如圖1，加強(qiáng)筋由連續(xù)玻纖增強(qiáng)PA6經(jīng)熱壓成型。先將連續(xù)玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料半成品經(jīng)紅外加熱器加熱到加工溫度，再進(jìn)行模壓成型，再進(jìn)行修剪。其次，需在加強(qiáng)筋上安裝金屬支架，以實(shí)現(xiàn)與頂棚的安裝。金屬支架采用鋼板沖壓而成。
（1）激光焊接技術(shù)原理
該項(xiàng)目開發(fā)的自動(dòng)化產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)各元件的自動(dòng)組裝，具體如圖2。金屬支架預(yù)先采用激光進(jìn)行預(yù)處理，改變金屬表面結(jié)構(gòu)。然后利用激光器對(duì)金屬支架進(jìn)行加熱，與金屬表面接觸的復(fù)合材料發(fā)生熔融，再通過壓力實(shí)現(xiàn)連接。同時(shí)，為確保連接質(zhì)量，研究組還通過熱成像技術(shù)對(duì)接頭進(jìn)行了非破壞性的缺陷測(cè)試。結(jié)果表明，組件連接質(zhì)量良好，適合安裝在最終產(chǎn)品中。
焊接時(shí)，激光作用在金屬表面產(chǎn)生燒蝕，形成空腔結(jié)構(gòu)。同時(shí)附近的復(fù)合材料熔融，延加工方向形成熔體珠（如圖3）。重復(fù)該過程可在連接面形成特殊的幾何結(jié)構(gòu)，聚合物和金屬之間形成正連接。因此，混合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度受到焊接布置的影響，可有針對(duì)性地布置焊接點(diǎn)，以更好的匹配應(yīng)用需求。
感應(yīng)加熱技術(shù)在復(fù)合材料連接中應(yīng)用廣泛，但用于復(fù)合材料連接時(shí)多是加熱復(fù)合材料，而用于混合材料連接時(shí)，一般需要加熱金屬元件。研究人員在該項(xiàng)目中使用了連續(xù)感應(yīng)加熱技術(shù)，如圖4。當(dāng)高頻交流電流過電感器時(shí)，在其周圍形成電磁交變場(chǎng)，通過電阻和磁滯損耗在金屬中產(chǎn)生熱能。金屬被感應(yīng)加熱直至其高于熔化溫度并低于所用基質(zhì)聚合物的降解溫度。在該區(qū)域中，復(fù)合材料在與金屬的接觸點(diǎn)處熔融，并在壓力作用下填充至金屬表面形成的空腔中。
（2）激光焊接工藝過程
激光傳輸連接：通過選用特定波長(zhǎng)的激光束，通過透明度較好的聚合物材料實(shí)現(xiàn)傳輸，使其撞擊加熱的金屬表面。由于聚合物與金屬物理接觸，會(huì)因熱傳導(dǎo)而升溫并熔化。但該項(xiàng)目的玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料透明度低，激光傳輸連接不適用。
能量輸入取決于激光功率、照射持續(xù)時(shí)間和激光輻射在金屬表面上的吸收情況。項(xiàng)目組通過使用可調(diào)整光束幾何形狀和光束路徑的元件，可盡可能均勻地引入能量。此外，為達(dá)到較好的連接效果，部件通過夾緊裝置加載固結(jié)力，以實(shí)現(xiàn)聚合物在金屬表面的完全潤(rùn)濕和有效連接。
（3）熱成像質(zhì)量檢測(cè)
為實(shí)現(xiàn)工業(yè)批量化應(yīng)用，項(xiàng)目組引入了熱成像技術(shù)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。該技術(shù)借助鹵素?zé)舻裙鈱W(xué)熱源，可通過調(diào)制頻率調(diào)節(jié)檢測(cè)深度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖6。
（4）全自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)
項(xiàng)目組在各工藝的基礎(chǔ)上集成設(shè)計(jì)了全自動(dòng)生產(chǎn)線，具體如圖7。該產(chǎn)線將于2018年12月調(diào)整測(cè)試完成。據(jù)悉，該工藝除了本文研究的鋼板與玻纖增強(qiáng)PA材料的連接，還將適用于鋁、鈦、銅等金屬與纖維增強(qiáng)PP、PE或PPS等材料的連接。
