1 引言

碳纤维热塑性复合材料(CFRTP)是一种轻质、高强、抗疲劳、耐腐蚀的高性能新型材料,在汽车、航空、无人机等领域有着广阔的应用前景^[1-2]。铝合金材料具有低密度的特点,已在新能源汽车、航空航天领域大量应用^[3]。实现CFRTP和铝合金的高质量连接对于先进飞行器、新能源汽车以及轨道交通轻量化制造具有重要意义。目前,金属-CFRTP材料的连接以机械紧固、胶接和焊接为主。其中:机械紧固成熟可靠,但因工件的质量较大,易形成应力集中;胶接实用简单,但环境适应性差,在冷热交变载荷下接头容易失效^[4]。激光焊接具有非接触、焊接质量好、易于实现自动化等特点,在工业领域被广泛应用。

近年来,国内外学者在金属-CFRTP激光焊接的连接机理、工艺优化、缺陷控制等方面展开了一系列研究,如:Jung等^[5-7]利用激光热传导焊接先后实现了CFRP和不锈钢、铝合金、镀锌钢的搭接焊,并分析了工艺参数对接头连接强度的影响规律;Roesner等^[8-9]采用脉冲激光在金属材料表面加工出了宽40 μm、深50 μm的凹槽,这一措施使得玻璃纤维增强热塑性复合材料与金属搭接接头的剪切强度提升至24 MPa;谭向虎等^[10-11]在不锈钢表面进行镀铬处理后发现,在搭接接头处形成的化学键能有效提高接头的强度;黄怡洁等^[12]实现了PMMA与304不锈钢的激光搭接焊,结果发现焊接速度和脉冲宽度是对焊接强度影响最大的两个参数;佟艳群等^[13]探究了焊前激光预处理对铝合金表面氧含量分布的影响;夏佩云等^[14]验证了铝合金焊前激光清洗工艺的可行性,并发现焊前采用激光加工样件表面能有效提高焊接接头的强度;焦俊科课题组^[15-18]对金属与CFRTP材料的搭接焊进行了深入研究,建立了CFRTP-不锈钢激光连接的热接触有限元模型,实现了焊接过程热效应的有效预测,并发现在金属表面进行微织构化处理和添加适当厚度的树脂层可大幅提高CFRTP-金属的连接强度,得到的铝合金-CFRTP搭接接头的强度可达37.5 MPa。

目前,国内外学者对CFRTP-金属连接技术的研究主要集中在搭接焊上,几乎没有人对CFRTP-金属的对接焊进行过研究,因为CFRTP-金属的对接连接实现起来相对困难,接头强度也有待进一步提升。但是,CFRTP-金属对接焊接头在工业中经常遇见,在某些先进飞行器零部件的轻量化制造中,对接接头是搭接接头无法取代的。因此,开展CFRTP-金属高质量对接焊技术的探索研究,提升接头的连接强度,对于推动CFRTP-金属连接技术的发展具有重要意义。

本文针对CFRTP-铝合金激光对接焊技术展开了探索性研究,分析了激光对接焊的原理、焊接工艺参数对强度的影响规律以及焊接接头的失效形式,为实现CFRTP-金属高质量连接提供参考。

2 试验方法与试验设计

2.1 CFRTP-铝合金对接焊试验

7075铝合金-CFRTP对接焊原理如图1所示。高速旋转的激光束在铝合金表面扫描加热,产生的热量通过铝合金传导至连接界面,使得添加的PA树脂和CFRTP树脂基体熔化,熔融树脂在外部夹具压力的作用下流动到铝合金表面的微织构中,冷却凝固后就会将铝合金和CFRTP连接起来。

