徐良，李康寧，楊海鋒，宋坤林，谷世偉

(1.哈焊國(guó)創(chuàng)(青島)焊接工程創(chuàng)新中心有限公司,青島,266111；2.國(guó)家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心,青島,266111)

0 序言

碳纖維是高強(qiáng)度高模量纖維材料，將碳纖維作為增強(qiáng)體對(duì)樹脂、水泥、金屬或橡膠進(jìn)行強(qiáng)化可以大大提高材料的比強(qiáng)度及比剛度，輕量化效果十分明顯.碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料(carbon fiber reinforced thermoplastic resin matrix composite material，CFRTP)作為其中的典型材料，在航空航天、汽車、新能源、醫(yī)療及體育器械等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1].隨著CFRTP材料的商業(yè)化應(yīng)用，其與鋼、鋁合金及鈦合金等結(jié)構(gòu)材料的高質(zhì)量連接技術(shù)得到了廣泛關(guān)注與研究.膠接、機(jī)械連接及焊接技術(shù)作為工程領(lǐng)域常用的連接手段，在金屬-CFRTP連接中得到了大量研究及應(yīng)用[2-3].膠接工藝膠接劑固化時(shí)間長(zhǎng)、效率低且對(duì)環(huán)境敏感，螺接及鉚接等機(jī)械連接時(shí)復(fù)合材料需預(yù)制連接孔，易導(dǎo)致材料產(chǎn)生分層或纖維拔出、斷裂等缺陷從而影響基體性能，且螺接及鉚接結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度.超聲波焊接[4]、摩擦焊接[5]、熱壓焊接[6]及激光焊接[7]等方法在金屬-CFRTP連接中各具優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，其中激光焊接以其高能量、高效率、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在金屬-CFRTP連接中體現(xiàn)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

金屬與CFRTP材料由于熔點(diǎn)差異、熱膨脹系數(shù)差異等因素，其連接存在焊接難度大，接頭強(qiáng)度低，易開裂等問題.研究表明通過對(duì)金屬表面進(jìn)行化學(xué)處理[8]、機(jī)械處理[9]或激光毛化處理[10-11]可以大幅提高金屬-CFRTP接頭強(qiáng)度.激光毛化技術(shù)由于具有可以在金屬表面制備微米級(jí)至毫米級(jí)微織構(gòu)，且微織構(gòu)形狀和密度均可以調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，科研人員在金屬-CFRTP接頭的連接領(lǐng)域開展了大量基礎(chǔ)研究.Amend等人[12]通過激光毛化微織構(gòu)的引入，實(shí)現(xiàn)了PC及PA6與5 182鋁合金的有效連接，研究表明孔洞狀微織構(gòu)接頭19.7 MPa的強(qiáng)度高于網(wǎng)格狀微織構(gòu)接頭16 MPa的強(qiáng)度，孔洞狀微織構(gòu)未能實(shí)現(xiàn)全部填充，微織構(gòu)底部氣孔的存在影響了接頭強(qiáng)度的進(jìn)一步提升.Zhang等人[13]通過激光毛化微織構(gòu)的引入將碳纖維增強(qiáng)PA6-7050鋁合金接頭的強(qiáng)度從8.5 MPa提高到39 MPa.

Lambiase等人[14-15]基于激光毛化工藝，通過激光點(diǎn)焊及攪拌摩擦點(diǎn)焊均實(shí)現(xiàn)了PEEK與5053鋁合金的連接，當(dāng)激光毛化微織構(gòu)間距為200 μm，深度為70 μm時(shí)，激光點(diǎn)焊及攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的強(qiáng)度分別為30 MPa和47 MPa，分別達(dá)到PEEK基體強(qiáng)度的53%及83%.此外，Lambiase等人[16]還研究了基于激光毛化技術(shù)的激光焊接工藝參數(shù)對(duì)PVC-5053鋁合金接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)熱輸入不足時(shí)激光毛化微織構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)完全填充，而當(dāng)熱輸入過高時(shí)PVC易產(chǎn)生分解進(jìn)而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低;當(dāng)焊接線能量為120 J/mm時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值15.3 MPa，為PVC母材強(qiáng)度的71%.Rodriguez-Vidal等人[17]研究了激光毛化微織構(gòu)間距及取向?qū)Σ＠w增強(qiáng)PA6-低合金鋼HC420LA接頭強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明微織構(gòu)間距對(duì)接頭強(qiáng)度具有明顯影響，而微織構(gòu)取向?qū)宇^強(qiáng)度影響不明顯.

