夏佩云 ，孟 遙，沈浩然，呂紅亞，刁 磊，封小松，王春明，尹玉環(huán)

（1.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司國防科技工業(yè)特種焊接技術(shù)創(chuàng)新中心，上海 200245）

金屬與塑料的復(fù)合結(jié)構(gòu)逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域輕量化制造的重要解決手段[1]。金屬–塑料常見的連接方法有膠接、機械連接。膠接方法存在效率低、對環(huán)境敏感、耐久性差等缺點[1–3]。機械連接破壞了結(jié)構(gòu)的完整性，易引起應(yīng)力集中問題[4]。而激光連接憑借其非接觸、高效率、振動應(yīng)力小優(yōu)勢，在塑料–金屬的連接領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[5]?，F(xiàn)有研究表明，利用激光透射焊接可實現(xiàn)透光性較好的材料如聚丙烯（PP）[6]、聚乙烯對苯二甲基（PET）[7]、聚酰胺（PA）[8]、聚甲基丙稀酸甲酯（PMMA）[9]與金屬的連接，甚至玻璃纖維增強的復(fù)合材料[10–11]與金屬。近年來，為了克服激光透射連接技術(shù)只適用于透光塑料的連接的局限性，國內(nèi)外學(xué)者開展了激光直接連接技術(shù)研究，除了可實現(xiàn)前述的透光材料[12–13]，還可以實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料[14–16]等不透光材料的連接。目前對于塑料–金屬的激光連接存在的主要問題為連接強度低，為了提高塑料–金屬的連接強度，主要采用金屬表面微構(gòu)化預(yù)處理增加機械咬合力[17–18]，其次通過過渡層使之形成化學(xué)鍵[16，19]。

聚醚醚酮（PEEK）樹脂是一種新型高性能熱塑性聚合物，具有優(yōu)異的耐熱性，可在200℃下長期使用[20]，可望取代熱固性樹脂作為高性能復(fù)合材料的基體材料，在航空航天領(lǐng)域已有大量應(yīng)用[21]。目前對于PEEK與金屬的連接研究成果未見任何報道。本文采用激光焊接方法進(jìn)行PEEK–2195鋁合金連接試驗，對比鋁合金表面未處理和陽極氧化處理對異質(zhì)接頭強度的影響，進(jìn)而分析PEEK–2195連接區(qū)域的微觀形貌，分析異質(zhì)材料的連接機理。

試驗與材料

1 試驗材料

聚醚醚酮（PEEK）板材規(guī)格有兩種，分別為20mm×10mm×3mm、100mm×30mm×3mm，拉伸強度115MPa，密度1.3g/cm3。2195鋁鋰合金成分見表1，有兩種規(guī)格： 20mm×10mm×2mm、100mm×30mm×2mm。

表1 2195 鋁鋰合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of 2195 alloy（mass fraction） %

2 試驗方法

試驗采用Rofin 4000W光纖激光器，聚焦光斑直徑為0.4mm，波長為1070nm。為了降低試樣加工對接頭的破壞，金相分析試樣和拉剪試樣均采用整件式小規(guī)格試樣進(jìn)行試驗。圖1（a）為金相分析試樣激光連接示意圖，圖1（b）為拉剪試樣激光連接示意圖，均采用鋁合金置于PEEK板材上方，激光直接照射鋁合金，使得鋁合金形成熔池，熱量以熱傳導(dǎo)的形式傳遞到鋁合金與熱塑復(fù)合材料的連接界面，界面處的鋁合金未熔化，但界面處熱塑復(fù)合材料表層的樹脂達(dá)到熔融狀態(tài)，在力與熱的作用下與金屬連接。采用的焊接工藝參數(shù)見表2，鋁合金表面為未處理和磷酸陽極氧化處理兩種狀態(tài)。

圖1 聚醚醚酮–鋁合金激光直連示意圖Fig.1 Diagram of laser direct joining of PEEK to aluminum

表2 試驗采用的焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters used in experiments

金相試樣連接后不進(jìn)行分切制樣操作，先進(jìn)行試樣鑲嵌，后直接磨拋起頭端，磨削量為1～3mm。拉伸試樣連接后直接進(jìn)行拉剪切試驗。利用Olympus–MPG3型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察接頭微觀組織，拉剪破壞采用XYB305C萬能試驗機，拉伸速率為10mm/min。

