（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201）

碳纖熱塑復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Thermal Polymers,CFRTP）具有比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、耐熱性好等特點[1]，在無人機制造、航空航天、國防、軍工、汽車輕量化上有著良好的應(yīng)用前景。

纖維增強熱塑性復(fù)合材料的用量已成為飛機先進性的一個重要標(biāo)志，也是我國航空工業(yè)發(fā)展的迫切需求[2]。目前國內(nèi)外新研制的飛機不但在水平安定面、副翼、垂尾等結(jié)構(gòu)采用了復(fù)合材料，而且機身、機翼翼盒等主結(jié)構(gòu)也采用復(fù)合材料，使得結(jié)構(gòu)一體化程度提高，系統(tǒng)安裝較為簡單，減少了零部件數(shù)，縮短了總裝時間[3]。在全球最大飛機A380的機身上，22%質(zhì)量的部件采用了碳纖維復(fù)合材料（見圖1），燃油的經(jīng)濟性直接比其競爭機型降低了13%左右[4-5]。

無人機上復(fù)合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的，復(fù)合材料直接應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)上對減輕空機身質(zhì)量、增加有效載荷、提高安全性和隱身性具有重要的作用[6]。國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰(zhàn)飛機等），無一例外地大量使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有些甚至是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（見圖2）；在汽車輕量化制造領(lǐng)域，這也是能源汽車輕量化的必由之路，用CFRTP取代鋼體車身，汽車將減重60%，燃油利用率將超過30%[7]。

由于受到成型模具的限制，復(fù)雜CFRTP構(gòu)件一般通過多個零部件連接而成，而接連接頭部位又往往是整個結(jié)構(gòu)件最薄弱的部分，接頭的質(zhì)量將直接決定CFRTP構(gòu)件的疲勞強度和使用壽命。實現(xiàn)CFRTP材料高質(zhì)量的連接是其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

當(dāng)前CFRTP最常用的連接方法有機械連接、膠結(jié)、焊接等。其中，焊接利用了CFRTP基體材料熱塑性樹脂二次熔融的特點，通過加熱熔融連接界面，使樹脂分子擴散完成連接。該方法連接界面與基體材料有良好的相容性，連接強度和環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于膠結(jié)方法，連接件的應(yīng)力分布比機械連接更均勻，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且焊接工藝時間短，便于實現(xiàn)自動化[8]。當(dāng)前，CFRTP最常用的焊接方式有電阻植入焊、電磁感應(yīng)焊、超聲焊接等，國內(nèi)外的學(xué)者在這3種焊接技術(shù)上進行了大量的研究[9-16]。電阻植入焊工藝簡單、設(shè)備靈活、不需要表面處理，但焊接頭引入額外的物質(zhì)降低了疲勞性能和電氣性能的均勻性，邊緣熱效應(yīng)問題限制了一次可焊面積；電磁感應(yīng)焊可以進行連續(xù)的焊接，不足的是植入材料成本高，填充材料影響焊接強度，而且難以焊接具有復(fù)雜焊接面的結(jié)構(gòu)；超聲焊效率高、接頭強度高，但是存在導(dǎo)能筋制作困難和一次可焊面積小的局限。

近年來，激光加工技術(shù)得到了長足的發(fā)展，已經(jīng)在半導(dǎo)體電子、汽車制造、冶金、材料加工等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，被譽為“未來制造業(yè)的共同加工手段”。作為一種非接觸式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接強度高、振動應(yīng)力小、適合焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等優(yōu)勢，在CFRTP的焊接上具有良好的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對CFRTP激光焊接技術(shù)開展了一些探索性研究，主要包括激光穿透焊接技術(shù)、激光直接連接技術(shù)及其他創(chuàng)新型方法。

圖2 復(fù)合材料制造的無人機Fig.2 CFRP unmanned aerial vehicles

激光穿透焊接技術(shù)

