馬晨晨

摘要：采用激光直接連接技術(shù)對(duì)鋁合金（A6061）與碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinf-orced Thermal Plastic，CFRTP）進(jìn)行連接，以接頭抗拉強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定連接參數(shù)的影響規(guī)律及最優(yōu)連接工藝。采用時(shí)效處理的方法提高接頭連接強(qiáng)度，研究時(shí)效處理參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響，揭示最優(yōu)工藝參數(shù)下接頭的連接機(jī)理。結(jié)果表明：發(fā)現(xiàn)連接界面中存在氧元素，并存在元素?cái)U(kuò)散，時(shí)效處理顯著提高了CFRTP與A6061的接頭強(qiáng)度，約為未時(shí)效處理的2倍，時(shí)效處理后界面連接緊密。

關(guān)鍵詞：鋁合金;碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料;激光連接;時(shí)效處理

0? ? 前言

鋁合金密度為2.6～3.3 g/cm3，具有比強(qiáng)度高、成型性能好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）具有質(zhì)量輕、耐疲勞、耐沖擊、剛度高等優(yōu)點(diǎn)，二者廣泛應(yīng)用于航天航空、交通運(yùn)輸、能源發(fā)展等領(lǐng)域[1-5]。CFRTP和鋁合金的連接不僅減輕了結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，并且提高了能效，在各行業(yè)引起了廣泛關(guān)注。

金屬與碳纖維復(fù)合材料有三種連接方式：機(jī)械連接、粘結(jié)、焊接。機(jī)械連接[6]是將碳纖維復(fù)合材料和金屬通過(guò)額外的緊固件（碳纖維復(fù)合材料或金屬本身制成螺釘和螺栓）進(jìn)行連接，增加了結(jié)構(gòu)件整體質(zhì)量，并且緊固件引起了嚴(yán)重的應(yīng)力集中從而削弱結(jié)構(gòu)件的連接強(qiáng)度。膠結(jié)[7-8]是利用膠黏劑將碳纖維復(fù)合材料和金屬連接成一個(gè)整體，膠黏劑與材料進(jìn)行固化反應(yīng)需要大量時(shí)間，低效率的缺點(diǎn)使得其不適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)加熱方式不同，焊接主要有超聲波焊接、電阻加熱焊、攪拌摩擦焊和激光連接。其中激光連接[9-13]作為一種非接觸、先進(jìn)高效的焊接方式，廣泛應(yīng)用于連接焊接金屬（例如不銹鋼，鋁鎂合金）與碳纖維復(fù)合材料[14-16]，其利用碳纖維復(fù)合材料中熱塑性基體材料二次熔融的特點(diǎn)，與金屬形成連接。與其他傳統(tǒng)連接技術(shù)相比，具有速度快、變形小，操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。但異種材料之間物理化學(xué)性能和組織形貌不同，連接強(qiáng)度較低。Jung等人[17]采用高質(zhì)量連續(xù)波二極管激光器連接CFRP與A5052，在0.33 mm/s的剪切速度下接頭剪力只達(dá)到3 000 N。為了獲得更高的連接強(qiáng)度，研究人員們對(duì)金屬或碳纖維復(fù)合材料表面進(jìn)行預(yù)加工處理。Zhou Zhang等人[18]在激光連接前對(duì)鋁合金表面進(jìn)行激光預(yù)處理，使鋁合金表面產(chǎn)生凸起和凹槽，當(dāng)凸起物的密度為1.11/mm2時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到39 MPa，是未預(yù)處理接頭強(qiáng)度的4倍。Jiguo Shan等人[19]對(duì)CFRP表面進(jìn)行紫外線燈輻照改性，當(dāng)輻照距離為10 mm、輻照時(shí)間為30 s時(shí)，CFRP上增加了C=O鍵和O-C=O鍵，接頭產(chǎn)生了Al-C、Al-O-C等新的化學(xué)鍵，剪切強(qiáng)度達(dá)到30.1 MPa。Zhou Zhang、Jiguo Shan等人[6]對(duì)A6061進(jìn)行陽(yáng)極氧化預(yù)處理，當(dāng)氧化時(shí)間在10～30 min時(shí)，接頭中產(chǎn)生了Al-O-PA6等新的化學(xué)鍵，最優(yōu)工藝參數(shù)下接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到41.8 MPa，是未陽(yáng)極氧化處理接頭強(qiáng)度的8倍。

