張功達，朱琦，劉亞運，王傳洋

(蘇州大學(xué),蘇州,215137)

0 序言

金屬與高分子材料的結(jié)合使用可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的輕量化.輕量化設(shè)計是目前研究的熱點，涉及交通運輸、民用基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)制造以及清潔能源技術(shù)等方向[1-5]，例如在汽車生產(chǎn)中，隨著現(xiàn)代社會汽車保有量的快速增長，汽車使用帶來的環(huán)境污染和能源消耗問題日益嚴重[6-8]；金屬與高分子材料的結(jié)合使用對汽車的輕量化設(shè)計具有重要意義，輕量化設(shè)計可以有效減輕車身重量，提高汽車的動力性能，降低能源消耗以及CO2排放[9-10].

金屬與塑料的連接方法有機械連接、粘接、超聲波焊接、激光焊等.機械連接加工時間長、加工成本高、易受形狀和尺寸的限制，機械連接大多需要借助外部緊固件，外部緊固件的加入使得構(gòu)件整體重量增加，同時機械連接過程易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[11]；粘接劑連接對環(huán)境要求較高、抗沖擊抗疲勞性能較差、長期穩(wěn)定性差，同時在粘接過程中會產(chǎn)生有害物質(zhì)，對環(huán)境造成污染[12-14]；超聲波焊接噪聲過大，對人體產(chǎn)生嚴重危害[15-16]；激光焊作為一種無接觸、高效、環(huán)保的焊接技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[17-19]，激光焊技術(shù)可以實現(xiàn)兩種材料的直接連接，無需添加額外的材料和連接配件.

國內(nèi)外針對金屬與塑料激光焊接頭強度的提升開展了大量的研究.Amend 等人[20]研究了熱輸入量對PA6 和不銹鋼激光焊接頭中氣孔的影響，發(fā)現(xiàn)熱輸入較低時，金屬與塑料接觸界面無法形成有效接頭，熱輸入較高時塑料產(chǎn)生分解、燒蝕，導(dǎo)致連接強度下降；Jung 等人[21]采用連續(xù)波二極管激光器對碳纖維增強塑料(CFRP) 和鋁合金進行焊接，研究了激光工藝參數(shù)對接頭強度的影響，發(fā)現(xiàn)了材料間產(chǎn)生了分子間的緊密結(jié)合；Liu 等人[22]為提高316L 不銹鋼與PET 材料的激光焊接頭強度，在焊接前對316L 不銹鋼表面進行微結(jié)構(gòu)加工，同時焊接過程加入超聲波裝置，試驗結(jié)果表明機械結(jié)合以及化學(xué)結(jié)合是連接強度提高的主要原因.

金屬與塑料的物理、化學(xué)差異導(dǎo)致焊接接頭強度較低是目前金屬與塑料激光焊的主要問題.目前提高金屬與塑料激光焊接頭強度的方法大多是針對激光焊工藝對金屬與塑料焊接接頭強度的影響進行研究，同時一些學(xué)者在焊接前對金屬表面進行微結(jié)構(gòu)加工，以實現(xiàn)接頭強度的提升，結(jié)果表明金屬表面微結(jié)構(gòu)對金屬與塑料焊接接頭強度的提升具有重要作用，但針對金屬表面微結(jié)構(gòu)的金屬與塑料激光焊接頭強度的影響研究較少，沒有形成較為完整的研究體系.

1 試驗方法

1.1 表面微結(jié)構(gòu)制備

采用5182 鋁合金、30% 玻纖增強PA66 作為激光焊試驗材料.鋁合金板尺寸為80 mm × 20 mm ×2 mm，PA66 板尺寸為80 mm × 25 mm × 2 mm，采用飛秒激光器在鋁合金板指定區(qū)域進行表面微結(jié)構(gòu)加工，加工區(qū)域如圖1 所示.微結(jié)構(gòu)具有一定的深度，激光需要在微結(jié)構(gòu)加工位置累計加工一定時間才能使得加工深度達到要求，單次掃描停留時間過長，易導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)孔洞入口處熱量集聚使得微孔閉合；微結(jié)構(gòu)加工采用多次重復(fù)掃描的方式，減少微結(jié)構(gòu)入口處熱量集聚.隨著燒蝕深度的增加，飛秒激光受材料表面等離子體屏蔽以及材料噴蝕不完全導(dǎo)致的能量耦合影響，燒蝕率會逐漸下降，這使得微結(jié)構(gòu)的橫截面形貌趨近于梯形.