激光穿透焊接的原理如圖3[17]所示，紅外激光（波長一般為800～1020nm）穿過一個透明樹脂，被另一個待焊接樹脂吸收，吸收的激光能量轉(zhuǎn)化為熱能使結(jié)合面樹脂材料熔融，進而擴散結(jié)合形成焊接接頭。這種方法適合進行CFRTP與透明材料之間的焊接/連接，如玻璃纖維復(fù)合材料、透明熱塑性塑料、玻璃等。

針對這種焊接方法，國內(nèi)外學(xué)者在焊接理論和工藝優(yōu)化方面進行了一系列研究。Mayboudi等[17]在對樹脂激光穿透焊接機理進行分析的基礎(chǔ)上，建立了焊接傳熱數(shù)學(xué)模型，并利用有限元方法實現(xiàn)了焊接溫度場的預(yù)測。Akueasseko等[18-20]利用數(shù)值模擬方法對焊接過程進行了理論模擬，并對樹脂材料的光學(xué)、熱力學(xué)性能進行了檢測分析。江蘇大學(xué)Liu等[21-24]利用有限元方法研究了焊接工藝參數(shù)對熔寬、熔深的影響規(guī)律，并對PA66樹脂的激光穿透焊接進行了工藝試驗，發(fā)現(xiàn)上下層材料的熔融結(jié)合作用程度和焊接缺陷（燒蝕和氣泡）是影響接頭力學(xué)性能和失效形式的主要因素，同時研究了焊接參數(shù)對焊接強度的影響規(guī)律，并利用激光穿透焊接方法實現(xiàn)了PET樹脂與304L不銹鋼的連接。Jaeschke等[25]利用激光穿透焊接技術(shù)實現(xiàn)了玻璃纖維增強熱塑復(fù)合材料與CFRTP之間的焊接，并研究了激光工藝參數(shù)對焊縫形成的影響規(guī)律。Acherjee等[26]利用表面響應(yīng)法研究了工藝參數(shù)對焊接強度、焊縫寬度的影響規(guī)律。雷劍波[27]和Wang[28]等分別對激光穿透焊接工藝規(guī)律以及焊接區(qū)形貌和拉伸性能進了研究。Aden等[29]對炭黑和氧化銦錫涂層對激光吸收特性及其對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)涂敷氧化銦錫涂層的焊接強度大于涂敷炭黑涂層的情況。同時也有學(xué)者在不使用吸收涂層的情況下，通過把激光聚焦在接合面，利用焦點位置的高能量來融化界面樹脂，完成透明樹脂之間的焊接[30]。

圖3 CFRTP（樹脂）的激光穿透焊接原理Fig.3 Principle of CFRTP（plastics）laser transmission welding

中科院寧波材料所對熱塑性樹脂的激光穿透焊接機理進行了研究，提出體熱源與面熱源相結(jié)合的激光熱源模型建立方法，使理論計算結(jié)果與實際更加接近，并成功實現(xiàn)了對焊縫寬度、深度的理論預(yù)測。通過理論分析和試驗研究找到了焊接參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律（見圖4）[31-32]。

圖4 熱塑性樹脂材料的激光穿透焊接數(shù)值模擬Fig.4 Numerical simlation of laser transmission welding of thermal plastics

該技術(shù)在熱塑性塑料的焊接上已經(jīng)比較成熟，并在多種熱塑性塑料器件的焊接上得到應(yīng)用。近年來，歐洲的 Leister、Rofin、Bielomatik、Branson等公司及美國的相關(guān)公司相繼推出了基于激光穿透焊接技術(shù)的塑料焊接專用激光設(shè)備。瑞士的Leister公司開發(fā)了一種Golob焊接技術(shù)[33-34]，并集成一套無需夾具夾持的焊接系統(tǒng)，為塑料焊接技術(shù)從二維平面向三位空間發(fā)展奠定了基礎(chǔ)（見圖5）。許多塑料生產(chǎn)商也積極研究開發(fā)有助于改善激光透射率和吸收率的新材料，推出了多種能透過激光的黑色原料配方，并發(fā)明了對可見光透明但對近紅外光吸收良好的Clearweld吸收劑[35]，可以進行透明塑料之間的焊接。目前，激光穿透焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在歐洲地區(qū)的汽車塑料制造業(yè)中，如汽車車燈、進氣歧管、電子鎖、安全氣囊傳感器及車內(nèi)塑料制品的焊接，都應(yīng)用到塑料激光焊接技術(shù)。