目前的研究主要集中在微織構(gòu)形式對(duì)金屬-CFRTP接頭強(qiáng)度的影響，而在微織構(gòu)特征及其作用原理方面研究較少.因此，該文基于現(xiàn)有研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)分析微織構(gòu)特征對(duì)鋁合金-CFRTP接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律及作用機(jī)理，以進(jìn)一步提高鋁合金-CFRTP的接頭強(qiáng)度，促進(jìn)CFRTP材料在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

金屬材料選擇1.5 mm厚6061-T6鋁合金板材，抗拉強(qiáng)度為354 MPa，延伸率為10%.6061-T6鋁合金化學(xué)成分如表1所示.

CFRTP基體材料為聚己二酰己二胺(PA66)，增強(qiáng)基為短桿碳纖維，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，碳纖維均勻分布于樹脂基體中.CFRTP的主要力學(xué)性能和熱性能如表2所示.

表2 CFRTP主要力學(xué)性能和熱性能Table 2 Main mechanical properties and thermal properties of the CFRTP

1.2 激光毛化微織構(gòu)設(shè)計(jì)

采用納秒激光器對(duì)6061鋁合金板表面指定區(qū)域進(jìn)行激光毛化處理，織構(gòu)形式選擇網(wǎng)格狀，織構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示.網(wǎng)格微織構(gòu)關(guān)鍵尺寸包含深度h、寬度w及間距d，如圖2所示.前期研究表明，當(dāng)網(wǎng)格間距d=200 μm時(shí)，鋁合金-CFRTP接頭具有較高的強(qiáng)度，該研究結(jié)果與文獻(xiàn)[14,17]的結(jié)果一致.為進(jìn)一步研究微織構(gòu)深度h對(duì)接頭性能的影響，在保持激光掃描速度2 m/s、激光重復(fù)頻率80 kHz、激光毛化功率50 W的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整激光毛化次數(shù)實(shí)現(xiàn)微織構(gòu)深度h的控制，微織構(gòu)寬度w則隨著深度h的增加發(fā)生變化.不同激光毛化次數(shù)下微織構(gòu)深度h及寬度w的變化如表3所示.

圖1 網(wǎng)格狀激光毛化微織構(gòu)Fig.1 Grid laser texture.(a) surface;(b) depth

圖2 網(wǎng)格狀激光毛化微織構(gòu)關(guān)鍵尺寸Fig.2 Key dimensions of grid laser texture

表3 激光毛化微織構(gòu)關(guān)鍵尺寸參數(shù)Table 3 Key dimensional parameters of laser texture

隨著深度h的增加，寬度w逐漸減小，這是因?yàn)榧す饷淖饔脵C(jī)理為通過高能量脈沖激光束加熱、熔化并部分汽化鋁合金材料，隨著網(wǎng)格深度的增加，熔化的鋁合金從溝槽中飛出能力減弱，部分凝固在溝槽內(nèi)壁，從而導(dǎo)致寬度的減小，溝槽深度越深，這一現(xiàn)象越明顯.

1.3 接頭設(shè)計(jì)及焊接

6061鋁合金-CFRTP接頭形式為搭接，接頭結(jié)構(gòu)如圖3所示.焊接所用激光器為YLR-10000，額定功率10 000 W，波長(zhǎng)1 068～ 1 080 nm；機(jī)器人為KR 60 HA 6軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人.激光焊接主要參數(shù)為：激光功率為1 000 W，離焦量為0 mm，焊接速度為0.5 m/min；焊接保護(hù)氣選擇純度為99.999%的高純氬氣，流量為25 L/min.為防止激光反射損壞設(shè)備，選擇激光束與豎直方向夾角為10°.

圖3 6061鋁合金-CFRTP搭接接頭設(shè)計(jì)(mm)Fig.3 The schematic of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joint

2 結(jié)果與分析

2.1 截面形貌

6061鋁合金-CFRTP典型接頭，即試樣1-4，其截面形貌如圖4所示.焊縫區(qū)呈典型的“半圓形”特征，焊縫深度為1 mm，熱影響區(qū)寬度僅為0.05 mm.激光毛化微織構(gòu)內(nèi)填滿了熔融的CFRTP材料，即6061鋁合金-CFRTP實(shí)現(xiàn)了有效的機(jī)械嵌合.

圖4 6061-T6鋁合金-CFRTP接頭截面形貌Fig.4 The cross-sectional macroscopic of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joint.(a) weld seam;(b)interface

2.2 CFRTP在激光毛化微織構(gòu)的嵌入分析

CFRTP在激光毛化微織構(gòu)的嵌入主要受微織構(gòu)深度及寬度的影響，選取典型激光毛化微織構(gòu)特征的接頭試樣進(jìn)行截面觀察，結(jié)果如圖5所示.當(dāng)激光毛化微織構(gòu)深度為69.9 μm時(shí)，如圖5(c)所示深寬比為1.61的試樣1-7，CFRTP可以完全填充；而當(dāng)深度增大到109.1 μm時(shí)，如圖5(d)所示深寬比為3.16的試樣1-9，CFRTP只能部分填充.分析認(rèn)為，大深寬比時(shí)“尖角”狀的激光毛化微織構(gòu)增大了熔融CFRTP進(jìn)入微織構(gòu)的難度，造成了CFRTP只能部分填充的結(jié)果.

