方立高，夏 春，李建萍

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院， 江西 南昌 330063）

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊研究

方立高，夏 春，李建萍

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院， 江西 南昌 330063）

利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的焊接，獲得了焊接接頭力學(xué)性能并分析了接頭形成和斷裂機(jī)制。結(jié)果表明，由于攪拌摩擦焊過程中攪拌針的摩擦剪切及對塑化材料的擠壓作用，使樹脂基體發(fā)生塑化并帶動碳纖維遷移形成焊接接頭，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950 r/min，焊接速度38 mm/min時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到52.43 MPa，接近母材強(qiáng)度的51%，焊接接頭的斷裂機(jī)制主要為基體剪切斷裂和纖維-基體界面脫粘。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；攪拌摩擦焊；力學(xué)性能

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗疲勞斷裂性能好，耐腐蝕，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好，便于大面積整體成形以及特殊的電磁性能等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為繼鋁、鋼、鈦之后迅速發(fā)展的第四大航空結(jié)構(gòu)材料，其用量被認(rèn)為是評價(jià)飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志，也是我國航空工業(yè)發(fā)展的迫切需求[2,3]。可以預(yù)見，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)中將不可避免地需要實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的連接。目前常的連接方法有膠接、機(jī)械連接。膠接接頭強(qiáng)度低、性能可重復(fù)性差，受環(huán)境和人為因素影響大。機(jī)械連接給接頭引入了缺陷，在連接部位容易形成應(yīng)力集中，使得材料的性能降低，另外連接件的加入使接頭的重量增加，不能滿足航空航天對材料的苛刻要求。因此，對纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的焊接技術(shù)研究很有必要。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是英國焊接研究所（The Welding Institute，簡稱TWI）于1991年發(fā)明的一種新穎而有潛力的焊接方法，被譽(yù)為“世界焊接史上的第二次革命”。與傳統(tǒng)焊接方法相比，攪拌摩擦焊的熱源來自攪拌頭與工件間的摩擦，具有接頭質(zhì)量高、焊接過程綠色和焊接變形小、無污染等優(yōu)點(diǎn)[4]。在國內(nèi)外引起了廣泛的重視，取得可喜進(jìn)展，但主要都限于金屬或金屬基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用方面。本文采用攪拌摩擦焊技術(shù)對纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行焊接，在焊接工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研究其組織性能，以期為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)上的擴(kuò)展應(yīng)用提供技術(shù)儲備。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)選用的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為 2.5 mm厚的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CF-PEEK）板材。

使用自制的龍門式數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁笝C(jī)和工裝夾具進(jìn)行攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，選用左螺紋攪拌針，攪拌頭軸肩直徑12 mm，攪拌針直徑3 mm、長度2.3 mm。焊接過程中，軸肩下壓兩固定為0.15 mm，旋轉(zhuǎn)速度ω和焊接速度ν分別在475至1 180 r/min、24至60 mm/min范圍內(nèi)調(diào)整。

焊后，沿焊縫橫截面截取并制備金相試樣后，在4XB-TV型倒置金相顯微鏡上進(jìn)行光學(xué)顯微觀察。

力學(xué)性能試樣按圖 1的位置進(jìn)行截取，利用WDS-100電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸的應(yīng)變速率為1mm/min，每種焊接規(guī)范取3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸，取其平均值為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 接頭拉伸試樣截取示意圖Fig.1 Scheme of tensile sample interception

為分析接頭斷裂機(jī)制，將拉伸斷口噴金處理后用FEI QUANTA200型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1為攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對接頭拉伸強(qiáng)度的影響。由表可見，當(dāng)焊接速度為45 mm/min時(shí)，隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的提高，接頭強(qiáng)度先增大后減小，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950 r/min時(shí)，強(qiáng)度最大，為43.94 MPa；旋轉(zhuǎn)速度950 r/min時(shí)，隨焊接速度的增大，接頭強(qiáng)度先小幅度增大，然后大幅度減小，在焊接速度38 mm/min時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值52.43 MPa，接近母材強(qiáng)度（103 MPa）的51%。

表1 攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of friction stir welding process parameters on joint strength

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接接頭和其它材料一樣，在接頭各區(qū)域有明顯微觀形貌差異。在攪拌摩擦焊過程中，接頭各個(gè)區(qū)域受到攪拌頭不同的熱和力作用，使得其微觀組織形態(tài)有不同的變化。圖2為接頭橫截面形貌分區(qū)示意圖，將接頭分為三個(gè)區(qū)：焊核區(qū)、軸肩作用區(qū)和熱力影響區(qū)。焊核區(qū)為焊接時(shí)攪拌針?biāo)诘奈恢?，此處材料主要受到攪拌針的摩擦熱和?qiáng)烈攪拌作用；熱力影響區(qū)緊靠著焊核區(qū)，區(qū)域很窄，受到的來自攪拌針的摩擦熱以及擠壓力都不及焊核區(qū)大；軸肩作用區(qū)是與軸肩緊密接觸的區(qū)域，位于焊核區(qū)上方，其受到來自軸肩的摩擦熱和頂鍛力作用較多，此區(qū)域在焊接過程中得到的熱量最多且溫度最高。

