聚合物基体复合材料与金属的连接工艺综述

2021-04-05蒋霄闵峻英林建平张俊

汽车文摘 2021年4期

关键词：铆钉复合材料激光

蒋霄闵峻英林建平张俊

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

主题词：异种材料轻量化机械连接胶接熔焊连接

缩略语

SMC Sheet Molding Compound

FDS Flow Drill Screw

SPR Self Piercing Riveting

FSBR Friction Stir Blind Riveting

CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic

TIG Tungsten Inert Gas

SMAW Shielded Metal Arc Welding

MIG Metal Inert Gas

HAZ Heat Affected Zone

IMC Intermetallic Compound

RSW Resistance Spot Welding

BIW Body in White

LTJ Laser Transmission Joining

LDJ Laser Direct Joining

FSW Friction Stir Welding

USW Ultrasound Welding

1 引言

自1932年出现复合材料这一概念，玻璃纤维增强复合材料便开始用于制造军用飞机的雷达罩；到上世纪60年代，人们相继开发出碳纤维、硼纤维等高强度纤维，复合材料的种类进一步拓宽；如今的复合材料，根据其基体种类可以分为金属复合材料和非金属复合材料2大类。汽车制造行业为了兼顾汽车的安全性能与轻量化水平，现阶段广泛采用以钢为主的多种材料混合结构，纤维增强复合材料等质量较轻材料在车身的应用比重不断增加。树脂基复合材料采用热塑性或热固性的树脂为基体，以其质量轻、刚度高、耐疲劳性和耐腐蚀性一系列优异的性能，越来越多地替代传统金属材料在汽车、航空航天及军工等领域应用[1]。1953 年，世界上第1 辆全复合材料车身Chevrolet Corvette 两座跑车诞生，复合材料开始批量化地应用于汽车工业，随着复合材料在汽车上的应用比重逐年增加，预计2025年单车复合材料使用量将占整车质量的2%[2]。

美国国家航空航天局最早开始着手研究高性能复合材料的机械连接方式，上世纪90年代前后，随着复合材料在民用、军事、航空航天领域的应用越发广泛，美国与欧盟先后对复合材料胶接技术进行研究[3]。与发达国家相比，国内汽车复合材料的应用历史很短而且发展较为缓慢。1996 年国内首次将复合材料应用于车身，南京依维柯汽车有限公司的IVECO小客车SMC 前保险杠由北京汽车玻璃钢制品总公司国产化供货。如今，复合材料在车身外覆盖件上的应用已相当成熟，并开始向内饰件、半结构件及结构件等应用方向发展。但由于复合材料与金属在物理、化学特性方面存在着巨大差异，其连接质量成为制约轻量化制造的关键技术瓶颈[4]，因而对复合材料与金属之间连接技术进行研究有重要价值。

2 复合材料与金属的机械连接

2.1 复合材料与金属的螺接

螺接是目前已发展非常成熟的机械连接方式，这种连接方式没有外部热输入且拆卸比较方便，依靠连接件之间的摩擦传递载荷。当外力增大至超过接触面的摩擦极限后，连接件之间会发生相对滑移，此时的螺杆与孔壁相互挤压，承受着剪切力的作用。

余海燕等人[5]研究了螺栓孔与试样2 端的距离（E）和接头宽度（W）对CFRP-DP980单拉剪切接头性能的影响，当接头承受拉伸载荷时，会出现拉伸破坏、挤压破坏、拉脱破坏和剪切破坏4 种破坏形式之一。Xiao等人[6]对复合材料与金属螺接接头的失效过程进行分解，发现材料先后经历开始损伤、损伤扩展、局部断裂、结构断裂4个阶段，并发现了不同复合材料基体的韧性差异会影响接头的破坏形式。

轻量化车身封闭型腔结构为连接工艺提出了新的挑战，目前广泛采用流钻螺钉（Flow Drill Screw,FDS）单边连接工艺。FDS连接工艺包括螺钉旋转（加热）、板料穿透、板料通孔、攻螺纹、拧螺纹、紧固6个阶段[7]，可连接的材料种类多、且板件被加热，板件与螺钉的接触好，连接强度大。然而，连接件的应用必然会增加结构的质量，且在复合材料钻孔时会切断其中的纤维导致应力集中，进而降低材料自身的抗拉强度，不利于保证连接处的强度[8]。尽管螺接方式仍存在许多问题，但是因为该连接方法的操作简单、技术已相对成熟、能够传递较大载荷，目前仍有较大规模的应用。