圖5 典型激光毛化微織構(gòu)接頭試樣截面形貌Fig.5 Typical cross-sectional macroscopic of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joint.(a) sample 1-1;(b)sample 1-4;(c) sample 1-7;(d) sample 1-9

2.3 性能檢測(cè)

對(duì)鋁合金-CFRTP接頭進(jìn)行剪切拉伸檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示.從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著微織構(gòu)深寬比的增大，鋁合金-CFRTP接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)深寬比為1.61時(shí)(深度h=69.9 μm)，接頭拉伸剪切力達(dá)到最大值.CFRTP在激光熱作用下發(fā)生熔化，隨后在冷卻過程中通過鋁合金表面激光毛化微織構(gòu)與鋁合金連接在一起.當(dāng)接頭拉伸斷裂時(shí)，一部份填充到微織構(gòu)的CFRTP從微織構(gòu)溝槽中脫出(粘附斷裂)，另一部份CFRTP與基體剪切斷裂并粘附在鋁合金表面(內(nèi)聚斷裂).

圖6 6061鋁合金-CFRTP接頭拉伸剪切力Fig.6 Tensile shear force of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joints

圖6中不同斷口形式如圖7所示.隨著微織構(gòu)深度h的增大，鋁合金-CFRTP接頭的斷裂形式由斷口1的“粘附斷裂+內(nèi)聚斷裂”轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗫?的“CFRTP母材斷裂”，再轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗫?的“粘附斷裂+內(nèi)聚斷裂”，當(dāng)斷裂位置發(fā)生在CFRTP母材時(shí)，接頭拉伸剪切力達(dá)到最大.

圖7 6061鋁合金-CFRTP接頭拉伸剪切斷口宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of tensile shear fracture of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joint.(a) fracture 1;(b)fracture 2;(c) fracture 3

為了進(jìn)一步研究激光毛化微織構(gòu)對(duì)鋁合金-CFRTP接頭性能提升的貢獻(xiàn)，基于試樣1-7微織構(gòu)結(jié)構(gòu)，采用激光清洗將激光毛化飛濺物去除，并在相同焊接參數(shù)下完成6061鋁合金-CFRTP的激光焊接，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示.對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與不做處理的試樣相比，優(yōu)選的激光毛化微織構(gòu)將鋁合金-CFRTP接頭性能提高了1.6倍，其中激光毛化飛濺物對(duì)接頭性能的提高占0.4倍.在優(yōu)選激光毛化參數(shù)下，界面結(jié)合、激光毛化微織構(gòu)機(jī)械嵌合和激光毛化飛濺對(duì)鋁合金-CFRTP接頭性能的貢獻(xiàn)比例分別約為38%、46%和16%.

表4 不同鋁合金表面對(duì)接頭性能的影響Table 4 Effect of different aluminum alloy surfaces on joint performance

2.4 斷口分析

為研究激光毛化微織構(gòu)特征對(duì)斷裂的影響，選取典型接頭鋁合金側(cè)斷口進(jìn)行觀察，并對(duì)與相應(yīng)的CFRTP側(cè)斷口進(jìn)行線輪廓測(cè)量，結(jié)果分別如圖8及圖9所示.從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光毛化微織構(gòu)深寬比較小時(shí)，絕大部分CFRTP從微織構(gòu)溝槽中全部脫出(粘附斷裂)，極少部分嵌入溝槽中的CFRTP在鋁合金界面處發(fā)生剪切斷裂(內(nèi)聚斷裂)；隨著激光毛化微織構(gòu)深寬比的增加，CFRTP發(fā)生脫出的面積逐漸減小而發(fā)生剪切斷裂的面積逐漸增大.與此對(duì)應(yīng)的CFRTP側(cè)的斷口形貌及表面線掃輪廓顯示當(dāng)激光毛化微織構(gòu)深度h較小時(shí)，嵌入溝槽中的CFRTP在剪切拉伸過程中脫出，其線掃形貌與激光毛化微織構(gòu)形貌一致；隨著激光毛化微織構(gòu)深度h的增加，CFRTP側(cè)的表面線掃輪廓顯示為雜亂的剪切撕裂特征.

