本發(fā)明涉及金屬與塑料焊接技術領域，具體地指一種塑料與金屬永久性直接連接的制備方法。

背景技術：

隨著汽車、手機、電腦、家電等技術的快速發(fā)展，設備及元件輕量化要求越來越高，金屬具有質(zhì)感光澤、良好的導電性能，而塑料具有密度小、質(zhì)量輕而且絕緣性能好的特征。將塑料與金屬結合越來越廣泛地應用在機械及電子制造領域。為了實現(xiàn)塑料與金屬的完美結合目標，各行各業(yè)都做了很多嘗試與努力，具有代表性的工藝有膠粘、電鍍、鉚接、金屬嵌件注塑以及NMT技術等。膠粘技術強度有限，且不能保證永久性連接，使用時間一長就會出現(xiàn)金屬與塑料連接部位出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

金屬嵌件注塑技術專利如專利號為“CN200710200616”的名為“金屬件與塑料件的連接結構”的中國實用新型專利和專利號為“CN201080067868”的名為“金屬塑料連接”的中國實用新型專利，嵌件注塑技術通常是先加工好金屬部件，使金屬部件具有與塑料部件的連接結構，然后在該連接結構的基礎上注塑成型塑料部件，這樣才能夠完成金屬與塑料的連接。這種方式得提前加工好金屬部件，而金屬的加工比較耗費工時，導致整個連接的效率大幅度降低，成本大幅度升高，不利于推廣應用。

鉚接技術專利號為“CN201610167498”的名為“一種使塑料和金屬良好連接的超聲波金屬鉚焊方法”的中國發(fā)明專利，鉚接技術通常需要在金屬部件上加工出銷釘結構，在塑料部件上加工出對應的銷孔結構，焊接時將銷釘插入到銷孔內(nèi)，再進行熔化或是其他處理，將兩 者固定在一起，這種方式連接的很緊密，但是由于需要提前加工出對應的結構部件，同樣增加了零部件處理的工時，增加了部件連接的成本，不利于推廣運行。

另一種不同視角比較先進的方法NMT技術如專利號為“US20110250377”的名為“System and method for plastic overmolding on a metal surface”的美國發(fā)明專利，該方法先使用化學腐蝕的方式對金屬表面進行處理，將金屬表面腐蝕出納米級微孔結構，后在金屬表面注塑塑料元件，適用于各種厚度、不限于元件尺寸但連接強度有限難以進一步提高，另外，該技術使用到了化學工藝，不夠環(huán)保，難以針對元件的局部處理。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是要解決上述背景技術的不足，提供一種塑料與金屬永久性直接連接的制備方法。

本發(fā)明的技術方案為：一種塑料與金屬永久性直接連接的制備方法，其特征在于：利用激光光束照射金屬部件的連接面在金屬部件的連接面燒蝕出呈蜂窩狀分布的多個連接孔，將塑料部件的連接面與金屬部件的連接面貼合，對塑料部件的連接面進行加熱使熔化的液態(tài)塑料進入到連接孔中，待進入到連接孔中的塑料冷卻后金屬部件和塑料部件完成焊接連接。

進一步的所述的方法包括以下步驟：

1)、利用激光光束照射金屬部件的連接面，使照射部位的金屬氣化產(chǎn)生空化效應形成連接孔，反復照射金屬部件使其連接面布滿呈蜂窩狀分布的多個連接孔；

2)、將塑料部件的連接面與金屬部件的連接面緊密貼合在一起，加熱使塑料部件的連接面熔化，加壓迫使熔化的液態(tài)塑料進入到連接孔內(nèi)；

3)、對金屬部件和塑料部件的連接部位進行冷卻，使進入到連接孔內(nèi)的塑料凝固完成金屬部件與塑料部件的焊接連接。

進一步的步驟1中，使用的激光光束的波長為355～360nm，平均功率為10～15W，脈沖寬度為15～20ns，重復頻率為40kHz，光束質(zhì)量因子M2為1.5，激光光束照射在金屬部件的連接面上的光斑的直徑為0.02～0.05mm。