結(jié)果與討論

1 2195–PEEK激光直連接頭外觀成形

圖2為表面未處理鋁合金–聚醚醚酮激光連接試樣表面照片。當(dāng)功率增加或速度降低時，容易在結(jié)束端形成焊瘤、燒穿。這是由于隨著焊接熱量的積累，塑料–金屬的界面溫度升高，在結(jié)束端熱量積累最大，并且端面的散熱條件最差，導(dǎo)致塑料分解出大量氣體，氣體的爆炸式壓力促使鋁合金熔池形成飛濺或燒穿。焊后的接頭試樣除編號11和15外，連接試樣均在焊后自然脫開。典型脫開試驗的連接界面如圖3所示，在鋁合金界面未發(fā)現(xiàn)粘連塑料材料，說明在這些參數(shù)條件下，鋁合金與聚醚醚酮并未形成有效連接。

圖2 2195鋁合金（表面未處理）-聚醚醚酮激光連接試樣Fig.2 Laser direct joints of aluminum (surface untreated) and PEEK

圖3 直接脫開的連接接頭（試樣編號13）Fig.3 Specimen with low adhesion (sample 13)

圖4為表面磷酸陽極氧化的鋁合金–聚醚醚酮激光連接試驗的表面照片。2195鋁合金表面的焊縫成形良好，在個別參數(shù)的條件下的收尾段存在微小鼓包（編號21），所有的焊縫相對于表面未處理的試樣來說，成形有所改善。鋁合金焊縫的成形改善與界面形成有效連接相關(guān)。界面的有效連接減小了界面的熱阻，減小了熱量的積累效應(yīng)，從而改善了焊縫結(jié)束端的爆炸燒穿。對于表面處理的接頭，焊后所有試樣在自然狀態(tài)下均未發(fā)生脫開。因此，相對于未表面處理的接頭，表面處理有利于改善異質(zhì)界面的有效連接。

圖4 鋁合金（表面磷酸氧化）-聚醚醚酮激光連接試樣Fig.4 Laser direct joints of PEEK to Al (surface phosphoric acid oxidation)

2 Al–PEEK異質(zhì)界面連接微觀形貌

圖5為典型磷酸陽極氧化2195鋁鋰合金–聚醚醚酮激光連接接頭橫截面金相。塑料一側(cè)可見“弧形”熔融區(qū)域，在鋁合金熔池正下方熔融深度最大，分別向兩側(cè)厚度減小。鋁合金熔池是塑料–鋁合金界面熱量的來源，熔池壁相當(dāng)于等溫面呈放射狀進(jìn)行熱傳遞，以致形成樹脂弧形熔融區(qū)域。樹脂熔融區(qū)域存在大小不一、分散狀的氣孔，靠近鋁合金焊縫處其氣孔數(shù)量更多、尺寸更大。焊縫中心線附近的樹脂熔融區(qū)距離等溫面更近，溫度更高并且高溫區(qū)域停留時間更長，熱分解程度更大，與文獻(xiàn)[8]中提到塑料熱分解規(guī)律的結(jié)果一致。

圖5 典型鋁合金–聚醚醚酮激光直連接頭橫截面Fig.5 Cross section of laser direct joints of PEEK and Al (surface phosphoric acid oxidation)

圖6為不同焊接參數(shù)下磷酸陽極氧化鋁合金–聚醚醚酮激光連接接頭橫截面。隨著激光功率的增加或焊接速度降低，鋁合金熔池深度明顯增加，面積增大，界面處塑料熔融區(qū)域變大，氣孔尺寸變大，數(shù)量變多。圖7為表面未處理Al–PEEK激光連接接頭橫截面。同樣存在弧形連接區(qū)域，但區(qū)域內(nèi)未見氣孔。這是由于在未處理的2195–PEEK界面，2195鋁鋰合金本身與PEEK表面能相差較大，熔融樹脂對Al的潤濕性不足，導(dǎo)致界面熱阻增大，傳遞至樹脂一側(cè)的熱量更少，界面處樹脂溫度更低，從而減少了樹脂的熱分解，避免了氣孔的形成。同樣由于2195鋁合金、PEEK潤濕性不足和化學(xué)性質(zhì)差異大，很難形成化學(xué)鍵合，此類接頭更多為物理連接（范德華力、機械咬合），結(jié)合強度較低，容易失效。因此，在界面處存在明顯間隙（圖7（a）），甚至完全脫開（圖7（b）），應(yīng)為連接的強度不足，導(dǎo)致在制樣過程中接頭脫開。