2.2 复合材料与金属的铆接

铆接适用较复杂的结构连接，具有易于安装、维修时间短、失效载荷稳定可靠等优点，其连接强度取决于铆钉孔的直径、被连接材料性能和挤压力的大小等[9]。F.Lambiase[10]对不同的复合材料在预热/未预热状态下与铝合金进行铆接实验，发现对复合材料进行预热后，则可以避免复合材料板在铆接过程中发生断裂。

由于传统的铆接工艺需要对材料进行预先钻孔，无法实现生产上的经济性。目前，无需在材料上预先钻孔的自冲铆接工艺（Self Piercing Riveting,SPR）、搅拌摩擦铆（Friction Stir Blind Riveting,FSBR）以及无铆钉铆接工艺，已逐渐成为在金属之间应用非常广泛的机械连接方式。同时，学者们亦开展了上述铆接工艺在复合材料与金属之间连接的相关研究。无铆钉铆接的原理通过冲头对板材进行压力加工，在下模的配合作用下板材产生局部的塑性变形，进而实现机械连接。无铆钉铆接的工艺过程简单且成本低，但其静态强度和疲劳强度都比较低，通常只在行李箱盖、发动机罩、后轮罩等非承载部位应用[11]。

自冲铆接工艺于1978年由Fuhrmeister提出[12]，其原理是通过冲头的运动推动半空心铆钉将上层材料刺穿，进而与下层材料形成机械锁合来实现连接。研究发现，自冲铆接接头的拉伸强度随着铆钉在下层材料底切量的增大而提高，对凹模形貌及铆钉的长度进行优化可以提高底切量。与无铆钉铆接相比，自冲铆具有静态力学性能较好且疲劳寿命高的优点[13]，目前已在通用、奔驰、宝马等公司得到了大量应用。学者们对车身中常用的CFRP与铝合金自冲铆接工艺进行了大量研究，发现将CFRP 作为上层材料时接头的强度更高[14-15]。随着对轻量化的需求进一步提升，要求材料变得更薄、更轻，且材料组合更加多样化，自冲铆接工艺逐渐演化出预加热自冲铆、电辅助自冲铆及自冲摩擦铆焊等新型连接工艺[16]。

搅拌摩擦铆接是一种利用搅拌摩擦生热与铆钉物理膨胀相结合的工艺，其连接过程如图1所示。连接过程中，旋转的抽芯铆钉以进给速度（v）和高主轴转速（ω）接近工件，旋转的抽芯铆钉先后穿透摩擦加热软化的顶部与底部工件，之后抽芯铆钉的杆头受到力（F）的作用芯轴断裂，最终得到FSBR接头。研究发现，复合材料与铝合金的搭接顺序同样对FSBR 接头的强度有影响[17]。

图1 搅拌摩擦铆接过程[17]

目前，上述3 种应用于复合材料与金属之间的新型铆接工艺仍处于研究阶段，尚未在实际生产中得到广泛应用。

3 复合材料与金属的胶接

3.1 复合材料与金属的胶粘连接

胶接是指用胶粘剂将2种材料粘接成不可拆卸的整体，不会对复合材料内部的纤维组织造成损坏，能够很好的克服传统机械连接中应力集中的问题。此外，胶粘剂为连接结构带来的附加质量很少、被粘接材料的表面往往更加美观[18]。由于部分纤维增强复合材料具有导电性，与金属之间存在电位差，在潮湿的环境中相互接触很容易发生电化学腐蚀。胶粘剂可以从物理上隔绝2种材料的直接接触，并避免腐蚀介质从接头的边缘渗入，减少连接处发生腐蚀的风险。

应用胶接的场合有平面胶接与非平面胶接2 大类，根据搭接方式进行细分，平面胶接主要用于制备以下几种接头：常规的单搭接接头、双搭接接头、阶梯搭接接头、对接接头（如图2所示），以及比较特殊的楔形胶粘接头、榫槽胶粘接头等。非平面胶接是指将3维连接结构按照平面胶接方式进行连接，进而制备出L型、Y型、T型接头等。目前，在汽车车身采用胶接连接工艺时多采用单搭接方式。

图2 不同类型搭接接头示意[19]

