劉 雷 ，耿 正 ，王 敏 ，孔 諒 ，胡沛源 ，褚衛(wèi)東 ，王大明

（1.上海交通大學(xué)上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240；3.華域汽車車身零件（上海）有限公司，上海200433）

0 前言

熱塑性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced thermoplastic/polymer，CFRTP）是由堆疊編織的碳纖維絲束作為增強(qiáng)體、樹脂（塑料）作為基體的復(fù)合材料，具有超高比強(qiáng)度和剛度[1-3]，在航空航天領(lǐng)域已得到較為成熟的應(yīng)用。例如，波音787客機(jī)大量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，與傳統(tǒng)鋁結(jié)構(gòu)相比，總質(zhì)量減輕20%[4]；奧迪R8采用鋁合金-碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕15%[5]；寶馬電動汽車i3和i8用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料代替鋼，既減輕了車重，生產(chǎn)過程中又節(jié)約了50%的能源和70%的水消耗。

目前CFRTP和金屬之間主要的連接方式為膠接和機(jī)械連接，但膠接需要對CFRTP進(jìn)行表面處理以提高潤濕性和表面張力，且固化時(shí)間很長[6]。機(jī)械連接容易產(chǎn)生應(yīng)力集中等問題，相關(guān)報(bào)道表明空客A380的機(jī)翼上CFRTP筋與鋁合金采用機(jī)械連接時(shí)產(chǎn)生了裂紋，可能導(dǎo)致整個(gè)組件失效[7]。這些問題限制了機(jī)械連接和膠接的應(yīng)用和發(fā)展。激光焊接是一種利用高能激光束加熱的焊接方法，可用于熱塑性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRTP）和金屬的連接。激光焊接的主要優(yōu)勢是能量集中、焊接效率高、可及性高、容易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)等[8-9]。大量學(xué)者[10-16]進(jìn)行了鋁合金和異質(zhì)材料的激光焊接研究，Roesnera等人[10-11]研究了玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍66（GF-PA66）與鋁合金的異種材料激光焊接，焊前先用脈沖激光進(jìn)行表面預(yù)處理，即在鋁合金表面先用激光加工出一系列微小凹槽，再進(jìn)行激光焊接，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到24 MPa。Jung研究團(tuán)隊(duì)[12-14]分別研究了碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）與不銹鋼、鍍鋅鋼板、鋁合金異種材料激光焊接，探索激光功率和激光焊接接頭力學(xué)性能之間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)接頭的最大拉剪力可達(dá)3 000 N，觀察接頭斷裂后的界面微觀組織發(fā)現(xiàn)，CFRTP內(nèi)部存在大量微孔，這是影響激光焊接接頭強(qiáng)度的主要因素之一。Huang[15-16]等人采用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了CFRTP與鈦合金之間的連接，研究了激光功率、焊接速度對CFRTP與鈦合金激光焊接接頭性能的影響規(guī)律；同時(shí)分析了接頭的連接機(jī)理，認(rèn)為CFRTP與鈦合金的激光焊接機(jī)理主要有兩個(gè)：一是接頭處有Ti-C和Ti-O化學(xué)鍵結(jié)合力；二是機(jī)械嵌合作用，即在激光焊接的高溫作用下，CFRTP的樹脂基體材料熔融后滲入到鈦合金表面的微觀結(jié)構(gòu)中，從而形成微觀機(jī)械連接。

本研究進(jìn)行CFRTP和6061-T6鋁合金采用激光焊連接的可行性分析，分析不同表面處理后的鋁合金和CFRTP激光焊接的拉剪強(qiáng)度及對應(yīng)的激光功率區(qū)間，通過接頭微觀形貌初步闡釋激光焊接接頭的連接機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為100mm×25mm×2mm的A6061-T6鋁合金板，它具有合適的強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性能、較高的氧化效果而被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。熱塑性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料選用德國恩欣格公司的100 mm×26 mm×2.3 mm的30%短碳纖維增強(qiáng)的聚苯硫醚，CFRTP的熱學(xué)性能如表1所示。A6061-T6鋁合金和CFRTP的部分物理及力學(xué)性能如表2所示。

表1 CFRTP熱學(xué)性能

表2 A6061-T6鋁合金和CFRTP的密度和力學(xué)性能

1.2 激光焊接

試驗(yàn)用激光焊接設(shè)備主要包括光纖激光器和KUKA機(jī)器人系統(tǒng)兩部分。光纖激光器是IPG公司生產(chǎn)的YLS-10000-S2多模光纖激光器，系統(tǒng)包括激光發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)和傳導(dǎo)光纖等。機(jī)器人為德國KUKA公司生產(chǎn)的KR60HA型號6軸工業(yè)機(jī)器人，負(fù)載可達(dá)60 kg，重復(fù)定位精度±0.05 mm。焊接方式采用搭接，如圖1所示。針對A6061-T6鋁合金，試驗(yàn)采用了5組不同的表面處理方式（見表3），每組3個(gè)試樣。

圖1 激光焊接示意

表3 CFRTP-鋁合金激光焊接試驗(yàn)所用的表面處理方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋁板表面處理方法對激光焊接的影響