圖1 微結(jié)構(gòu)加工區(qū)域(mm)Fig.1 Area of microtexture processing

飛秒激光加工后金屬表面與微結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘渣，將加工后的金屬板置于丙酮溶液中，采用超聲波清洗設(shè)備將金屬樣品清洗 20 min，去除表面殘渣和油污，玻纖增強 PA66 板采用酒精清洗.PA66材料吸水性強，為避免塑料板內(nèi)部水分對焊接效果產(chǎn)生不影響，焊接前對 PA66 板進行干燥處理.

1.2 焊接方法

使用光纖激光器(WFSC-2000C) 進行焊接，激光器型號WFSC-2000C，輸出功率200～ 2 000 W，中心波長1 070～ 1 090 nm，調(diào)制頻率20 kHz，將激光表面處理后的鋁合金樣板與30% 玻纖增強PA66 采用夾具以搭接的方式固定在焊接工作臺上，采用激光熱傳導(dǎo)焊接的方式進行鋁合金與PA66 的激光連接.激光作用于鋁合金板上表面，由于鋁合金板對激光的反射率高，為防止激光反射損壞設(shè)備，將激光頭進行一定角度偏轉(zhuǎn)，使得激光束與豎直方向夾角為15°，如圖2 所示.

圖2 激光焊接方式Fig.2 Mode of laser welding

1.3 拉伸剪切試驗方法

采用拉伸試驗設(shè)備對焊接件的連接強度進行測試.拉伸剪切試驗參數(shù)設(shè)定為：拉伸力5 kN，拉伸速度2 mm/min;為減少剝離應(yīng)力的影響，在拉伸剪切試樣兩端添加等厚的墊片，焊接件拉伸剪切測試過程如圖3 所示.

圖3 焊接件拉伸剪切測試方式Fig.3 Test method for tensile shear of welding parts

2 試驗設(shè)計

為探究微結(jié)構(gòu)參數(shù)對5182 鋁合金和PA66 激光焊接頭強度的影響，根據(jù)前期探索發(fā)現(xiàn)交錯排列的微結(jié)構(gòu)陣列能夠承受更大的拉伸剪切載荷，同時根據(jù)試驗確定微結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取范圍.激光焊參數(shù)采用激光功率1 200 W，焊接速度為2 mm/s，離焦量為+20 mm，單因素試驗設(shè)計如表1 所示，不同微結(jié)構(gòu)大小及間隔距離的陣列微結(jié)構(gòu)激光共聚焦觀測結(jié)果如圖4 所示.

表 1 微結(jié)構(gòu)參數(shù)單因素試驗設(shè)計表Table 1 Single factor experimental design of microtexture

圖4 不同微結(jié)構(gòu)3D 形貌Fig.4 3D morphology of different microtextures.(a)different texture size; (b) different texture spacing

3 結(jié)果與分析

3.1 不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)焊接件拉伸剪切測試

3.1.1 微結(jié)構(gòu)深度對焊接接頭強度的影響

微結(jié)構(gòu)寬度為200 μm，間隔距離為250 μm，具有不同深度微結(jié)構(gòu)的焊接件抗拉載荷變化曲線如圖5 所示，隨著微結(jié)構(gòu)深度的增加，焊接件的抗拉載荷呈先增加后減小的趨勢;當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度為100～300 μm 時，隨著微結(jié)構(gòu)深度的增加金屬與塑料焊接件的抗拉載荷持續(xù)增加；當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度為300 μm時，金屬與塑料焊接件的抗拉載荷達到峰值，繼續(xù)增加微結(jié)構(gòu)深度，金屬與塑料焊接件的抗拉載荷持續(xù)減小.