由于复合材料与金属之间的热膨胀系数存在着显著差异，在胶层固化的过程中，热收缩带来残余应力和变形会影响到搭接结构的力学性能及密封效果[20]。Ni 等人[21]对镀锌钢与SMC 胶接接头进行了水浸试验和3种典型结构胶的相容性试验，发现聚氨酯胶粘剂得到的胶接接头比环氧胶粘剂与丙烯酸胶粘得到的胶接接头的机械性能和耐久性更好。Abed[22]发现，当温度达到胶粘剂的玻璃化转变温度时，胶粘剂的刚度与强度会大幅度降低，在钢板与CFRP 连接处易发生界面剥离。此时，需要通过改变CFRP 的厚薄与长度以保证胶接接头的粘接强度（剥离强度和剪切强度）。

除胶粘剂的种类与温度外，胶接材料的表面质量对胶接性能有显著影响，如在金属胶接前做磷酸阳极化、底胶涂覆等处理可以提高胶接接头的界面粘接强度[23]。Rhee[24]发现经过等离子表面处理的铝与经过辐照后CFRP试样的粘接强度比未经处理的铝-CFRP试样的粘接强度大，等离子的最佳剂量由材料与水的接触角和表面能决定。

尽管胶接避免了工件变形以及应力分布不均匀等问题，但是金属与复合材料之间的胶接技术仍存在一些弊端。比如：低温环境中容易发生脆性断裂，导致接头的断裂失效；胶接接头固化时间长，产品的生产效率低，以至于附加成本随之增加；胶粘剂的配方与用量难以精确控制，粘接强度不稳定等等。因此，在车身装配中很少单独使用胶粘连接，往往与其它连接方式混合使用。

3.2 复合材料与金属的胶铆混合连接

胶铆混合连接工艺，是在被连接件的连接位置涂覆结构胶，然后再进行铆接的工艺。熊勇坚等人[25]同时对铝合金与CFRP 进行铆接、胶接与胶铆混合连接实验，发现铝合金-CFRP铆接接头的失效模式为铆钉剪切破坏、胶接接头的失效模式为胶层失效、混合接头最先发生胶层失效，后因铆钉剪切破坏而整体失效，从而得出：胶铆混合接头的剪切性能显著优于纯胶接和纯铆接得到的接头。

4 复合材料与金属的焊接

4.1 复合材料与金属的电弧焊

目前，异种材料熔焊技术大致可以分为5 个类别（如图3所示），其中最常用的熔焊连接方法是电弧焊，如钨极气体保护焊（Tungsten Inert Gas,TIG）、金属保护焊（Shielded Metal Arc Welding,SMAW）和气体保护焊（Metal Inert Gas,MIG）。电弧焊利用的是电能向热能转变，首先将焊条和工件熔化，待2者冷凝后形成焊缝来实现连接的过程。由于焊接参数调节方便、对工件的尺寸及形状的适应性强，目前在异种材料连接领域受到了广泛关注。与其他焊接技术相比，电弧焊适用于金属类复合材料的连接，所面临的挑战是热影响区（Heat Affected Zone,HAZ）和熔池的尺寸相对较大，易导致在焊接不同金属时产生较大的脆性金属间化合物（Intermetallic Compound,IMC）区域。除此之外，在使用电弧焊技术时填充材料的选择是保证异种材料连接焊缝质量的关键。He 等人[26]通过在钎剂中加入高纯铝粉对其进行改性，并采用高频感应热丝脉冲减小电弧热输入，从而对TIG 焊接接头界面组织与形貌进行控制，大幅度提升了接头的抗拉强度。

图3 焊接技术分类

4.2 复合材料与金属的电阻焊

电阻焊利用的是电流通过焊件及接触处产生的电阻热，将焊件加热到熔化或塑性状态，在加压的状态下粘合到一起。电阻点焊（Resistance Spot Welding，RSW）具有自动化程度高、灵活性高、成本低、薄板间隙容差率好等优点，是以钢铁为主的汽车白车身（Body in White,BIW）生产的主流解决方案，在当今整车厂中的运用十分广泛。除点焊外，电阻焊可以用于加工尺寸长且直的焊缝等。为了尽量避免电流泄漏，往往采用编织紧密的不锈钢电焊网作为加热元件，所需要的焊接压力低且焊接次数少。然而，采用电阻焊接时，使用的加热元件会残留在接头连接处，会导致连接处产生应力集中、热变形等问题。此外，在焊接碳纤维增强热塑性复合材料时，由于空气的导热能力差，在焊接面的中心还未达到熔点时边缘树脂已过度熔化，会导致植入体和材料碳纤维发生接触而破坏焊接过程。因此，现阶段复合材料与金属的电阻焊工艺尚未在实际生产中得到应用。