图 1. 焊接夹具及焊接原理示意图

Fig. 1. Schematic of welding fixture and welding principle

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焊接试验在机器人激光焊接系统上进行,该系统主要包括4000 W连续光纤激光器、ABB机器人、旋转激光焊接头、焊接工装等。焊接激光头配装的旋转电机带动光学镜片使激光光束高速旋转,ABB机器人控制激光头移动的方向,两者共同作用形成螺旋前进的扫描路径,实现激光的搅拌焊接。激光搅拌焊接相对于直线焊接可以有效减小激光局部加热对铝合金的热损伤^[19-20],降低接头的气孔率,提高接头的疲劳寿命。为了进一步减小激光热源对铝合金的局部热损伤,焊接过程中采用正离焦激光加热,并使用纯度为99.99%的氩气作为保护气体,以防止铝合金表面被氧化。另外,焊接前采用纳秒脉冲激光器在铝合金表面制备微织构,激光器的功率为100 W,波长为1064 nm,脉冲频率为20 kHz,脉宽为72 ns。焊接完成后,采用万能材料试验机、扫描电子显微镜(SEM)、温度记录仪对样件的拉伸强度、微观组织、焊接温度进行表征。

2.2 试验设计

试验选用的CFRTP和7075-T6铝合金的尺寸均为50 mm×25 mm×2 mm。CFRTP的基体为PA树脂,其体积分数约为50%,增强相为T700连续碳纤维。试验中各材料的热物理参数如表1所示。

在进行焊接试验前,先用砂纸将CFRTP表面打磨平整,然后将其放到去离子水中进行超声清洗,最后置于35 ℃的干燥箱中干燥8 h。采用纳秒脉冲激光对铝合金表面进行微织构化,根据前期试验选择合适的参数^[15]。本次试验选择的参数如下:网格间距为0.1 mm,扫描速度为1000 mm/s,扫描次数为30次。铝合金表面生成的有规律的微织构如图2所示。 图2Fig. 2在CFRTP-铝合金激光对接焊过程中,影响接头处热量分布的主要因素包括激光功率、焊接速度、搅拌振幅、搅拌频率、夹具气压和激光离焦量。其中,焊接速度为ABB机器人移动的速度,搅拌频率为旋转电机画圆的频率。这两者共同决定了搅拌圆的间距,如图3所示。 图3Fig. 3激光扫描区域为搅拌圆中心距接头2 mm处的铝合金表面。在此距离内,当正离焦量为40 mm,搅拌圆直径为1.2 mm时,熔池的宽度最大,激光束不会直接照射到CFRTP表面(观察熔池区域可知)。根据前期试验结果,本文设计了六因素五水平正交试验,各因素和水平如表2所示,焊接参数如表3所示。在焊接过程中用温度记录仪进行测温,试验设计如图4所示,热电偶探头夹在接头处。为了避免探头位置变化带来的误差,在同一样件上对不同的参数进行测试。每组测试前均将样件冷却至室温,采样间隔为0.1 s。

图 4. 测温装置与测温方法

Fig. 4. Temperature measuring device and method

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3 试验结果及分析

3.1 拉伸试验

为了研究焊接参数对连接强度的影响规律,需要对焊接样件进行拉伸试验。本文得到的连接强度(抗拉强度)如图5所示。

在焊接试验中,样件6、11、16、21、22、23因热输入量过大,没有形成有效的连接接头,图6(a)所示;而CFRTP材料由于热输入量过大、温度过高,树脂基体开始熔化,并在夹具的压力下被铝合金挤压变形,严重时甚至出现明火。将这种情况下的最大载荷记为0。其余样件均形成了有效连接,如图6(b)所示。根据最大载荷的大小可将这些样件分为4组,分组情况如图5所示。从每组中各抽取一个样件,分别为样件7(11.7 MPa)、样件14(10.1 MPa)、样件17(7.2 MPa)、样件9(3.9 MPa),将它们分别记为样件A、B、C、D。

图 5. 各组试验得到的抗拉强度

Fig. 5. Tensile strength obtained in each experimental group

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图 6. 样件示意图。(a)焊接失败的样件;(b)焊接成功的样件