圖5 微結(jié)構(gòu)深度對焊接件抗拉載荷的影響Fig.5 Effect of microtexture depth on tensile load of weld parts

3.1.2 微結(jié)構(gòu)寬度對焊接接頭強度的影響

微結(jié)構(gòu)深度為200 μm，間隔距離為250 μm，具有不同微結(jié)構(gòu)寬度的焊接件抗拉載荷變化曲線如圖6 所示.隨著微結(jié)構(gòu)寬度增加，焊接件的抗拉載荷呈先增加后減小的趨勢.微結(jié)構(gòu)寬度為200～300 μm 時，隨著微結(jié)構(gòu)寬度增加，金屬與塑料焊接件的抗拉載荷增加；當(dāng)微結(jié)構(gòu)寬度為300 μm，焊接件抗拉載荷達到峰值，繼續(xù)增加微結(jié)構(gòu)寬度，金屬與塑料焊接件的抗拉載荷持續(xù)減小.

圖6 微結(jié)構(gòu)寬度對焊接件抗拉載荷的影響Fig.6 Effect of microtexture width on tensile load of weld parts

3.1.3 微結(jié)構(gòu)間隔距離對焊接接頭強度的影響

微結(jié)構(gòu)深度為200 μm，寬度為200 μm，具有不同微結(jié)構(gòu)的間隔距離焊接件抗拉載荷變化曲線如圖7 所示.隨著微結(jié)構(gòu)間隔距離的增加，5182 鋁合金與PA66 焊接件的抗拉載荷持續(xù)減小.

圖7 微結(jié)構(gòu)間隔距離對焊接件抗拉載荷的影響Fig.7 Effect of microtexture spacing on tensile load of weld parts

3.2 焊接件微觀形貌觀測與機理分析

3.2.1 不同深度微結(jié)構(gòu)

對具有不同深度微結(jié)構(gòu)的焊接件拉伸剪切過程中受力方式進行分析，如圖8 所示.由于飛秒激光的加工機制，微結(jié)構(gòu)內(nèi)壁具有一定傾斜度，當(dāng)焊接件受到拉伸載荷時產(chǎn)生彎矩；當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度較小時，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬與塑料的連接區(qū)域面積較小，拉伸剪切過程中微結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充塑料易被拉出，焊接接頭強度較低；隨著微結(jié)構(gòu)深度的增加，金屬與塑料的連接區(qū)域面積增加，填充塑料不易從微結(jié)構(gòu)內(nèi)部被拉出，焊接接頭強度提高，同時焊接件在拉伸剪切載荷下，應(yīng)力集中在填充塑料根部，填充塑料根部易發(fā)生斷裂.

圖8 不同深度微結(jié)構(gòu)焊接件微觀受力分析Fig.8 Microscopic stress analysis of welded parts with different depth microstructure

具有不同深度微結(jié)構(gòu)的焊接件連接界面微觀觀測結(jié)果如圖9 所示.顯微觀測結(jié)果表明，當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度小于等于300 μm 時，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部體積較小，熔融塑料能夠?qū)⑽⒔Y(jié)構(gòu)充分填充，如圖9a，9b 所示.在此深度區(qū)間內(nèi)，隨著微結(jié)構(gòu)深度的增加，金屬與塑料連接區(qū)域面積增加，焊接接頭強度隨之增加；當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度為400 μm 時，熔融塑料體積有限，無法完全填充微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生孔洞等未填充缺陷，金屬與塑料的有效連接面積減少，如圖9c 所示，在拉伸剪切過程中缺陷區(qū)域易在拉伸剪切應(yīng)力下發(fā)生斷裂，導(dǎo)致金屬與塑料的焊接接頭強度減??；繼續(xù)增加微結(jié)構(gòu)深度，熔融塑料對微結(jié)構(gòu)的填充效果繼續(xù)下降，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷擴大，如圖9d 所示，鋁合金與PA66 的焊接接頭強度繼續(xù)減小.