鋁板經(jīng)不同表面處理后的焊接接頭拉剪強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。使用酒精清洗的接頭最大拉剪力僅為510.8 N，陽極氧化后的接頭拉剪強(qiáng)度最高，其次是鋁板上表面噴丸處理，但鋁板上、下表面都經(jīng)過噴丸處理后的接頭拉剪強(qiáng)度最低。對比組合A和B可知，鋁板上表面噴丸處理可以提高接頭拉剪強(qiáng)度，下表面進(jìn)行噴丸處理反而降低了拉剪強(qiáng)度，其原因可能是噴丸處理后鋁合金表面粗糙度顯著提升，因此在激光焊接時(shí)，鋁板上表面噴丸處理有利于吸收激光，從而增大焊接可用的功率區(qū)間，同時(shí)焊縫較細(xì)且均勻。鋁板下表面噴丸處理后雖然提升了粗糙度，但殘留的SiO2降低了其與CFRTP的結(jié)合能力，從而降低了拉剪強(qiáng)度。

圖2 不同處理方法激光焊接接頭力學(xué)性能

采用不同的表面處理方法，鋁合金與CFRTP的激光焊接功率區(qū)間如表4所示，低于區(qū)間下限無法焊接，高于區(qū)間上限會焊穿。組合A的鋁合金上、下表面都僅用酒精清洗，激光焊接功率區(qū)間為1 250～1 300 W，區(qū)間長度50 W。組合B和C的鋁板上表面采用噴丸處理，激光焊接功率區(qū)間為900～1 050 W，區(qū)間長度150 W。與僅用酒精清洗處理方式相比，噴丸處理可以在降低焊接功率的同時(shí)增加焊接功率區(qū)間范圍。組合D鋁板上下表面都為陽極氧化處理，激光焊接功率區(qū)間1 200～1 400 W，區(qū)間長度200 W。與僅用酒精清洗處理方式相比，擴(kuò)展了激光焊接功率的上下限，從而顯著增加了可用焊接功率區(qū)間范圍。組合E鋁板上下表面都為噴丸+陽極氧化處理，激光焊接功率區(qū)間為1 500～1 600W，區(qū)間長度100W。與僅用酒精清洗處理方式相比，噴丸+陽極氧化處理增加了區(qū)間范圍，但同時(shí)也使所需焊接功率大大增加。

表4 不同表面處理方法下可用的激光焊接功率區(qū)間

2.2 CFRTP-鋁合金激光焊接接頭連接機(jī)理

不同表面處理后的鋁合金微觀形貌如圖3所示，其中左側(cè)放大倍數(shù)為50，右側(cè)放大倍數(shù)為1000?？梢钥闯?，僅用酒精清洗鋁合金表面形貌基本不變，噴丸處理后鋁合金表面粗糙度明顯增大，并且存在少量微觀孔洞和噴丸所用材料SiO2。當(dāng)鋁板下表面采用噴丸處理時(shí)，殘留SiO2會形成弱界面層，從而降低接頭強(qiáng)度。陽極氧化后鋁合金表面粗糙度少量增加且存在少量微米級孔洞。

圖3 不同表面處理后鋁合金表面形貌

典型的激光焊接接頭斷裂后鋁合金板的界面形貌如圖4所示，黑色區(qū)域?yàn)榍度氲腃FRTP，CFRTP和鋁合金連接主要為機(jī)械嵌合作用。拉伸測試中，接頭沿著拉力方向斷裂，d處粘接的CFRTP較為集中，而a、b處粘接的CFRTP較為分散，發(fā)現(xiàn)CFRTP中有短棒狀碳纖維。鋁合金斷裂界面上粘接的CFRTP的中央位置c處有密密麻麻的孔洞，產(chǎn)生了弱界面層，從而影響接頭強(qiáng)度。

圖4 接頭斷裂后鋁板界面微觀形貌

焊接接頭微觀橫截面如圖5所示，其中A、B、D分別為對應(yīng)表4中組合A、組合B和組合D?？梢钥闯?，D1界面處呈波浪形，咬合更為緊密，接頭強(qiáng)度最高，B1次之，A1最為平坦。這說明表面處理可以增大鋁板和CFRTP的接觸面積，提高機(jī)械咬合程度，從而提高焊接接頭拉剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）鋁板上表面采用噴丸處理可以在降低焊接功率的同時(shí)增加焊接功率區(qū)間范圍；鋁板上下表面都為陽極氧化處理擴(kuò)展了激光焊接功率的上下限，從而顯著增加焊接功率區(qū)間范圍；鋁板上下表面采用噴丸+陽極氧化處理可增加焊接區(qū)間范圍，但同時(shí)也使所需的焊接功率大大增加。

（2）激光焊接時(shí)，表面處理是通過增強(qiáng)接頭的機(jī)械咬合和接觸面積來增加接頭強(qiáng)度，鋁板經(jīng)過陽極氧化后的接頭強(qiáng)度最大，鋁板正面經(jīng)過噴丸處理可以提高接頭強(qiáng)度，但背面的噴丸處理由于SiO2的殘留反而會降低接頭強(qiáng)度。

（3）CFRTP和鋁合金的激光焊接主要是機(jī)械嵌合作用，但嵌入的CFRTP中含有大量微小氣孔，可能是影響強(qiáng)度的重要因素。

圖5 鋁合金與CFRTP激光焊接接頭截面