金屬與復合材料攪拌摩擦搭接焊的研究現狀

劉景麟，呂贊，王留芳

（沈陽航空航天大學，沈陽 110136）

聚合物及其復合材料具有密度低、比強度高、比模量高和比吸能高等特點，是國防與國民經濟建設不可或缺的戰略性關鍵材料，復合材料的應用也是世界發展高新科技、國防尖端技術的重點[1—2]。在第二代戰斗機到第四代戰斗機減重方面，復合材料的應用做出了巨大貢獻[3]。此外，鋁合金是應用廣泛的輕質金屬，在航空航天、船舶和醫療等領域已經得到廣泛的使用[4—5]。在保證結構質量的前提下，使用復合材料代替密度較大的金屬與鋁合金相連可實現輕量化混合結構。輕量化混合結構的應用與發展不僅可以推動飛機機動性能的提升，還可以有效減少燃料消耗以及二氧化碳的排放[6—7]。未來飛機將要大量的使用金屬與復合材料混合結構，例如空客A30X等[8]。近年來，新能源汽車的銷售量逐漸增加，但是其中的大型電池和儲罐重量較大，不利于產品輕量化，因此在未來采用碳和玻璃纖維增強復合材料部件與鋁、鎂等輕質合金混合結構代替現有大重量結構，可以極大減輕汽車重量[9]。

金屬/聚合物和金屬/復合材料的連接具有較大的挑戰性，因為金屬與復合材料的物理化學差異性較大[10—13]。目前，金屬與聚合物的連接主要方式有膠接[9,14]、機械連接[15]及焊接[16—17]。膠接的方式具有連接前表面處理工藝復雜、固化時間長、接頭強度低以及膠粘劑在酸堿環境下會出現老化等問題。機械連接過程中難以避免地會對材料產生破壞，會出現嚴重的應力集中區域。同時，鉚釘和螺栓會增加結構的重量。目前連接金屬與復合材料的焊接方式通常有超聲波焊接與激光焊接。超聲波焊接方式雖然可以獲得質量良好的接頭，但是對板厚較大的試件難以實現有效連接[18—19]。激光焊接產生的高溫會燒蝕復合材料，進而產生氣孔，嚴重降低接頭的力學性能[11,20]。攪拌摩擦焊技術作為一種固相連接技術，且焊接過程具有環保以及焊后接頭性能好等特點，在焊接性能差異較大的異種材料方面具有得天獨厚的優勢[21—22]。

攪拌摩擦焊過程中的摩擦熱可有效提高復合材料分子與金屬原子之間的相互擴散，且金屬的大塑性變形可以增加接頭的機械互鎖能力。文中從金屬與復合材料攪拌摩擦焊搭界接頭的形式、焊具的設計、參數的選取以及連接機制等方面進行了系統的綜述。此外，提出了金屬與復合材料攪拌摩擦焊的未來發展與挑戰。

1 接頭形式

攪拌摩擦搭界焊示意圖如圖1 所示[23]。根據攪拌針扎入深度可以將接頭分為不扎透上板與扎透上板兩種形式。攪拌針不扎透上板時，攪拌頭僅在上板旋轉，沿焊縫進行攪拌摩擦加工。由于上板具有較好的熱傳導性能，金屬與復合材料的界面處會出現一個較薄的熔化層，熔化的復合材料在攪拌頭頂鍛作用下會填充金屬表面的微觀孔隙，待界面處熔化的材料重新固化后可以實現連接。若焊接中使用無針攪拌頭，材料流動會受到限制，進而限制焊接材料的厚度。若采用有針攪拌頭，可以通過調節攪拌針尖端到界面處的距離控制界面處的溫度，以增加上板的可焊厚度。當復合材料作為上板時，不適合采用這種方法，因為復合材料具有導熱性較小的特點，界面處難以獲得足夠熔化的材料。此外，攪拌頭的攪拌作用會破壞上板中的長纖維，嚴重降低其承載能力。Franke 等[22]提出了通過攪拌摩擦的方式實現6061-T6Al 合金在碳纖維的固相滲透，焊接中攪拌頭不扎透上板，圖2 為焊接示意圖。Nagatsuka 等[24]采用攪拌針不扎透上板的方式對A5056 鋁合金與碳纖維增強尼龍6 進行連接，獲得橫截面形貌如圖3 所示。可以看出，焊后兩側飛邊較小，但是焊縫內凹比較明顯，這是因為復合材料作為下板難以提供足夠的背部支撐。

圖1 金屬與復合材料攪拌摩擦搭界焊示意圖[23]Fig.1 Schematic diagram of friction stir lap welding between metal and composite materials

圖2 6061-T6 鋁合金在碳纖維中的固相滲透摩擦攪拌焊示意圖[22]Fig.2 Schematic diagram of solid state infiltration of 6061-T6 aluminum alloy into carbon fibers via friction stir welding

圖3 攪拌針不扎透上板橫截面形貌[24]Fig.3 Cross-sectional morphology of the upper sheet not penetrated by rotating tool

當攪拌針扎透上板時，攪拌針將上下板材料進行充分混合，同時，界面處會出現金屬錨結構，可以有效增加接頭機械互鎖能力。與不扎透上板材相比，扎透上板的方法可以實現金屬在上與復合材料在上兩種搭接形式的接頭。Ratanathavorn 等[25]實現了PMMA 與鋁合金的焊接，表面成形如圖4a 所示，接頭顯示復合材料作為上板時焊縫出現較大的凹陷，且焊核區的顏色較深，是因為金屬與聚合物充分混合，在焊縫處重新固化形成新的復合材料。圖 4b 為Shanmiri 等[26]采用攪拌頭扎透上鋁合金板獲得的橫截面，相比于復合材料作為上板，焊縫沒有明顯的凹陷，在攪拌針的作用下，金屬顆粒均勻分布在焊核區域。攪拌針扎透上板，在攪拌針的作用下，界面處材料發生遷移，在前進側與后退側產生錨結構，增加接頭的機械互鎖能力。