圖9 不同深度微結(jié)構(gòu)焊接件連接界面SEMFig.9 SEM images of the interface of welded microtextures with different depths.(a) 200 μm;(b) 300 μm;(c) 400 μm;(d) 500 μm

為進一步分析微結(jié)構(gòu)深度對焊接接頭強度的影響機制，對焊接件拉伸剪切斷面進行分析，具有不同深度微結(jié)構(gòu)的焊接件拉伸剪切斷面微觀觀測結(jié)果如圖10 所示.無微結(jié)構(gòu)區(qū)域塑料殘留較少，拉伸剪切過程中塑料易從金屬表面剝落,微結(jié)構(gòu)內(nèi)部區(qū)域殘留塑料較多，填充塑料內(nèi)部產(chǎn)生斷裂即內(nèi)聚斷裂，內(nèi)聚斷裂大多發(fā)生在微結(jié)構(gòu)內(nèi)部區(qū)域,內(nèi)聚斷裂比例越高，金屬與塑料的焊接接頭強度越高.

圖10 不同深度微結(jié)構(gòu)焊接件拉伸斷面SEMFig.10 SEM images of tensile fracture section of welded parts with microstructure at different depths.(a) 200 μm;(b) 300 μm;(c) 400 μm;(d)500 μm

當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度為200 μm 時，微結(jié)構(gòu)深度較小，金屬與塑料連接面積較小，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充塑料易被拉出；當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度為300 μm 時，金屬與塑料的連接面積增加，填充塑料不易從微結(jié)構(gòu)內(nèi)部被拉出，斷面觀測結(jié)果顯示填充塑料斷裂部位主要位于根部區(qū)域，內(nèi)聚斷裂比例增加，焊接接頭強度增加；當(dāng)微結(jié)構(gòu)深度增加到400 μm 時，熔融塑料無法對微結(jié)構(gòu)進行充分填充，從而會產(chǎn)生未填充缺陷，缺陷處在拉伸剪切過程中易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致焊接接頭強度減小，斷面結(jié)果顯示填充塑料根部出現(xiàn)大量孔洞，內(nèi)聚斷裂比例下降；隨著微結(jié)構(gòu)深度繼續(xù)增加，熔融塑料對微結(jié)構(gòu)的填充效果繼續(xù)下降，未填充缺陷擴大，金屬與塑料的焊接接頭強度繼續(xù)減小，斷面處孔洞大小和深度明顯增加，內(nèi)聚斷裂比例繼續(xù)下降.

3.2.2 不同寬度微結(jié)構(gòu)

具有不同寬度微結(jié)構(gòu)的焊接件連接界面微觀觀測結(jié)果如圖11 所示.微觀觀測結(jié)果表明，當(dāng)微結(jié)構(gòu)寬度小于等于300 μm 時，塑料熔融后能夠?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)進行充分填充，在此區(qū)間內(nèi)，隨著微結(jié)構(gòu)寬度的增加，填充塑料能夠承受更大的拉伸剪切應(yīng)力，焊接件的焊接接頭強度隨微結(jié)構(gòu)寬度的增加而增加；當(dāng)微結(jié)構(gòu)寬度為400 μm 時，熔融塑料體積有限無法完全填充微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)孔洞等未填充缺陷，金屬與塑料的有效連接面積減少，焊接件在拉伸剪切過程中缺陷處易產(chǎn)生斷裂，金屬與塑料的焊接接頭強度減??；繼續(xù)增加微結(jié)構(gòu)寬度，熔融塑料對微結(jié)構(gòu)的填充效果繼續(xù)下降，缺陷尺寸繼續(xù)增加，金屬與塑料的焊接接頭強度繼續(xù)減小.