Fig. 6. Schematic of samples. (a) Failed welding sample; (b) successful welding sample

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3.2 接头断裂和失效分析

为了进一步明晰连接工艺参数对接头强度的影响规律,本文对样件A、B、C、D拉伸后的接头断裂形貌进行了观察,并进一步分析了接头的失效机制。样件A接头的表面形貌如图7所示,可见:铝合金表面存在大量被撕裂的碳纤维丝和树脂,微织构缝隙中有均匀的树脂,PA树脂和金属表面结合良好,连接强度高;在CFRTP表面仅存在少量被撕裂的树脂,较大区域内有断裂的纤维丝,CFRTP表层大面积撕裂。在这种情况下,PA树脂的熔融程度较高,与金属、CFRTP结合充分,连接强度高。因此,拉伸时接头的断裂发生在CFRTP表层,接头的失效形式为CFRTP基体撕裂。

图 7. 样件A接头断裂后的表面形貌。(a)铝合金表面;(b)复合材料表面

Fig. 7. Surface appearance of sample A joint after fracture. (a) Aluminum alloy surface; (b) composite surface

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样件B接头断裂后的表面形貌如图8所示,图8(a)为铝合金表面形貌,图8(b)为复合材料表面形貌。可见:铝合金表面上半区域的微织构缝隙中有树脂残留,且存在较多断裂的碳纤维丝;CFRTP表面上部区域有大量断裂的碳纤维,接头上部断裂情况与样件A相似,断裂发生在CFRTP表层;铝合金表面中间区域的残留树脂和断裂纤维较上半区域少。

CFRTP中间区域存在微织构状树脂的原因为:焊接时树脂的熔融程度低,流动性差,在压力作用下被挤压出微织构形状,但无法流入到微织构槽中。这种情况下,CFRTP与金属的连接强度较低。金属表面下半区域仅有少量的块状树脂,树脂熔融程度低,无撕裂纤维或树脂存在。CFRTP下部区域存在大量片状树脂,树脂未熔化,无法流入微织构缝隙中。这种情况下CFRTP与金属的结合强度非常低。接头中、下区域的断裂界面均为PA树脂和金属的结合界面。树脂熔融程度从上到下降低,这是因为激光的加工面在金属上表面,越接近上表面,温度越高,树脂的熔融程度越高。

图 8. 样件B接头断裂后的表面形貌。(a)铝合金表面;(b)复合材料表面

Fig. 8. Surface appearance of sample B joint after fracture. (a) Aluminum alloy surface; (b) composite surface

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样件C接头的表面形貌如图9所示,图9(a)为铝合金表面形貌,图9(b)为复合材料表面形貌。可见,树脂在铝合金表面上半区域覆盖广且均匀。这是因为焊接时树脂熔融得彻底,流动性高,流入微织构缝隙并均匀分布。树脂在金属表面下半区域覆盖得依旧均匀,但树脂厚度低于上半区域的树脂厚度,且存在大块卷曲的PA树脂。这是因为焊接时下半区域树脂的熔融程度低于上半区域树脂的熔融程度。CFRTP表面被大量树脂覆盖,树脂产生了较多撕裂,且有少量气孔生成。上半区域树脂的撕裂更为密集,下半区域树脂的撕裂规模更大。接头的撕裂位于添加的PA树脂层。树脂层在焊接时的熔融程度高,与金属、CFRTP表面结合良好,但树脂本身可能发生了一定的热损伤,导致接头的强度较弱。

图 9. 样件C接头断裂后的表面形貌。(a)铝合金表面;(b)复合材料表面

Fig. 9. Surface appearance of sample C joint after fracture. (a) Aluminum alloy surface; (b) composite surface

