由于碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）具有很高的強(qiáng)度對(duì)重量比（strength-to-weight ratio）、出色的抗腐蝕性能和優(yōu)良的疲勞性能，因而受到了極大的關(guān)注，上述特點(diǎn)讓這種材料適合用在飛機(jī)、汽車和其他產(chǎn)品中。汽車工業(yè)對(duì)熱塑性碳纖維增強(qiáng)塑料尤其感興趣，因?yàn)樗型s短生產(chǎn)時(shí)間。
將塑料或碳纖維增強(qiáng)塑料與金屬接合在一起，通常需要使用膠粘劑或螺栓、鉚釘?shù)葯C(jī)械工具。然而， 這些接合工藝有幾種不足之處，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放的環(huán)境限制、粘合時(shí)間較長，螺釘或鉚釘也會(huì)增加重量。因此，Seiji Katayama教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出激光輔助直接焊接金屬和塑料（LAMP）的技術(shù)。通過使用連續(xù)波（CW）Nd：YAG激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器或碟片激光器等，該技術(shù)能迅速而牢固地將諸如鋼、不銹鋼、鋁合金在內(nèi)的金屬與工程熱塑性塑料（例如聚酰胺PA、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC）接合起來。
LAMP焊接技術(shù)可以牢固地將碳纖維增強(qiáng)塑料片材和304不銹鋼板焊接在一起，其中使用CW碟片激光器在金屬上生成不焊透焊縫。圖1顯示了聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強(qiáng)塑料片材與304不銹鋼板之間的激光搭接接頭在做拉伸剪切試驗(yàn)前、后的情況。其中，碳纖維增強(qiáng)塑料片材厚度為3mm、寬度為20mm， 具有較長的碳纖維，不銹鋼板厚度為3mm、寬度為30mm。橫截面的照片（見圖1中的插圖）顯示了不銹鋼中淺層小孔形成的激光焊道。此外，熔化區(qū)廣泛分布在碳纖維增強(qiáng)塑料片材中靠近接合面的區(qū)域。在圖1b中，我們可以觀察到黑色的碳纖維增強(qiáng)塑料片材粘結(jié)在304不銹鋼板的底表面。特別是，粘結(jié)的碳纖維增強(qiáng)塑料部分主要根據(jù)激光焊道下的不銹鋼板而識(shí)別出來。在碳纖維增強(qiáng)塑料片材的接合面中也能看到不銹鋼的部分。上述事實(shí)表明形成牢固的焊接接頭是可行的。
圖2顯示了在不同碟片激光輻照條件下對(duì)接頭進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)的結(jié)果。結(jié)果表明，接頭的拉伸剪切負(fù)荷（強(qiáng)度）約為4800N（20mm寬的碳纖維增強(qiáng)塑料），這一結(jié)果是在功率為2 kW 和5 mm/s的試驗(yàn)速度的情況下得出，高于碳纖維增強(qiáng)塑料板的拉伸剪切負(fù)荷的一半。30mm寬、3mm厚的PA塑料片材與304不銹鋼板之間接頭的拉伸剪切負(fù)荷約為3400N。從中我們可以判斷，20mm寬的碳纖維增強(qiáng)塑料和304 不銹鋼板之間接頭的負(fù)荷要遠(yuǎn)高于30mm寬的PA塑料片材與鋼板間的接頭。因此，通過在具有更長碳纖維的聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強(qiáng)塑料片材和304不銹鋼板之間形成搭接接頭，可以得到的負(fù)荷。
圖3為碳纖維增強(qiáng)塑料片材和304不銹鋼板之間接頭接合面的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。許多亞毫米大小的氣泡不規(guī)則地分布在碳纖維周圍的塑料基體中，這是由激光焊接過程中溶池的高溫引起的熱傳導(dǎo)造成的。據(jù)證實(shí)，碳纖維增強(qiáng)塑料中氣泡的幾何特征主要取決于塑料和碳纖維的疊合形狀，以及傳導(dǎo)熱量的水平和碳纖維的長度。據(jù)悉，與普通塑料相比，碳纖維增強(qiáng)塑料中更容易形成氣泡。對(duì)普通塑料來說，氣泡只形成在界面附近；而在碳纖維增強(qiáng)塑料中，由于纖維表面與基體之間的不穩(wěn)定以及碳纖維具有較高的熱導(dǎo)率，所以氣泡廣泛分布在塑料基體中。