圖11 不同寬度微結(jié)構(gòu)焊接件連接界面SEMFig.11 SEM images of the interface of welded microtextures with different widths.(a) 300 μm;(b) 400 μm; (c) 500 μm; (d) 600 μm

為進一步分析微結(jié)構(gòu)寬度對焊接接頭強度的影響機制，對焊接件拉伸剪切斷面進行分析，具有不同寬度微結(jié)構(gòu)的焊接件拉伸剪切斷面微觀觀測結(jié)果如圖12 所示.當(dāng)微結(jié)構(gòu)寬度從200 μm 增加到300 μm 時，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充塑料的抗剪強度增加，同時斷面微觀觀測結(jié)果顯示，斷面微結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留塑料增多，內(nèi)聚斷裂比例上升，金屬與塑料的焊接接頭強度增加；當(dāng)微結(jié)構(gòu)寬度為400 μm 時，熔融塑料無法對微結(jié)構(gòu)進行充分填充，出現(xiàn)未填充缺陷，缺陷處易發(fā)生斷裂，內(nèi)聚斷裂比例下降，焊接接頭強度減小；隨著微結(jié)構(gòu)寬度繼續(xù)增加，未填充缺陷擴大，內(nèi)聚斷裂比例繼續(xù)下降，金屬與塑料的焊接接頭強度繼續(xù)減小.

圖12 不同寬度微結(jié)構(gòu)焊接件拉伸斷面SEMFig.12 SEM images of tensile fracture section of welded parts with microstructure at different widths.(a) 200 μm；(b) 300 μm；(c) 400 μm；(d)600 μm

3.2.3 不同間隔距離微結(jié)構(gòu)

由圖7 可以看到隨著微結(jié)構(gòu)間隔距離的增加，5182 鋁合金與PA66 焊接件的抗拉載荷持續(xù)減小.為進一步探究微結(jié)構(gòu)間隔距離對5182 鋁合金與PA66 焊接接頭強度的影響機制，引入微結(jié)構(gòu)加工區(qū)域覆蓋率計算，結(jié)合覆蓋率對金屬與塑料的焊接接頭強度進行分析，覆蓋率計算式為

式中：θ為加工區(qū)域微結(jié)構(gòu)的覆蓋率；D為單個微結(jié)構(gòu)的寬度(μm)；N為加工區(qū)域微結(jié)構(gòu)的數(shù)量；S為微結(jié)構(gòu)加工區(qū)域面積(μm)，經(jīng)計算不同間隔距離微結(jié)構(gòu)焊接件的微結(jié)構(gòu)覆蓋率如表2 所示.

表 2 焊件上不同微結(jié)構(gòu)間隔對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)覆蓋率Table 2 Microstructure coverage corresponding to different spacing on the weldment

加工區(qū)域微結(jié)構(gòu)覆蓋率隨微結(jié)構(gòu)間隔距離變化曲線如圖13 所示.隨著微結(jié)構(gòu)間隔距離的增加，加工區(qū)域內(nèi)覆蓋率逐漸降低，微結(jié)構(gòu)覆蓋率的下降導(dǎo)致金屬與塑料連接區(qū)域面積減少，金屬與塑料的焊接接頭強度隨間隔距離的增加持續(xù)減小.

圖13 加工區(qū)域微結(jié)構(gòu)覆蓋率隨微結(jié)構(gòu)間隔距離變化曲線Fig.13 Microstructure coverage of machining are a varies with the microstructure spacing

4 結(jié)論

(1) 金屬與塑料的焊接接頭強度隨微結(jié)構(gòu)深度和寬度的增加呈先增加后下降的趨勢，焊接接頭強度隨微結(jié)構(gòu)間隔距離的增加持續(xù)減小.

(2) 金屬與塑料的焊接接頭強度與微結(jié)構(gòu)的填充效果有關(guān)，當(dāng)微結(jié)構(gòu)尺寸較小時，熔融塑料能夠?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)進行充分填充；隨著微結(jié)構(gòu)尺寸的增加，金屬與塑料的焊接接頭強度增加.當(dāng)熔融塑料無法對微結(jié)構(gòu)進行充分填充時，產(chǎn)生未填充缺陷，缺陷處易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致焊接接頭強度減小.

(3) 金屬與塑料的連接強度與連接面積有關(guān)，隨著微結(jié)構(gòu)間隔距離的增加，微結(jié)構(gòu)覆蓋率下降，金屬與塑料的連接面積減少，金屬與塑料的焊接接頭強度隨間隔距離的增加持續(xù)減小.