文中采用光纖激光器研究A6061與CFRTP連接工藝。通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（激光功率、掃描速率、離焦量）優(yōu)化連接性能，采用時(shí)效處理提高接頭的連接強(qiáng)度，觀察分析接頭形貌，總結(jié)接頭連接機(jī)理，為以后金屬與碳纖維復(fù)合材料的激光連接技術(shù)的研究與應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

實(shí)驗(yàn)用A6061鋁合金為熱軋態(tài)鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示，機(jī)械性能如表2所示;CFRTP基體材料為PA6，物理性能如表3所示，其分子式為：

鋁合金尺寸為30 mm×40 mm×2 mm，CFRTP尺寸為3.5 mm×25 mm×10 mm。

實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備包括 ：YLS-10000-S4型連續(xù)光纖激光器，其最大輸出功率為10 000 W;SUNS UTM 4000型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行試樣拉伸試驗(yàn);GENESIS 60S型掃描電子顯微鏡、OLYMPUS BX51M型金相光學(xué)顯微鏡，分析接頭微觀形貌。

連接前用砂紙打磨鋁合金與CFRTP表面，然后放入盛有丙酮的超聲波清洗儀中清洗。CFRTP和鋁合金連接示意見(jiàn)圖1。激光照射在鋁合金上，以熱傳導(dǎo)的形式傳向下層的CFRTP，使其基體熔化，在壓力作用下形成接頭。對(duì)最優(yōu)參數(shù)下的試樣進(jìn)行時(shí)效處理，將時(shí)效處理前后的接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)比分析拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律，利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）進(jìn)行微觀形貌觀察和元素分析。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 激光功率對(duì)接頭連接強(qiáng)度的影響

在掃描速度4 mm/s、離焦量+10 mm的條件下，激光功率（600 W、700 W、800 W、1 000 W、1 200 W、1 400 W）對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響趨勢(shì)如圖2所示。結(jié)果表明，整個(gè)接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘图す夤β氏拢瑹彷斎肓康?，未達(dá)到CFRTP的基體材料熔點(diǎn)，少量熔融基體粘接在鋁合金表面和流入鋁合金空隙中，接頭強(qiáng)度較低;當(dāng)激光功率增加到1 000 W時(shí)，基體材料熔化量增大，大量基體粘接在鋁合金表面，接頭強(qiáng)度增加;當(dāng)激光功率由1 000 W增加到1 400 W時(shí)，由于激光熱輸入量過(guò)大，CFRTP表面發(fā)生熱損傷，基體材料的熔融量增加，鋁合金與CFRTP的接觸面積增大，單位面積上獲得的熱輸入量減小，接頭拉伸強(qiáng)度降低。因此，本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)激光功率參數(shù)為1 000 W。

2.2 掃描速度對(duì)接頭連接強(qiáng)度的影響

在激光功率1 000 W、離焦量+10 mm的條件下，不同掃描速度（3 mm/s、4 mm/s、5 mm/s、6 mm/s）對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響趨勢(shì)如圖3所示。結(jié)果表明，整個(gè)接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)閽呙杷俣鹊蜁r(shí)，焊接器噴嘴在試樣表面停留時(shí)間長(zhǎng)，接頭處的熱輸入量大，造成CFRTP表面材料熱損傷嚴(yán)重，使得接頭拉伸強(qiáng)度降低;當(dāng)掃描速度增大時(shí)，接頭處的熱輸入量降低，CFRTP的基體材料粘接在鋁合金表面和進(jìn)入鋁合金空隙中，接頭連接強(qiáng)度增強(qiáng);當(dāng)掃描速度繼續(xù)增大時(shí)，接頭吸收熱輸入量不足，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，接頭強(qiáng)度降低。因此，本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)掃描速度參數(shù)為4 mm/s。