圖5 激光穿透焊接技術(shù)的應(yīng)用Fig.5 Application of laser transmission welding technology

激光穿透焊接方法能夠?qū)崿F(xiàn)透明樹脂之間，透明樹脂與CFRTP或不透明樹脂之間，以及透明樹脂與金屬材料之間的焊接（連接）。前期的研究已經(jīng)在理論和工藝上證實了該方法的可行性，而如何有效減少/避免焊接缺陷，提高接頭的疲勞壽命則是未來研究需要關(guān)注的重點。

激光直接連接技術(shù)

激光直接連接技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種實現(xiàn)金屬與CFRTP連接的新方法，也叫激光熱傳導(dǎo)連接技術(shù)。激光照射在金屬材料表面，產(chǎn)生的熱量傳遞到金屬與CFRTP接合面，熔化樹脂材料。熔融樹脂在外部壓力的作用下與金屬界面充分接觸，在范德華力的作用下連接在一起。

在國外，從事CFRTP激光直接連接技術(shù)研究的單位有德國的弗郎霍夫激光研究所、伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)、不萊梅應(yīng)用技術(shù)研究所以及日本的大阪大學(xué)等。弗郎霍夫激光研究所的Roesner等[36-37]采用該技術(shù)實現(xiàn)了玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料PA66GF30與金屬材料之間的連接，為提高連接強度，他們預(yù)先在金屬表面用脈沖激光加工出一系列寬度為 40μm，深度為 50μm 的微槽，連接樣品的剪切強度達到24MPa。伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)的Bergmann和Stambke[38]利用光纖耦合二極管激光器實現(xiàn)了玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料PA6.6GF45和冷軋鋼板的連接，分析了激光功率和激光照射先后順序?qū)宇^強度的影響規(guī)律，功率為265W時接頭剪切強度達到33.33MPa。日本大阪大學(xué)的Jung等[39-41]利用激光直接連接技術(shù)實現(xiàn)了CFRTP與不銹鋼、鍍鋅鋼板、鋁合金的連接，接頭可承受的剪切拉力達到3000N。另外，他們在對焊接接頭斷裂面組織進行分析時，發(fā)現(xiàn)在接頭處CFRTP內(nèi)部有大量氣泡存在（見圖6），影響到焊接接頭的強度。同時，他們采用線光斑進行了CFRTP與鍍鋅鋼板之間的焊接，焊接質(zhì)量和效率得到進一步提升。

圖6 CFRTP與鋁合金激光焊接接頭的氣泡分布Fig.6 Air bubble distribution in the CFRTP and aluminium alloy joint

在國內(nèi)，江蘇大學(xué)的Huang[42]、Cai[43]等研究了激光功率、焊接速度對CFRTP與鈦合金連接質(zhì)量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在接頭處有Ti-C和Ti-O化學(xué)鍵的存在，且熔融的樹脂基體材料滲入到預(yù)先處理好的鈦合金毛化結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成高強度的連接。清華大學(xué)的譚向虎等[44-45]研究了鍍Cr層對低碳鋼-CFRTP搭接接頭剪切強度及界面結(jié)合特征的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)低碳鋼表面鍍Cr 層可以提高接頭的剪切強度。他們同時發(fā)現(xiàn)在CFRTP與不銹鋼激光焊接接頭上，存在兩種不同類型的氣孔缺陷：一種是在加熱過程中形成的，接近CFRTP表面，有規(guī)則的形狀和光滑的內(nèi)壁；另一種是在接頭冷卻過程中產(chǎn)生的，分布在CFRTP內(nèi)部，形狀不規(guī)則，內(nèi)壁粗糙，而且四周分布著一些微細(xì)裂紋（見圖7）。

圖7 CFRTP與不銹鋼焊接缺陷（氣孔、微裂紋）的分布Fig.7 Welding defect (porosity,crack)disribution around the CFRTP and stainless steel joint

