汽车轻量化设计是未来汽车产业发展的核心方向之一,金属与塑料的激光直接连接技术对汽车的轻量化设计具有重要意义。针对金属与塑料激光焊接接头强度低这一技术难题,本文利用飞秒激光加工技术在金属表面制备微结构,通过激光焊接实验和温度场仿真,开展了基于微结构的金属与塑料激光焊接的系统性研究。探究了微结构阵列类型和尺寸参数对焊接接头强度的影响规律。通过正交实验分析,探究了不同微结构参数对焊接接头强度的影响优先级。基于正交实验优选出一组微结构参数,进行了基于微结构的激光工艺参数对焊接接头强度的影响规律探究。建立了基于微结构的三维瞬态有限元模型,探究了激光与微结构耦合作用对焊接过程温度场的影响规律。主要研究内容如下:首先,进行实验材料的制备,同时对30%玻纤增强PA66的力学性能以及热物性参数进行测试。进行了飞秒激光制备表面微结构工艺探究,探究了飞秒激光工艺参数对微结构尺寸的影响规律。飞秒激光加工参数包括:激光平均功率、扫描速度、扫描次数。飞秒激光加工工艺的探究为铝合金表面微结构的加工提供了技术支持。其次,在金属表面加工出不同阵列类型的微结构后进行激光焊接,探究表面微结构对铝合金与PA66激光焊接接头强度的影响,同时对微结构阵列类型进行选优。与未经处理的铝合金相比,表面微结构加工能够有效提高铝合金与PA66的焊接接头强度。具有网状阵列微结构的焊接件获得最大焊接接头强度,最大拉伸剪切载荷为1062.26 N。焊接接头强度可达未经处理铝合金焊接件的4倍左右。表面微结构加工后,金属与塑料连接界面产生微铆接结构是焊接接头强度提升的主要原因,微铆接结构的产生增加了金属与塑料的连接区域面积。激光焊接过程中铝合金与PA66连接界面产生C-O-Al新键,新键的产生对焊接接头强度有利,金属与塑料连接面积的增加有利于增加新键产生的数量。再次,基于网状阵列微结构探究了表面微结构参数对金属与塑料激光焊接接头强度的影响规律,微结构参数包括:微结构宽度、深度以及间隔距离。结果表明,金属与塑料的焊接接头强度与熔融塑料对微结构的填充效果有关。通过正交实验直观分析法探究了各因素对焊接接头强度的影响优先级,微结构参数对激光焊接接头强度影响优先级从大到小为微结构宽度、微结构深度及微结构间隔距离。基于正交实验优选出一组微结构参数,微结构参数为:宽度200 μm、深度300 μm、间隔距离150 μm。基于该微结构参数进行了激光工艺参数对焊接接头强度的影响规律探究。研究发现,较低的激光输入能量下塑料熔融量较少,无法充分填充微结构;较高的激光输入能量使得塑料热分解产生焊接缺陷,对焊接接头强度不利。最后,建立了基于微结构的三维物理模型,进行了基于微结构的金属与塑料激光焊接过程的瞬态温度场模拟。探究了微结构对焊接过程温度场的影响、焊接过程中温度场随时间以及激光焊接工艺的变化规律。结果表明,微结构的存在降低了金属的热扩散速率,高温区域更加集中。随着激光输入能量的增加,塑料熔融区域扩大,熔融时间增加,但过高的激光输入能量使得熔融区域内部部分区域温度超过塑料热分解温度。进行了数值模拟与实验对比,验证了模拟结果的准确性。