2.3 離焦量對(duì)接頭連接強(qiáng)度的影響

在激光功率1 000 W、掃描速度4 mm/s的條件下，不同離焦量（5 mm、10 mm、15 mm、20 mm）對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響趨勢(shì)如圖4所示。結(jié)果表明，整個(gè)接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)離焦量較小時(shí)，激光輻射面積小，單位面積上獲得的熱輸入量較大，基體熔融鋪開(kāi)，鋁合金與CFRTP的接觸面積增大，單位面積上獲得的熱輸入量減小，拉伸強(qiáng)度降低;當(dāng)離焦量增大到+10 mm時(shí)，輻射面積增大，接頭強(qiáng)度提高;當(dāng)離焦量繼續(xù)增大時(shí)，單位CFRTP接收了少量熱量而出現(xiàn)焊不透的現(xiàn)象，接頭強(qiáng)度降低。因此，本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)離焦量參數(shù)為+10 mm。

2.4 氣泡對(duì)接頭連接強(qiáng)度的影響

鋁合金與CFRTP接頭形貌如圖5所示?？梢钥闯?，焊縫界面處產(chǎn)生了大小不一的氣泡，這是因?yàn)樵谶B接過(guò)程中部分表層的基體材料受熱分解產(chǎn)生的氣體來(lái)不及逸出而聚集在CFRTP中，這些離散的氣泡在連接過(guò)程中壓迫周?chē)廴诨w材料，使其流入帶有空隙的鋁合金中，在一定程度上加強(qiáng)了鋁合金與CFRTP的連接，增大了接頭強(qiáng)度。王強(qiáng)[11]在碳纖熱塑復(fù)合材料與不銹鋼激光連接實(shí)驗(yàn)中，對(duì)焊縫區(qū)域氣泡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)連接區(qū)域氣泡較少時(shí)，焊縫強(qiáng)度較低，且存在碳纖熱塑復(fù)合材料熔融不充分、不銹鋼與碳纖熱塑復(fù)合材料連接不緊密的缺陷。當(dāng)連接區(qū)域有適量氣泡時(shí)，焊縫界面連接緊密，連接強(qiáng)度達(dá)到11.75 MPa。說(shuō)明氣泡的產(chǎn)生不是降低連接接頭強(qiáng)度的原因，相反產(chǎn)生適量的氣泡在一定程度上可以提高接頭的連接強(qiáng)度。

2.5 時(shí)效處理對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

對(duì)最優(yōu)參數(shù)下的試樣進(jìn)行時(shí)效處理（時(shí)效處理時(shí)間分別為0 h、12 h、24 h、48 h、96 h、144 h，時(shí)效處理溫度180 ℃、210 ℃、230 ℃），探討時(shí)效處理參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響。時(shí)效處理溫度為180 ℃，不同時(shí)效處理時(shí)間的接頭拉伸強(qiáng)度趨勢(shì)如圖6所示?？梢钥闯?，接頭的拉伸強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先增大再減小再增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)榻宇^經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，CFRTP部分基體材料二次熔融，再次流入鋁合金空隙中，加強(qiáng)了機(jī)械連接。并且CFRTP經(jīng)過(guò)高溫時(shí)效處理后，力學(xué)性能降低，接頭強(qiáng)度高于CFRTP第一層碳纖維與第一層基體材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，接頭拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)時(shí)效處理時(shí)間延長(zhǎng)，CFRTP進(jìn)一步軟化，鋁合金與CFRTP接觸面積增大，但接頭結(jié)合力主要來(lái)自激光連接，時(shí)效處理所增強(qiáng)的結(jié)合力較弱，所以出現(xiàn)時(shí)效處理的時(shí)間延長(zhǎng)但接頭強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。

不同時(shí)效處理溫度和時(shí)效處理時(shí)間下接頭拉伸強(qiáng)度如圖7所示。可以看出，3種溫度下拉伸強(qiáng)度的最大值隨著溫度的增加逐漸降低，整體的拉伸強(qiáng)度隨著時(shí)效處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著時(shí)效處理溫度的升高，接近或超過(guò)基體材料熔點(diǎn)，基體材料熔融鋪開(kāi)，鋁合金與CFRTP接觸面積增大，單位面積下熱輸入量降低，并且隨著溫度的增加，焊縫界面不穩(wěn)定引起連接界面氣泡破碎，氣泡數(shù)量減少使得接頭強(qiáng)度降低。姜峰[20]等人對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸試樣件進(jìn)行室溫環(huán)境下1個(gè)月、8個(gè)月和13個(gè)月的時(shí)效處理，采用差示掃描量熱法對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行固化度測(cè)試。結(jié)果表明，拉伸斷裂強(qiáng)度、拉伸屈服強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低。李赟[21]等人在研究微氣泡形成過(guò)程及溫度影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著過(guò)熱度增大，相界面不穩(wěn)定而引起氣泡破碎。吳秋寧[22]等人觀察竹粉/塑料試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，水熱處理試樣后，試樣表面會(huì)產(chǎn)生較大裂紋，力學(xué)性能明顯降低，采用常溫水浴處理，試樣表面產(chǎn)生微裂紋，力學(xué)性能呈現(xiàn)先升后降再升高的趨勢(shì)。