圖8 典型激光毛化微織構(gòu)接頭試樣斷口形貌-鋁合金側(cè)Fig.8 Typical fracture morphology of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joints (aluminum alloy side).(a)sample 1-1;(b) sample 1-4;(c) sample 1-7;(d)sample 1-9

圖9 典型激光毛化微織構(gòu)接頭試樣斷口形貌-CFRTP側(cè)Fig.9 Typical fracture morphology of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joint (CFRTP side).(a) sample 1-1;(b) sample 1-4;(c) sample 1-7

2.5 鋁合金-CFRTP界面分析

對(duì)6061鋁合金-CFRTP界面的分析,如圖10所示.測(cè)試位置及測(cè)試結(jié)果如圖10(a)所示，在鋁合金的邊界處存在元素過渡區(qū)域，在該過渡區(qū)C元素向鋁合金方向擴(kuò)散時(shí)含量逐漸變低，而Al元素含量逐漸升高.圖10(b)是鋁合金-CFRTP界面高分辨TEM圖，鋁合金與CFRTP實(shí)現(xiàn)了部分原子級(jí)別的連接.上述研究表明，鋁合金與CFRTP激光焊接頭通過外界壓力、元素?cái)U(kuò)散等作用，實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)別緊密結(jié)合.文獻(xiàn)[7,18-20]研究表明鋁合金-CFRTP連接界面存在化合物Al4C3和化學(xué)鍵Al-OC鍵、Al-C鍵，這些化合物及化學(xué)鍵的生成，進(jìn)一步增強(qiáng)了鋁合金-CFRTP接頭強(qiáng)度.該文后續(xù)研究中借助TEM，XPS等手段進(jìn)一步分析鋁合金-CFRTP界面化合物及化學(xué)鍵的產(chǎn)生及其對(duì)接頭性能的影響.

圖10 鋁合金-CFRTP界面分析Fig.10 Interface analysis of 6061 aluminum alloy-CFRTP lap joint.(a) EDS;(b) TEM

2.6 激光毛化飛濺物對(duì)性能的影響分析

激光毛化的作用機(jī)理為通過高能量脈沖激光束加熱、熔化并部分汽化鋁合金材料，從而在鋁合金表面形成微織構(gòu).熔化的鋁合金在激光束及鋁合金蒸汽的雙重作用下飛濺，并堆積在微織構(gòu)溝槽兩側(cè)形成飛濺.當(dāng)飛濺高度較低時(shí)，飛濺可以在鋁合金-CFRTP焊接過程中扎入熔融的CFRTP內(nèi)部，從而產(chǎn)生“釘扎”作用，如圖5(b)的試樣1-7所示，該“釘扎”作用在接頭發(fā)生剪切斷裂時(shí)也無法從CFRTP中脫出，而是發(fā)生剪切斷裂并留在CFRTP一側(cè)，如圖11(a)所示.結(jié)合2.3節(jié)分析可知，“釘扎”結(jié)構(gòu)可以提高接頭強(qiáng)度.而當(dāng)飛濺高度較高時(shí)，飛濺物堆積在微織構(gòu)溝槽兩側(cè)，增大了微織構(gòu)深寬比，進(jìn)而增大了熔化的CFRTP進(jìn)入激光毛化微織構(gòu)的難度，造成了鋁合金-CFRTP接頭性能的降低，如圖11(b)所示.

圖11 鋁合金飛濺物對(duì)接頭的影響Fig.11 Effects of aluminum splash on joints.(a) aluminum splash remaining in CFRTP fracture;(b)aluminum splash impedes tightly fit

3 結(jié)論

(1)利用激光毛化技術(shù)在鋁合金表面構(gòu)建微織構(gòu)，并通過激光焊接可以獲得成形良好且性能優(yōu)異的鋁合金-CFRTP搭接接頭，接頭通過外界壓力、元素?cái)U(kuò)散等作用，實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)別緊密結(jié)合.

(2)隨著激光毛化微織構(gòu)深寬比的增大，熔融CFRTP在鋁合金表面微織構(gòu)中由全部填充轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠痔畛洌讳X合金-CFRTP接頭剪切性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；接頭失效機(jī)制呈現(xiàn)混合斷裂(粘附斷裂+內(nèi)聚斷裂)-CFRTP母材斷裂-混合斷裂的變化.當(dāng)微織構(gòu)深寬比達(dá)到1.2～ 1.6時(shí)接頭拉伸剪切性能值最大，此時(shí)斷裂位置位于CFRTP母材.

(3)激光毛化微織構(gòu)對(duì)鋁合金-CFRTP接頭強(qiáng)化機(jī)理為增強(qiáng)機(jī)械嵌合作用及飛濺的“釘扎”作用，在優(yōu)選激光毛化參數(shù)下，界面結(jié)合、機(jī)械嵌合和飛濺對(duì)鋁合金-CFRTP接頭性能的貢獻(xiàn)比例分別約為38%，46%和16%.