圖6 不同參數(shù)條件磷酸陽極氧化Al–PEEK激光連接接頭橫截面Fig.6 Cross section of laser direct joints of PPEK and Al (surface phosphoric acid oxidation)under different parameters

圖7 表面未處理Al–PEEK連接接頭橫截面Fig.7 Cross section of laser direct joints of PEEK and Al (surface untreated)

3 Al–PEEK異質(zhì)接頭拉剪切破壞力

圖8為不同參數(shù)條件下未脫開的試樣的抗拉剪切破壞力情況。未處理的鋁合金–聚醚醚酮接頭的最大抗拉剪破壞力為2825N（試樣11）、2510N（試樣15），均破壞于連接界面。破壞后的界面如圖9所示，鋁合金一側(cè)可見粘連的塑料，塑料一側(cè)可見近似高斯形的粘連區(qū)域。黏結(jié)區(qū)域?qū)挾绕鸷柑幾钚。S著焊接行進(jìn)，粘連寬度迅速增大，然后保持相對穩(wěn)定，在結(jié)尾處由于端面散熱條件變差和熱積累等情況，寬度有一定的增加。磷酸陽極氧化處理的2195–PEEK接頭試樣編號21、25，抗拉剪切破壞力分別為3744N和3520N，失效于連接界面。破壞后的連接界面如圖10（a）所示，鋁合金表面僅在起頭和結(jié)尾處有少量塑料粘連，連接區(qū)域輪廓呈高斯形，與未處理接頭的連接區(qū)域形狀一致。編號22、23、24、26試樣斷裂在塑料一側(cè)，界面未失效，從斷裂走向來看，近似高斯形狀的一側(cè)輪廓（圖10（b）和（c））。因此認(rèn)為，拉剪破壞的位置接近連接區(qū)域的邊緣。試樣22、23、24、26接頭抗拉剪破壞力差別較大，最大為4479N（試樣24∶1400W、3mm/min），最小為2100N（試樣23∶1300W、5mm/min），存在較大波動。若通過塑料母材的橫截面積計算，抗拉強度為23.33～49.77MPa，遠(yuǎn)小于母材抗拉強度（115MPa）。

圖8 不同參數(shù)條件下接頭抗拉剪破壞力Fig.8 Tensile shear force of joints under different parameters

圖9 破壞后的鋁合金（表面未處理）-聚醚醚酮連接接頭Fig.9 Joints of Al (surface untreated) and PEEK after tension test

圖10 磷酸陽極氧化鋁合金-聚醚醚酮接頭破壞情況Fig.10 Joints of Al (surface phosphoric acid oxidation) and PEEK after tension test

磷酸陽極氧化處理2195鋁鋰合金–聚醚醚酮接頭抗拉剪切破壞力波動，一方面是由于焊接裝配時塑料與鋁合金的裝配不平行；另一方面則可能是拉剪切破壞試驗方法的局限性導(dǎo)致。若鋁合金與聚醚醚酮焊接裝配時存在一定的不平行度（圖11），拉伸時施加的平行載荷，那么A點受載情況更為惡劣，導(dǎo)致提前失效。復(fù)核了試樣23、22，的確存在裝配不平行問題，破壞力分別為2100N、2750N低于其他試樣。在試樣焊接時平行度較好的情況下，連接界面有效連接強度較高時，接頭的失效示意圖如圖12所示。接頭連接區(qū)域邊緣的A、B兩點是應(yīng)力集中點，但A點承力的基體為樹脂材料，B點承力的基體為鋁合金材料，由于樹脂基體強度遠(yuǎn)低于鋁合金基體，因此A點成了失效的高風(fēng)險點。由于有效連接區(qū)域的存在限制了A點（有效連接區(qū)域的邊緣）左側(cè)的PEEK的變形，導(dǎo)致A點存在應(yīng)力集中和彎曲載荷，因此失效時的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于塑料母材抗拉強度。有效連接區(qū)域的輪廓因工藝參數(shù)的不同而不同，從而導(dǎo)致了塑料應(yīng)力集中的情況不一致，因此接頭抗拉剪切破壞力存在一定的波動。從失效的試樣24、試樣26斷裂位置來看，失效的位置與有效連接區(qū)域的邊緣基本吻合，基本呈高斯形狀輪廓，從而證實了上述分析的準(zhǔn)確性。