最優(yōu)連接參數(shù)下時(shí)效處理0 h、180 ℃×12 h、230 ℃×12 h的焊縫電鏡掃描形貌如圖8所示。可以看出，時(shí)效處理0 h與230 ℃×12 h的連接界面有空隙，時(shí)效處理180 ℃×12 h連接界面連接緊密，且在時(shí)效處理230 ℃×12 h下，界面出現(xiàn)斷裂。

3 界面連接機(jī)理分析

關(guān)于金屬與碳纖維熱塑性復(fù)合材料的連接機(jī)理，多采用機(jī)械結(jié)合理論、化學(xué)鍵生成理論、吸附理論等來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明[14-19]。最優(yōu)參數(shù)下焊縫界面SEM如圖9所示?？梢钥闯?，部分熔融的CFRTP流入鋁合金空隙中，類似于鉚接，增強(qiáng)了接頭的拉伸強(qiáng)度。

最優(yōu)參數(shù)下試樣接頭斷裂面形貌如圖10所示。圖10a中鋁合金的斷口表面有殘留基體材料，圖10b中CFRTP的碳纖維沿著拉伸方向撕裂，圖10c中CFRTP的斷口面存在拉伸變形，圖10d中的CFRTP部分碳纖維裸露。從微觀形貌觀察中可以看出鋁合金與CFRTP具有良好的連接接頭。

為進(jìn)一步研究鋁合金與CFRTP界面連接機(jī)理，采用EDS進(jìn)行元素點(diǎn)分析，結(jié)果如圖11所示。由圖11b可知，C元素含量自CFRTP至鋁合金一側(cè)逐漸降低，由96%降至37%，Al元素含量自CFRTP至鋁合金一側(cè)逐漸增高，由3%升至53%，說(shuō)明焊縫存在元素?cái)U(kuò)散。同時(shí)焊縫界面存在O元素，含量最高可達(dá)23%。將時(shí)效處理前后的焊縫O元素含量進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖11c），時(shí)效處理180 ℃×12 h的界面O元素含量比未時(shí)效處理的O含量多，說(shuō)明時(shí)效處理增加了連接界面的O元素。由此可以推斷，鋁合金中的Al元素與CFRTP中的C以及O發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng)，生成了C-O-Al或C-O等形式的鍵合，從而加強(qiáng)了接頭強(qiáng)度。關(guān)于驗(yàn)證接頭可能產(chǎn)生的化學(xué)鍵，將在進(jìn)一步的研究中進(jìn)行闡述。

4 結(jié)論

以A6061鋁合金與CFRTP作為研究對(duì)象，研究時(shí)效處理對(duì)激光焊接接頭性能的影響，比較時(shí)效處理前后接頭的連接強(qiáng)度，揭示其連接機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)鋁合金與CFRTP的高質(zhì)量連接。得到以下結(jié)論：

（1）激光功率、掃描速度和離焦量對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律均是先增加再下降。最佳工藝參數(shù)為功率1 000 W、速度4 mm/s、離焦量+10 mm。通過(guò)EDS分析連接界面，發(fā)現(xiàn)存在元素?cái)U(kuò)散、界面有O元素產(chǎn)生的現(xiàn)象。

（2）連接界面處產(chǎn)生了大小不一的氣泡，加強(qiáng)了鋁合金與CFRTP的連接。對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效處理發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)效處理溫度的增加，其強(qiáng)度最大值呈逐漸遞減的趨勢(shì)，隨著時(shí)效處理時(shí)間的增加，強(qiáng)度呈先增加再降低的趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)效處理參數(shù)為180 ℃×12 h，接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值16 MPa，界面連接緊密，并且時(shí)效處理增加了焊縫界面的O元素。

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