圖2 攪拌摩擦焊接頭分區(qū)Fig.2 Zone of friction stir welding joint

圖3為典型的焊接接頭各區(qū)域微觀形貌。母材中碳纖維較為均勻且按照一定的取向分布在基體中，由于熱模壓成形導(dǎo)致較多的氣孔（圖 3a）。焊核區(qū)分布有很多雜亂無章的長條狀碳纖維，表明焊接過程中，受攪拌針的摩擦剪切及塑化材料的擠壓作用，樹脂基體得到較充分塑化并帶動碳纖維遷移，塑化材料在攪拌針的作用下流動充分，在攪拌針后方填實(shí)，形成焊接接頭并使母材原來存在的氣孔缺陷消除，接頭致密程度有所提高（圖 3b）。前進(jìn)邊的熱力影響區(qū)易產(chǎn)生缺陷，是接頭強(qiáng)度的薄弱部位，從圖3c中可以看出，在前進(jìn)邊熱力影響區(qū)與母材的交界面形成了缺陷。這是當(dāng)前進(jìn)邊的材料不斷地轉(zhuǎn)移到返回邊時(shí)，由于碳纖維的影響，使塑化材料的遷移受阻，以至于在攪拌針后方前進(jìn)邊留下的空缺未能及時(shí)地被來自返回邊的塑化材料填充。

圖3 焊接接頭各區(qū)域的微觀形貌Fig.3 Micromorphology of friction stir welding joint

圖4分別為復(fù)合材料和接頭的拉伸斷裂形態(tài)，圖中垂直虛線為攪拌針的中心線所在位置，垂直實(shí)線為攪拌針的輪廓所在位置。

圖4 典型的拉伸斷裂形態(tài)Fig.4 Typical tensile fracture morphology

如圖可見，復(fù)合材料沿垂直于載荷方向發(fā)生正斷，而接頭試樣均斷裂在前進(jìn)邊熱力影響區(qū)與母材的交界處。

圖5為母材斷口處的SEM照片。根據(jù)裂紋擴(kuò)展所發(fā)生的區(qū)域，可以將復(fù)合材料的微觀斷裂機(jī)制分成纖維斷裂、纖維-基體界面脫粘和基體剪切斷裂[5]。

圖5 母材的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of base material

從圖中可以看出，在斷口的中心區(qū)域，碳纖維基本垂直于斷口發(fā)生斷裂；在母材近表面區(qū)域觀察到側(cè)面裸露的碳纖維，纖維之間的樹脂呈現(xiàn)傾斜的臺階狀河流花樣，河流的流向大體相互平行，并與碳纖維近似垂直。從河流花樣的流向可知，裂紋產(chǎn)生在纖維-樹脂界面并沿界面快速擴(kuò)展后向樹脂基體擴(kuò)展，由于在基體上的微紋總是沿著能量消耗最少的路徑擴(kuò)展，所以河流的流向總是垂直于界面，向基體內(nèi)部延伸，復(fù)合材料的斷裂機(jī)制主要為纖維-基體界面脫粘。

圖6為接頭斷口處SEM照片，與母材的斷口照片相比，在斷口中心區(qū)域觀察到的碳纖維較少，樹脂基體的形貌是河流花樣，此時(shí)裂紋在基體中擴(kuò)展發(fā)生基體剪切斷裂。經(jīng)過攪拌摩擦焊接后的接頭碳纖維與基體的潤濕更好，具有更高的界面結(jié)合力，使得裂紋更容易在基體中擴(kuò)展發(fā)生破壞；在斷口近表面區(qū)域與母材的斷裂形貌相同，屬于纖維-樹脂界面脫粘。

圖6 接頭的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of friction stir welding joint

3 結(jié) 論

（1）利用攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)CF-PEEK纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的焊接，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950 r/min，焊接速度38mm/min時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到52.43 MPa，接近母材強(qiáng)度的51%。

（2）攪拌摩擦焊過程中，攪拌針的摩擦剪切及對塑化材料的擠壓作用，使樹脂基體塑化并帶動碳纖維遷移形成焊接接頭。

（3）CF-PEEK纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料接頭的斷裂機(jī)制不同于母材，主要為基體剪切斷裂和纖維-基體界面脫粘。

［1］Robert W., Messler Jr．Joining composite materials and structures: some thought-provoking possibilities [J]．Journal of Thermoplastic Composite Materials，2004，17(1)：51-75.

［2］張曉明，劉雄亞．纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料及其運(yùn)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］Brown A．S．Thermoplastic Composites-Material of the 90’[J].Aer ospace America, 1990：28-33．

［4］Ma Z．Y．Friction Stir Processing Technology：A Review[J]．Metallurgical and Materials Transactions A，2008，39(3)：642-658．

［5］Derek Hull. 斷口形貌學(xué) [M].李曉剛,譯. 北京：科學(xué)出版社，2009．

Research on of Friction Stir Welding of Fiber Reinforced Resin Matrix Composites

FANG Li-gao，XIA Chun，LI Jian-ping
（School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Jiangxi Nanchang 330063, China）

Fiber reinforced resin matrix composites were welded by friction stir welding process, and the joint formation and fracture mechanism were studied. The results show that well welded joint can be obtained when the resin is fully plasticizing migrated, which is attributed to the extrusion of friction for the friction stir needle and squeezing effect of plasticizing material; Joint strength of 52.43 MPa can be achieved, and approximately 51% of the base material, when the rotational speed is 950 r/min, welding speed is 38mm/min. The micro-fracture mechanism of the joint is the matrix shear fracture and interfacial debonding of fibre and the matrix.

Fiber reinforced resin matrix composites; Friction stir welding; Mechanical property

TB 33

A

1671-0460（2014）12-2483-03

航空科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號：2010ZE560。

2014-11-24

方立高（1955-），男，江西上猶人，副研究員，研究方向：功能材料。E-mail：3002@nchu.edu.cn。