4.3 复合材料与金属的激光焊

激光焊接技术是近年发展起来的一种实现金属材料与复合材料连接的新方法[27-28]，该技术拥有非接触性加工、易于自动化、效率高等独特的优势，是熔焊连接中适用性非常广泛的连接方式。根据焊接过程中是否要用到焊丝，分为需要焊丝的激光钎焊、激光填丝焊和无需焊丝的激光熔焊。随着复合材料制品在车身等处的大量应用，不仅对连接强度有所要求，同时要连接可靠、尺寸精准、外形美观等。然而，复合材料与金属的激光连接技术仍有许多问题尚未解决，如连接强度低、界面温度难以控制等。新型激光焊接技术主要包括激光透射连接（Laser Transmission Joining,LTJ）和激光直接连接（Laser Direct Joining,LDJ）2种类型，非金属材料在上为激光透射连接，金属在上为激光直接连接。激光透射连接技术的原理如图4（a）所示，激光束穿过透明热塑性材料（如：塑料），其能量在金属上表面集聚形成了热影响区，当界面温度达到塑料的熔化温度后，熔融状态的塑料在外界夹紧力作用下向金属表面扩散，2者形成界面结合。

图4 激光连接示意

激光直连技术是实现金属材料与不透明复合材料（如：碳纤热塑复合材料,CFRTP）之间连接的新方法[29-30]，激光直接照射在金属表面，产生的热量经由金属传递至下层的复合材料，复合材料树脂基体达到熔化温度并在外界夹紧力的辅助下以熔融状态与金属粘接到一起（如图4（b）所示），从而实现金属材料与复合材料的连接，其适用范围比激光透射连接技术更为广泛。

4.4 复合材料与金属的固相焊

固相焊是指被焊接材料在固态下通过接触面的扩散及再结晶，从而达到牢固结合的一种连接方式。与电阻焊和激光焊不同，固相焊过程中的温度不超过金属材料的熔点，消除了其它大多数熔焊中常见的不良化合物、相和冶金缺陷[31-32]。固相焊中的搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）已应用于多个工业部门，其原理是旋转搅拌的焊头通过摩擦热使材料软化，通过机械搅拌将异种材料结合在一起。使用FSW工艺连接的材料通常在连接过程中不会发生熔化，保持其材料特性基本不变是一个很大的优势。但在FSW工艺完成后，接头处会残留与搅拌针形状一致的工艺匙孔（如图5所示），该处会产生应力集中，从而削弱连接处的力学性能。

图5 搅拌摩擦焊接接头[33]；

另外一种用于复合材料与金属之间的固相焊技术是超声波焊接（Ultrasound Welding,USW）。F.Balle[34]等人通过实验获得了强度达到2 460 N 的铝合金-CFRP超声波焊接接头，而CFRP内部的碳纤维没有受到损伤。由于USW 工艺具有所需能量输入少、焊接时间短等优点，目前已成功地应用于锂离子电池制造中不同材料的连接。然而，超声波带来的高频振动容易对连接处附近已有的接头或结构产生破坏，难以应用于车身的制造。

碳纤维增强复合材料在车身上的大量应用，使得其与金属连接中的电化学腐蚀是目前二者连接中亟待解决的问题。由于碳纤维具有较高的电极电位（与贵金属金、铂等类似），当与电极电位较低的金属接触后，若外界环境存在腐蚀介质，会加快金属的腐蚀速率[35]。由于在连接过程中，不可避免材料之间的直接或间接（胶接）接触。因此，碳纤维增强复合材料与金属界面电偶腐蚀与缝隙腐蚀的发生条件、机理及其对连接质量的影响等，均是学者们重点研究内容。

发生电偶腐蚀必须同时具备电解质、电位差和导电通道，对该现象的控制也应从以下3个角度考虑。

(1)首先，要注意结构的密封性设计，尽量防止雨水、雾气和海水等导电物质的渗入。

(2)其次，要避免腐蚀电偶电池，如可以对金属进行阳极氧化后继续做铬酸盐封闭或热水封闭处理，提高其自身的耐蚀性[36]；在材料表面采用适当的金属或非金属涂层，增加碳纤维增强复合材料与金属的接触电阻[37]；选用胶接连接方式，一定程度上减少异种材料的接触面积[21]。

(3)此外，选用电位差小的材料、减少电化学反应面积等方式，均有助于遏制复合材料与金属连接的电化学腐蚀现象。