仪表板横梁的铝—塑复合表面界面连接技术

在“以塑代钢”的技术趋势下，金属和塑料已成为相互竞争的材料。但是将一种材料嵌入到另一种材料中，实现混合和嵌入的创新材料的将是非常有前景的设计方法。高性能塑料--金属混合结构多是将金属板件与高性能塑料通过注塑成型，可同时汇集两种材料的优势，多用在承载较大的结构件中。混合部件的制作不仅包含金属材料的铸造成型，还有金属件和塑料的组装技术。在混合成型过程中金属件和塑料材料的铺设和结合方式是需要关注的关键技术。

塑料--金属结构件可通过结构设计实现最佳的应力分布，同时由于塑料材料具有高弹性，赋予了部件出色的抗冲击性。此外，与纯金属部件相比，塑料--金属结构还具有明显的成本和重量优势，且可实现集成化设计。

该技术在汽车仪表板支架、前端模块等部位上具有较好的应用前景。在金属与塑料材料的结合方面，传统方法多采用紧固件连接。而最新的研究表明，通过合适的粘合剂粘合，可明显提高部件的刚度和强度：弯曲和扭转强度可提高45%，扭转刚度是紧固连接件的2倍。此外，也有将金属板加热到塑料熔化温度实现粘合的研究，但其温度适应性较差。目前，针对耐久性粘合剂的研发主要集中在开发底漆层以促进粘合。

德国ExtraLight项目研究了一直通过在金属部件添加微结构来增强粘附性的方法。在加工过程中，塑料穿透金属部件的预加工区域，然后通过微型封闭件与其连接。

金属件的激光加工工艺

为了生成所需的切削结构并以节能的方式实施该过程，选择了一种结合熔体和蒸汽烧蚀的方法，该方法也可用于切割或钻孔。主要是利用由蒸汽反冲压力引发的熔体喷射来形成压痕。

通过高强度激光作用，部分熔体脱离，以液滴形式形成喷射。采用TruMicro7050和TruMicro7240激光器，脉冲持续时间从几ns到几ms，强度超过100W / cm2.

切削结构可以在钢材上实现生产，熔覆速率在0.2-1.25cm2/s之间（对于6mm结构宽度，速度为20.8mm/ s），例如图1。对于铝合金材料，甚至可以实现高达3cm2/s的更高熔覆速率。

塑料--金属复合材料的表征

为更好的研究不同强度和不同应力下的结合强度表现，选取了40×70mm的片材，在注射成型中嵌入，过程中对以下参数进行研究：

片材的厚度（在1至2毫米的范围内）加强件的几何形状（厚度为2或4毫米）连接件的几何形状（基础几何形状）。

测试体和基座连接的变化如图2所示。

将待测片材固定到模具上，然后通过线圈的热感应进行加热控制和分析，如图3。嵌件的加入延迟了塑料熔体的固化时间，更有利于树脂的填充。由于结构件尺寸较大，复合材料的纤维增强体也可能进入压痕，如图4所示。

分别在-40℃，室温、80℃（PP）以及90/100℃条件下，对材料的拉伸断裂强度及剪切强度进行测试。图5给出了不同金属嵌件混合材料的力学性能表现，由图可知，相较于钢板和铝合金，镁合金混合材料的力学性能更佳。

在实际应用中，金属和塑料元件的连接点往往要承受多方向的应力，因此开发了一种名为“Berlintestbeam”的测试结构件。其具有复杂的几何形状，但可以通过简单的方法进行弯曲和扭转测试。该部件只有框架是金属的，使得复合材料完全依赖于塑料和金属之间的结合，具体如图6。

模具包括三个热流道，各浇口点可单独或组合使用，从而测试各种填充场景对复合材料强度的影响。还使用开口喷嘴，以减小长纤维增强复合材料成型过程中对纤维的损伤，通过热感应器精确调整加热温度。

测试结果表明，聚合物芯和外层板板之间的粘合是决定部件整体刚性的关键因素，具体见图7。图8给出了各种部件的扭转试验结果。（测试塑料来自SABIC的LNPVERTON RV00AESP（PA66LGF50），下文缩写为Verton，铝为AlMg3,3.3535，板厚1毫米。）

可以看出，片材本身的扭转刚度较小，而聚合物具有较好的柔韧性。若二者之间没有粘合，其扭转刚度仅是二者的叠加。若二者粘合，则会出现完全不同的载荷曲线，具有更高的扭转刚度，且材料仅在最大转角时发生失效。

如图9所示，金属和塑料之间的连接完好，而金属部件变形明显，在超过拉伸断裂点处聚合物下侧出现明显裂缝。

应用检测

研究人员通过奔驰MFA1平台设计制造了塑料- 金属混合结构（PA-GF60/ Al）仪表板横梁，如图10所示。塑料与金属间的连接在聚酰胺成型过程中实现，采用激光热处理技术实现自动化批量处理。

采用Trumpf（通快）激光器实现GEO2和GEO3两个位置的连接。按照DINISO1110标准进行热老化试验：在室温、-30℃和100℃下调节十个温度，每两小时循环一次。对GEO3位置的连接表面还进行了机械疲劳测试：以2.8Hz频率，共进行380,000次循环。为表征机械强度，在相应的GEO2和GEO3位置锯出圆形段，并且在管道方向上以2mm/ min的速度剪切塑料部件。结果如图11所示：式样的最低强度为10N/ mm2，结构方向对式样的强度水平影响较大。在适当范围内，部件承受热应力和机械应力不会导致强度下降。