圖11 2195–PEEK裝配不平行的連接試樣示意圖Fig.11 Schematic diagram of 2195–PEEK joints nonparallel assembled

圖12 拉伸剪切失效示意圖Fig.12 Schematic diagram of tensile shear failure in 2195–PEEK joints

4 異質(zhì)界面連接機理

圖13為2195–PEEK激光連接接頭橫截面微觀形貌與元素分析。磷酸陽極氧化處理2195–PEEK接頭界面間隙已經(jīng)完全消除，連接界面處存在波浪形的過渡區(qū)，樹脂與鋁合金相互咬合。鋁合金磷酸陽極氧化后表面呈凸凹不平的多孔結(jié)構(gòu)，據(jù)有關(guān)研究表明表面磷酸陽極氧化處理可大幅降低表面能[22]，因此改善了熔融的PEEK樹脂的潤濕性。部分PEEK樹脂進(jìn)入了氧化膜的空隙內(nèi)，從而形成界面相互“咬合”的效果。界面附近可見顏色漸變的過渡層，Al和C元素濃度梯度變化，趨勢正好相反（圖13（c））。過渡區(qū)的厚度為4μm，與磷酸陽極氧化膜的厚度基本一致。過渡區(qū)內(nèi)磷酸陽極氧化膜層與樹脂形成了結(jié)合，Al和C化學(xué)成分發(fā)生梯度變化。由于鋁合金磷酸陽極氧化處理后，表面生成了極性的氧化物γ–Al2O3，極性的氧化物可以提高其在角接界面上與樹脂的色散力和范德華力，同時可與聚合物中的極性團(tuán)形成共價鍵[23]，因此推測本文中的Al–PEEK中形成類似“Al–O–PEEK”的共價鍵。同樣，在已有文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)鋁合金表面陽極氧化膜可與PA6形成“Al–O–PA6”化學(xué)鍵[17]。而表面未處理的2195–PEEK連接界面上存在鋸齒狀的間隙，Al、C元素發(fā)生濃度有斷層現(xiàn)象，未形成有效連接。一方面由于2195鋁合金表面能高，熔融樹脂在其表面無法良好潤濕鋪展；另一方面，樹脂材料在熱力作用下，與2195鋁合金表面互相貼合，兩者之間存在范德華力、氫鍵的吸附力，結(jié)合強度低，在后期磨拋試樣時吸附界面失效，形成鋸齒間隙。

圖13 磷酸陽極氧化Al–PEEK連接界面微觀形貌與元素分布Fig.13 Microstructure and element distribution of joints of Al–PEEK

結(jié)論

（1）2195–PEEK激光連接接頭的樹脂一側(cè)形成弧形熔融區(qū)。磷酸陽極氧化處理的接頭區(qū)域內(nèi)可見大小不一、分散狀氣孔，中心位置氣孔尺寸更大、更為密集，界面處未發(fā)現(xiàn)間隙。表面未處理2195–PEEK激光連接接頭區(qū)域內(nèi)未見氣孔、界面處存在間隙。

（2）磷酸陽極氧化處理2195–PEEK激光連接接頭最大破壞力達(dá)到4479N，抗拉剪破壞失效位置在塑料一側(cè)。表面未處理2195–PEEK接頭最大抗拉剪破壞力達(dá)到2825N，失效于連接界面。鋁合金表面磷酸陽極氧化處理可提高2195–PEEK激光連接接頭強度至少58%以上。

（3）不同參數(shù)條件下磷酸陽極氧化處理2195–PEEK激光連接接頭抗拉剪破壞力存在波動性，與試樣裝配平行度以及連接接頭應(yīng)力集中有關(guān)。裝配平行度較差時，可導(dǎo)致低應(yīng)力下失效；在裝配平行度良好的情況下，接頭失效于連接區(qū)域邊緣的PEEK基體一側(cè)，與異質(zhì)接頭拉剪試驗方法條件下低強度材料一側(cè)應(yīng)力集中有關(guān)。

（4）磷酸陽極氧化處理2195–PEEK激光直連接頭界面處存在約4μm的過渡層，與磷酸陽極氧化膜厚度一致，推測過渡層存在Al–O–PEEK化學(xué)鍵，對提高接頭的連接強度有重要作用。