進一步的步驟1中，每個連接孔由至少一個脈沖的激光光束燒蝕而成。

進一步的所述的連接孔與縱向和/或橫向的相鄰的連接孔連通

進一步的通過激光光束照射金屬部件的連接面在連接面上開設有連接孔的區(qū)域的外圍燒蝕出多個與該區(qū)域的最外圍的連接孔連通的排氣孔。

進一步的開設有連接孔的金屬部件的連接面的面積大于與金屬部件的連接面貼合在一起的塑料部件的連接面的面積。

進一步的塑料部件的連接面的加熱方法為：使用熱源對金屬部件的連接面的背面進行加熱，通過熱傳導的方式將熱量傳遞到塑料部件的連接面上使塑料部件的連接面熔化。

進一步的塑料部件的連接面的加熱方法為：將熱源布置在塑料部件的連接面的背面，熱量穿透塑料部件作用至塑料部件與金屬部件的連接部位上，使塑料部件的連接面熔化。

進一步的所述的熱源為紅外激光熱源，其波長為980nm，對金屬部件與塑料部件的連接部位的加熱溫度為220～250℃。

進一步的所述的步驟2可以替換為：將模具緊密貼合在金屬部件的連接面上，向模具內(nèi)注塑液態(tài)塑料形成塑料部件，貼合在金屬部件的連接面上的液態(tài)塑料滲透到連接孔內(nèi)連接金屬部件和塑料部件。

進一步的所述的連接孔的深度為0.05～0.1mm，其直徑為0.02～0.05mm。

本發(fā)明的優(yōu)點有：利用本發(fā)明塑料與金屬永久性直接連接的制備方法與現(xiàn)有膠粘、鉚接、嵌件及NMT技術方法相比，增強了塑料與金屬連接的結合強度，保證永久性牢固結合，適用于厚度、體積更加靈活的結構，并且無化學工藝過程更加環(huán)保。

與膠粘技術相比，本發(fā)明的方法解決了膠粘方法的牢固性較差、固化時間較長、不能長期有效的問題。

與鉚接、嵌件技術相比，本發(fā)明的方法解決了鉚接、嵌件方法的體積較大、厚度較厚的問題，能夠適用于厚度更薄、體積更小的金屬和塑料的連接，且金屬部件的表面處理方式更加簡單，提高了焊接連接的效率。

與NMT技術相比，本發(fā)明的方法解決了其連接強度有限、化學工藝不環(huán)保、不能局部表面處理的問題，并且NMT技術只適合注塑生長工藝，不適合二次加熱焊接連接工藝。

本發(fā)明的焊接方法利用高峰值功率、高光束質(zhì)量、短脈沖激光光束處理金屬表面，在表面形成微結構蜂窩孔，微孔直徑、深度和填充密度都可以靈活控制，可根據(jù)實際需求進行相應的調(diào)整，適應性更好。

附圖說明

圖1：激光光束處理金屬部件表面的結構示意圖；

圖2：金屬部件連接面上的連接孔布置結構示意圖；

圖3：熱源位于金屬部件的連接面的背面的結構示意圖；

圖4：熱源位于塑料部件的連接面的背面的結構示意圖；

圖5：塑料部件與金屬部件的貼合結構示意圖；

圖6：直接在金屬部件的連接面上注塑塑料部件的結構示意圖；

其中：1—激光光源；2—激光光束；3—掃描振鏡；4—掃描透鏡；5—金屬部件；6—連接孔；7—塑料部件；8—加持蓋板；9—支撐平臺；10—排氣孔；11—注塑塑料；12—熱源；13—注塑模具。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1～6，本實施例對金屬部件和塑料部件進行焊接連接的方式為：

步驟1：如圖1所示，由激光光源1發(fā)出可以對金屬部件的表面 進行處理的激光光束2，本實施例的激光光束2的波長為355nm，平均功率為10W，脈沖寬度20ns，重復頻率40kHz，光束質(zhì)量因子M2為1.5，本實施例的激光光束2具有較強的加工能力，能夠加工大多數(shù)金屬材料。激光光束2經(jīng)過掃描振鏡3和掃描透鏡4(振鏡用于改變激光光束2的方向，透鏡用于聚焦激光光束2，同時移動振鏡和透鏡就能夠?qū)⒕劢沟募す夤馐?按照設定的方向前進)，聚焦到待加工的金屬部件5表面，聚焦光斑大小在0.02～0.05mm，因此在金屬部件5的表面加工出的連接孔的孔徑為0.02～0.05mm，掃描透鏡的布置主要是控制激光光束2的擺動，通過控制掃描振鏡3的擺動速度控制聚焦光斑的移動速度。