中科院寧波材料所利用激光直接連接技術(shù)實現(xiàn)了CFRTP與不銹鋼、鋁合金之間的連接，通過對不同參數(shù)下的連接強度進行對比，對接頭斷裂面的微觀形貌進行測試分析，發(fā)現(xiàn)在不銹鋼的表面粘結(jié)了大量CFRTP樹脂基體材料，說明連接強度超過了樹脂基體的強度，同時發(fā)現(xiàn)在連接接頭有氣孔及微細(xì)裂紋的存在，連接質(zhì)量還有待進一步提高。同時對CFRTP與不銹鋼的激光直接連接技術(shù)從理論建模、仿真分析、工藝試驗等方面進行了研究[46-47]，同時發(fā)現(xiàn)在CFTRP-不銹鋼結(jié)合面存在大量的氣孔缺陷，并對氣孔的形成原因進行了初步研究（見圖8）。

圖8 CFRTP/不銹鋼激光直接連接技術(shù)Fig.8 CFRTP/stainless steel laser direct joining

其他CFRTP激光焊接技術(shù)探索

德國弗朗霍夫激光研究所發(fā)明一種新方法[48]，可實現(xiàn)CFRTP之間的激光焊接。該方法類似于金屬的激光釬焊技術(shù)，采用送絲的方式在焊縫上鋪設(shè)一層熱塑性樹脂材料，該樹脂材料對光透明。激光透過鋪設(shè)樹脂被CFRTP吸收，產(chǎn)生熱量熔化CFRTP基體及鋪設(shè)樹脂，冷卻凝固后使二者焊接在一起（見圖9）。

圖9 CFRTP樹脂填絲焊接技術(shù)Fig.9 CFRTP laser welding with filler materials

中科院寧波材料所針對CFRTP之間的焊接，也提出一種填充樹脂激光熔融焊接法[49]。該方法的焊接原理如圖10所示。在CFRTP之間填充一層摻雜的薄膜樹脂材料，紅外激光在此樹脂材料內(nèi)部傳輸形成一條熱源帶，對填充樹脂和CFRTP基體樹脂進行加熱，并使其融化。熔融樹脂在外部壓力作用下流動、擴散、凝固，形成焊接。

圖10 填充樹脂激光熔融焊接Fig.10 CFRTP laser welding with filler polymer melting

結(jié)束語

CFRTP以其優(yōu)越的性能在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛，而實現(xiàn)CFRTP部件之間的連接則是其大規(guī)模應(yīng)用所必需解決的關(guān)鍵問題之一。激光焊接具有多方面的優(yōu)勢，在CFRTP的焊接上應(yīng)用前景廣闊。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者對CFRTP激光焊接技術(shù)在理論仿真和工藝優(yōu)化方面進行了一系列研究，為CFRTP激光焊接技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論工藝基礎(chǔ)，但還存在以下兩個方面的問題。

（1）激光穿透焊接技術(shù)、激光直接連接技術(shù)這兩種方法均有其局限性，激光穿透焊接技術(shù)要求焊接工件至少有一個是對激光透明的，激光直接連接技術(shù)只能實現(xiàn)金屬與CFRTP（樹脂）之間的連接。對于CFRTP或不透明樹脂之間的激光焊接，上述兩種方法在原理上均難以實現(xiàn)。雖然國內(nèi)外學(xué)者提出了預(yù)置樹脂焊接方法、填充樹脂熔融焊接方法等來解決CFRTP之間的激光焊接問題，但相關(guān)研究目前還比較初步，有待對其焊接工藝、焊接機理進行進一步系統(tǒng)、深入的研究。

（2）CFRTP激光焊接（連接）面臨一個共性難題：如何有效減少/避免焊接接頭處氣泡、裂紋等缺陷，提高焊接強度和疲勞壽命。而以往的文獻對CFRTP（樹脂）激光焊接接頭氣泡、裂紋等缺陷的產(chǎn)生機理及控制方法的研究還比較欠缺。需要對焊接過程中氣泡的產(chǎn)生機理進一步研究，進而探索一種缺陷的預(yù)測與控制方法，實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接則是未來研究的重點。

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