃下240h的水浴处理，进行胶接接头的耐水性能测试。从数据可以看出异丙醇擦拭后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为9.70mpa，激光处理后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为18.25mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了88.1％。可见激光处理比常规的溶剂擦拭对胶接接头的拉伸性能、剪切性能以及水浴后剪切性能都有了显著提升。
[0061]
表4 dow 2098g环氧胶异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金胶接接头的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度
[0062][0063]
图6示出了本发明实施例一提供的异丙醇擦拭和激光表面处理后环氧树脂结构胶常温单搭接样件剪切后胶接接头破坏形式示意图，其中，图6a显示了异丙醇擦拭后常温单搭接样件剪切后胶接接头示意图，很显然剪切接头破坏方式为粘附破坏；图6b显示了激光表面处理后常温单搭接样件剪切后胶接接头示意图，很显然剪切接头破坏方式为内聚破坏；破坏方式的转变证明了激光表面处理对接头胶接强度提升的决定性影响。图7示出了本发明实施例一提供的异丙醇擦拭后常温单搭接样件剪切的力-时间曲线图；图8示出了本发明实施例一提供的激光表面处理后常温单搭接样件剪切的力-时间曲线图，在此只是选取了部分实验曲线，借此说明实验结果，其他实现情况的见相应表格。
[0064]
实施例二
[0065]
实施例二采用的胶黏剂为丙烯酸结构胶回天1830c。采用掺镱脉冲光纤激光器，激光波长为1064nm，脉宽为80ns，表面处理激光器平均输出功率为80w，扫描速度为3500mm/s，脉冲频率为150khz，激光发射的光斑直径为110μm，扫描线间距为0.11mm，对铝-6061进行异丙醇擦拭和激光表面处理，进行对比实验，测试铝-6061 回天1830c 铝-6061试件的常温十字拉伸强度，剪切强度，以及40℃水浴240h后的剪切强度，胶层厚度控制在0.5mm。
[0066]
表5回天1830c丙烯酸胶异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金胶接接头的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度
[0067][0068]
表5为回天1830c丙烯酸结构胶异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金胶接接头的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度。从数据可以看出异丙醇擦拭后胶接接头的十字拉伸强度的平均值为3.77mpa，激光处理后胶接接头的十字拉伸强度的平均值为4.69mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了24％。异丙醇擦拭后胶接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为12.64mpa，激光处理后胶接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为14.98mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了19％。对单搭接胶接样件进行40℃下240h的水浴处理，进行胶接接头的耐水性能测试。从数据可以看出异丙醇擦拭后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为10.32mpa，激光处理后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为12.56mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了22％。可见激光处理比常规的溶剂擦拭对胶接接头的拉伸性能、剪切性能以及水浴后剪切性能都有有显著提升。
[0069]
实施例三
[0070]
表6 ts6023聚氨酯胶异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金胶接接头的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度
[0071][0072]
实施例三采用的胶黏剂为聚氨酯柔性结构胶totalseal6023。采用掺镱脉冲光纤激光器，激光波长为1064nm，脉宽为20ns，表面处理激光器平均输出功率为100w，扫描速度为3001mm/s，脉冲频率为300khz，激光发射的光斑直径为120μm，扫描线间距为0.12mm，对铝-6061进行异丙醇擦拭和激光表面处理，进行对比实验，测试铝-6061 ts6023 铝-6061试件的常温十字拉伸强度，剪切强度，以及40℃水浴240h后的剪切强度，胶层厚度控制在1.0mm。
[0073]
表6为异丙醇擦拭和激光表面处理后铝合金胶接接头的常温十字拉伸强度、常温单搭接剪切强度和水浴后单搭接剪切强度。从数据可以看出异丙醇擦拭后胶接接头的十字拉伸强度的平均值为0.99mpa，激光处理后胶接接头的十字拉伸强度的平均值为3.08mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了211％。异丙醇擦拭后胶接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为1.60mpa，激光处理后胶接接头的常温单搭接剪切强度的平均值为4.10mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了156％。对单搭接胶接样件进行40℃下240h的水浴处理，进行胶接接头的耐水性能测试。从数据可以看出异丙醇擦拭后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为1.42mpa，激光处理后单搭接接头水浴的剪切强度的平均值为3.94mpa，激光处理后比溶剂擦拭提高了177％。可见激光处理比常规的溶剂擦拭对胶接接头的拉伸性能、剪切性能以及水浴后剪切性能都有有显著提升。
[0074]
通过本发明的实施例一到实施例三可以看出，对铝合金表面的激光处理比常规的溶剂擦拭对胶接接头的性能有显著提升，能够更好的实现铝合金之间的连接。
[0075]
本发明实施例提供的一种提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法，通过本发明提高胶接性能的铝合金表面激光处理方法对被扫描铝合金材料进行激光表面处理，可以显著提高胶接接头处的十字拉拔力、剪切强度和耐水性性能，提高了胶接接头的性能；激光表面处理工艺还同时具有绿色环保、成本低、速度快、处理效率高等优点，从而尽可能在最大
程度上发挥了胶黏剂的性能，扩展了铝合金的应用，实现了激光技术和胶接技术的良好结合，满足了用户多种胶接需求。
[0076]
上述的对本发明实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
[0077]
以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。