激光光束2照射在金屬部件的連接面上的聚焦光斑需要不斷的移動才能在金屬部件的連接面上加工出蜂窩狀的連接孔，聚焦光斑不能在一個位置停留太長時間，否則會燒蝕出不符合要求的連接孔影響金屬部件和塑料部件的焊接。調(diào)節(jié)聚焦光斑需要根據(jù)激光光束2的能量和加工的材質(zhì)來確定，本實施例加工的金屬材料為304不銹鋼，根據(jù)激光光束2的特性，聚焦光斑的移動速度在1800～2000mm/s時，剛好能夠加工出符合要求的連接孔。

為了便于液態(tài)塑料充分浸潤到每一個連接孔中，本實施例要求連接孔至少與其相鄰的一個或是多個連接孔連通，因此激光光束2加工金屬部件5的連接面時，需要聚焦光斑與相鄰的連接孔6有重疊。當聚焦光斑的移動速度在1800～2000mm/s時，剛好能夠加工出連接孔6相互連通的金屬表面。

本實施例激光光束對金屬部件5的連接面蝕刻的深度為0.05～0.1mm，直徑為0.02～0.05mm，實際情況下，可根據(jù)材料的特性進行相應的調(diào)整。

步驟2：如圖2所示，將塑料部件7的連接面與金屬部件5的連接面緊密貼合在一起。為了保持緊密的貼合關系，本實施例需要對兩個部件施加壓力，保證塑料部件7的連接面與金屬部件5的連接面上開設有連接孔6的部位緊密貼合在一起。同樣的保持緊密的貼合能夠 保證液態(tài)塑料能夠充分浸潤到每一個連接孔6中，增強了金屬部件5和塑料部件7的連接緊密性。

如圖3所示，本實施例將金屬部件5放置在支撐平臺9之上，塑料部件7的上面用夾持蓋板8壓住，夾持蓋板8的材料為石英玻璃，同樣具有良好的光學特性，通過夾持蓋板8施加持續(xù)壓力，使塑料部件7和金屬部件5緊密貼合。然后加熱使塑料部件7與金屬部件5的連接部位熔化。

本實施例使用的熱源12為近紅外激光，波長980nm，能夠有效穿透石英玻璃8輻照金屬部件5的表面，為了使受熱更加均衡，本實施例將熱源12布置在金屬部件5的連接面的背面，通過熱傳導的方式將熱傳遞到塑料部件7的連接面上，迫使塑料部件7的連接面的溫度上升到220～250℃，即塑料部件7的熔點，使塑料部件7的連接面開始熔化，在壓力和自身膨脹的作用下滲入金屬部件5表面的連接孔6內(nèi)。

液態(tài)塑料進入到連接孔6內(nèi)后，連接孔6內(nèi)有空氣，如果空氣不能完全排除干凈，其連接部位會出現(xiàn)孔隙導致連接不緊密，因此，如圖5所示，本實施例的金屬部件5上開設有連接孔6的連接面的面積要大于塑料部件7的連接面貼貼合在金屬部件5上的面積，兩者連接部位外面還應該有一些沒有貼合在塑料部件的連接面上的連接孔6，實際上為了保證氣體的充分排放，本實施例還在連接孔的最外圍位置開設有一些排氣孔10，如圖3、4和6所示。當液態(tài)塑料進入到連接孔6中后，由于連接孔6都是連通的，空氣從最外側(cè)的連接孔6(或是排氣孔10)排出，避免連接部位產(chǎn)生孔隙影響焊接結構強度。

若焊接的塑料部件7為透明材料，可以直接使用熱源12照射塑料部件7的連接面的背面，紅外激光可以透過塑料部件7直接作用在兩者的連接部位，這樣的作用方式熱量散逸的更少，熱量更加集中，有利于焊接的進行。

而對于部分熱塑性較差或者熔化溫度與熱分解溫度很接近的塑料，上述的二次輻照加熱方法適用性不強，可采用直接注塑生長的方 法，如圖6所示。經(jīng)過激光表面處理后的不銹鋼金屬部件5放置在支撐平臺9上面，注塑模具13放置在金屬部件5上面，并施加持續(xù)的壓力，熔化態(tài)的PBT注塑塑料11注入模具13，并可以滲入金屬部件5表面的連接孔內(nèi)，多余的空氣可以從邊沿的連接孔中排出，減小內(nèi)部壓力利于塑料充分滲入金屬表面的連接孔內(nèi)。

步驟3：對金屬部件5和塑料部件7的連接部位進行降溫冷卻，使進入到連接孔6中的塑料凝固將兩者粘貼在一起，完成焊接連接。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。