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样件D接头的表面形貌如图10所示。可见:铝合金表面上半区域为成片的树脂,树脂表面光滑,焊接时未彻底熔融;CFRTP上半区域有少量树脂残留,树脂呈撕裂状,CFRTP表面无明显损伤;金属下半区域表面覆盖的树脂少,微织构间隙中无残留树脂;CFRTP下半部分表面裸露,无树脂残留且无损伤。添加的PA树脂可能在拉伸时脱落。样件D焊接时与PA树脂的熔融程度非常低,与金属、CFRTP的结合状况均较差,所以接头强度低,接头撕裂面为树脂与CFRTP的连接面。

图 10. 样件D接头断裂后的表面形貌。(a)铝合金表面;(b)复合材料表面

Fig. 10. Surface appearance of sample D joint after fracture. (a) Aluminum alloy surface; (b) composite surface

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3.3 温度分析

用温度记录仪对A、B、C、D样件接头进行测温。每组参数选取温度变化前1 s开始的200个数据,将其导入Origin软件并生成曲线图,如图11所示。样件A、C的焊接速度均为4 m/s,温度曲线走势接近,温度上升速度较慢,6 s左右时达到最高温度(样件A约为230 ℃,样件C约为330 ℃),持续2~3 s后温度缓慢下降,20 s后温度仍高于50 ℃。样件B、D的焊接速度均为8 m/s,温度曲线走势接近(温度上升、下降速度均快于样件A、C),试验开始3 s即达到最高温度(样件B约为220 ℃,样件D约为180 ℃),随后温度迅速下降,12 s时温度已低于50 ℃。其中:样件A、B接头的最高温度在树脂熔点附近(215~225 ℃,见表1),且样件A接头的保温时间更长;样件C接头的最高温度远超树脂熔点,样件D接头的最高温度未达到树脂熔点。

图 11. 焊接过程中接头的温度测试结果

Fig. 11. Measured joint temperature during welding process

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3.4 极差分析

根据抗拉强度进行极差分析,分析结果如表4所示。计算每个因素在各个水平的算术平均值,再计算每个因素的极差值R_J,然后根据极差值的大小排序即可得到各因素对抗拉强度的影响。按极差值的大小对影响抗拉强度的因素进行排序,影响最大的因素为焊接速度(R_J=259.84),之后依次为离焦量(R_J=256.76)、激光功率(R_J=249.98)、搅拌振幅(R_J=179.02)、搅拌频率(R_J=175.36)和夹具气压(R_J=103.56)。其中:焊接速度、离焦量和激光功率对抗拉强度的影响较大,是影响抗拉强度的主要因素;搅拌振幅、搅拌频率对抗拉强度的影响较小;夹具气压对抗拉强度的影响最小,是影响抗拉强度的次要因素。

4 结论

利用高速旋转焊接技术实现了7075铝合金与CFRTP的对接焊,通过正交试验研究了工艺参数对连接强度的影响规律,分析了接头的温度状况与失效形式,最终得出了以下结论:

1) 对连接强度影响最大的焊接参数为焊接速度,之后依次为离焦量、激光功率、搅拌振幅、搅拌频率、夹具气压。通过正交试验得出,在激光功率为300 W,焊接速度为4 mm/s,搅拌振幅为1 mm,搅拌频率为40 Hz,夹具气压为0.5 MPa,离焦量为25 mm的焊接参数下,CFRTP-7075铝合金的连接强度最高,约为11.7 MPa。

2) 焊接接头处的温度在树脂熔点温度附近时,焊接效果最好。过高的温度可能会导致树脂降解产生气孔,接头强度降低;过低的温度则会使树脂熔融不彻底,流动性不足,无法流入到铝合金表面的微槽中,导致铝合金与CFRTP的结合强度较低。

3) CFRTP-铝合金对接焊接头的失效形式主要有CFRTP表层撕裂、添加的PA树脂撕裂、树脂-铝合金结合界面断裂等,其中CFRTP表层撕裂方式下接头的连接强度最高。