表面处理对铝-CFRTP激光焊接功率及接头强度的影响

2019-01-22胡沛源褚卫东王大明

电焊机 2018年12期

刘雷，耿正，王敏，孔谅，胡沛源，褚卫东，王大明

（1.上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点试验室，上海200240；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240；3.华域汽车车身零件（上海）有限公司，上海200433）

0 前言

热塑性碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced thermoplastic/polymer，CFRTP）是由堆叠编织的碳纤维丝束作为增强体、树脂（塑料）作为基体的复合材料，具有超高比强度和刚度[1-3]，在航空航天领域已得到较为成熟的应用。例如，波音787客机大量使用碳纤维增强复合材料，与传统铝结构相比，总质量减轻20%[4]；奥迪R8采用铝合金-碳纤维增强复合材料，车身结构质量减轻15%[5]；宝马电动汽车i3和i8用碳纤维增强的复合材料代替钢，既减轻了车重，生产过程中又节约了50%的能源和70%的水消耗。

目前CFRTP和金属之间主要的连接方式为胶接和机械连接，但胶接需要对CFRTP进行表面处理以提高润湿性和表面张力，且固化时间很长[6]。机械连接容易产生应力集中等问题，相关报道表明空客A380的机翼上CFRTP筋与铝合金采用机械连接时产生了裂纹，可能导致整个组件失效[7]。这些问题限制了机械连接和胶接的应用和发展。激光焊接是一种利用高能激光束加热的焊接方法，可用于热塑性碳纤维增强复合材料（CFRTP）和金属的连接。激光焊接的主要优势是能量集中、焊接效率高、可及性高、容易实现自动化生产等[8-9]。大量学者[10-16]进行了铝合金和异质材料的激光焊接研究，Roesnera等人[10-11]研究了玻璃纤维增强的尼龙66（GF-PA66）与铝合金的异种材料激光焊接，焊前先用脉冲激光进行表面预处理，即在铝合金表面先用激光加工出一系列微小凹槽，再进行激光焊接，接头剪切强度达到24 MPa。Jung研究团队[12-14]分别研究了碳纤维增强的热塑性复合材料（CFRTP）与不锈钢、镀锌钢板、铝合金异种材料激光焊接，探索激光功率和激光焊接接头力学性能之间的变化规律，发现接头的最大拉剪力可达3 000 N，观察接头断裂后的界面微观组织发现，CFRTP内部存在大量微孔，这是影响激光焊接接头强度的主要因素之一。Huang[15-16]等人采用激光焊接技术实现了CFRTP与钛合金之间的连接，研究了激光功率、焊接速度对CFRTP与钛合金激光焊接接头性能的影响规律；同时分析了接头的连接机理，认为CFRTP与钛合金的激光焊接机理主要有两个：一是接头处有Ti-C和Ti-O化学键结合力；二是机械嵌合作用，即在激光焊接的高温作用下，CFRTP的树脂基体材料熔融后渗入到钛合金表面的微观结构中，从而形成微观机械连接。

本研究进行CFRTP和6061-T6铝合金采用激光焊连接的可行性分析，分析不同表面处理后的铝合金和CFRTP激光焊接的拉剪强度及对应的激光功率区间，通过接头微观形貌初步阐释激光焊接接头的连接机理。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为100mm×25mm×2mm的A6061-T6铝合金板，它具有合适的强度、良好的抗腐蚀性能、较高的氧化效果而被广泛应用于汽车领域。热塑性碳纤维增强复合材料选用德国恩欣格公司的100 mm×26 mm×2.3 mm的30%短碳纤维增强的聚苯硫醚，CFRTP的热学性能如表1所示。A6061-T6铝合金和CFRTP的部分物理及力学性能如表2所示。

表1 CFRTP热学性能

表2 A6061-T6铝合金和CFRTP的密度和力学性能

1.2 激光焊接

试验用激光焊接设备主要包括光纤激光器和KUKA机器人系统两部分。光纤激光器是IPG公司生产的YLS-10000-S2多模光纤激光器，系统包括激光发生器、冷却系统和传导光纤等。机器人为德国KUKA公司生产的KR60HA型号6轴工业机器人，负载可达60 kg，重复定位精度±0.05 mm。焊接方式采用搭接，如图1所示。针对A6061-T6铝合金，试验采用了5组不同的表面处理方式（见表3），每组3个试样。

图1 激光焊接示意

表3 CFRTP-铝合金激光焊接试验所用的表面处理方法

2 试验结果与分析

2.1 铝板表面处理方法对激光焊接的影响

铝板经不同表面处理后的焊接接头拉剪强度结果如图2所示。使用酒精清洗的接头最大拉剪力仅为510.8 N，阳极氧化后的接头拉剪强度最高，其次是铝板上表面喷丸处理，但铝板上、下表面都经过喷丸处理后的接头拉剪强度最低。对比组合A和B可知，铝板上表面喷丸处理可以提高接头拉剪强度，下表面进行喷丸处理反而降低了拉剪强度，其原因可能是喷丸处理后铝合金表面粗糙度显著提升，因此在激光焊接时，铝板上表面喷丸处理有利于吸收激光，从而增大焊接可用的功率区间，同时焊缝较细且均匀。铝板下表面喷丸处理后虽然提升了粗糙度，但残留的SiO2降低了其与CFRTP的结合能力，从而降低了拉剪强度。

图2 不同处理方法激光焊接接头力学性能

采用不同的表面处理方法，铝合金与CFRTP的激光焊接功率区间如表4所示，低于区间下限无法焊接，高于区间上限会焊穿。组合A的铝合金上、下表面都仅用酒精清洗，激光焊接功率区间为1 250～1 300 W，区间长度50 W。组合B和C的铝板上表面采用喷丸处理，激光焊接功率区间为900～1 050 W，区间长度150 W。与仅用酒精清洗处理方式相比，喷丸处理可以在降低焊接功率的同时增加焊接功率区间范围。组合D铝板上下表面都为阳极氧化处理，激光焊接功率区间1 200～1 400 W，区间长度200 W。与仅用酒精清洗处理方式相比，扩展了激光焊接功率的上下限，从而显著增加了可用焊接功率区间范围。组合E铝板上下表面都为喷丸+阳极氧化处理，激光焊接功率区间为1 500～1 600W，区间长度100W。与仅用酒精清洗处理方式相比，喷丸+阳极氧化处理增加了区间范围，但同时也使所需焊接功率大大增加。

表4 不同表面处理方法下可用的激光焊接功率区间

2.2 CFRTP-铝合金激光焊接接头连接机理

不同表面处理后的铝合金微观形貌如图3所示，其中左侧放大倍数为50，右侧放大倍数为1000。可以看出，仅用酒精清洗铝合金表面形貌基本不变，喷丸处理后铝合金表面粗糙度明显增大，并且存在少量微观孔洞和喷丸所用材料SiO2。当铝板下表面采用喷丸处理时，残留SiO2会形成弱界面层，从而降低接头强度。阳极氧化后铝合金表面粗糙度少量增加且存在少量微米级孔洞。

图3 不同表面处理后铝合金表面形貌

典型的激光焊接接头断裂后铝合金板的界面形貌如图4所示，黑色区域为嵌入的CFRTP，CFRTP和铝合金连接主要为机械嵌合作用。拉伸测试中，接头沿着拉力方向断裂，d处粘接的CFRTP较为集中，而a、b处粘接的CFRTP较为分散，发现CFRTP中有短棒状碳纤维。铝合金断裂界面上粘接的CFRTP的中央位置c处有密密麻麻的孔洞，产生了弱界面层，从而影响接头强度。