圖4 攪拌針扎透上板情況下的橫截面形貌[25—26]Fig.4 Cross-sectional morphology of the upper sheet penetrated by rotating tool

2 焊具設計

由于復合材料的熔點較低，在焊接中攪拌頭作用區域的材料會因為熔化而沿攪拌頭邊緣溢出焊縫，在焊縫兩側產生飛邊以及焊縫表面產生粗糙的瘤狀物，如圖5a 所示[23,26—27]。此外，焊縫處材料溢出過多會使焊縫內部產生氣孔等缺陷。Nagatsuka 等[23—24]對碳纖維增強聚合物與5052 鋁合金進行攪拌摩擦搭接焊，發現焊縫內部的氣孔等缺陷會嚴重降低接頭的拉伸剪切性能。為了避免這些缺陷的產生，提高接頭質量，可以通過優化攪拌頭形貌及尺寸來實現。Ji 等[28]和Kumar 等[29]報道了攪拌頭形貌對材料的流動行為會產生較大影響，選擇合適的攪拌頭有利于擴大焊接工藝窗口。

將金屬與復合材料連接中出現的鉤狀結構稱為錨結構，錨結構能為金屬與復合材料連接接頭提供機械作用，以增加接頭力學性能[25]。合適的攪拌針可以促進錨結構的產生，甚至增加錨結構的尺寸[30]，以增加其機械互鎖能力。Huang 等[31]發現三銑平面錐螺紋攪拌針在焊接中可以有效促進材料流動，圖6 所示為三銑平面錐螺紋攪拌針形貌及攪拌針表面材料流速分布。Huang 等[32]采用該形貌攪拌針對金屬與復合材料進行焊接，發現該攪拌針可以顯著增加錨結構的長度，提高接頭機械互鎖能力，接頭成形如圖7 所示。此外，三銑平面錐螺紋攪拌針對于材料流動的提高效果明顯，兩種材料在焊核區域發生劇烈的攪拌混合，且在該攪拌針作用下形成尺寸較大的錨結構。

圖5 常規工藝下金屬與復合材料攪拌摩擦搭界中容易出現的問題Fig.5 Problems in the friction stir lap joint of metal and composite material under conventional process

圖6 三銑平面錐螺紋攪拌針形貌及攪拌針表面材料分布[31]Fig.6 Morphology of tapered thread pin with triple facets and the material flow in the pin surface

圖7 三銑平面錐螺紋攪拌頭作用下接頭成形[32]Fig.7 Joint formation under the effect of tapered thread pin with triple facets

為了獲得成形良好的接頭，眾多學者提出在焊接中采用靜止軸肩輔助的方式。Ji 等[33]報道了靜止軸肩具有吸熱效應、增流效應以及增壓效應。靜止軸肩的吸熱效應可以防止軸肩作用區材料因為溫度過高而發生嚴重軟化；增流作用可以有效增加沿板厚方向的材料流動，避免內部缺陷的產生；增壓效應在焊接中于表面摩擦，可以獲得表面完整性較高的接頭。Liu等[34]也指出靜止軸肩可以有效防止焊縫處材料溢出。Huang 等[35]采用外部輔助靜止軸肩與三銑平面錐螺紋組合的方式對金屬與復合材料進行焊接，靜止軸肩可對接頭的形狀與性能進行有效控制，焊接示意圖如圖8 所示。與常規工藝相比，靜止軸肩輔助工藝獲得的接頭表面光滑，沒有出現瘤狀物，如圖9a 所示。接頭內部錨結構高度較大，能有效提升接頭的抗拉強度，如圖9b 所示。

3 焊接參數

圖8 靜止軸肩輔助金屬與復合材料的攪拌摩擦搭界焊示意圖[35]Fig.8 Schematic diagram of friction stir lap welding assisted by stationary shoulder between metal and composite materials

在焊具形貌及尺寸一定的情況下，焊接參數直接影響焊接溫度以及材料流動行為。目前，學者已在旋轉速度、焊接速度、軸肩下壓量以及主軸傾角等方面進行了系統的研究，發現不合適的焊接參數會使接頭中出現氧化、氣泡以及裂紋等缺陷，影響接頭的力學性能。焊接中氣孔的壓力會使焊核中材料溢出焊縫，同時會降低接頭的承載面積。Liu 等[23]在焊接參數對氣泡形成影響方面做出了相關工作，他們指出提高焊接速度可以有效控制氣泡的生成。同時，增加轉速可以增加焊縫內材料塑性流動，進而可以將氣泡擠出焊縫。

圖9 靜止軸肩輔助工藝下的接頭成形[35]Fig.9 Joint formation assisted by stationary shoulder

焊接參數對接頭中錨結構的形成以及微納米化學結合具有較大的影響作用。合適的參數可以有效提高錨結構尺寸以及增加微納米化學結合強度，從而獲得高強度接頭。Derazkola 等[36]對鋁-鎂合金板（AA5058）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）進行了焊接，發現錨結構這種宏觀機械互鎖以及界面微觀納米化學結合主要受主軸傾角的影響，并指出主軸傾角為2°，軸肩下壓量為0.2 mm 時獲得的接頭強度較好。Khodabakhshi 等[37]指出金屬與聚合物的連接中，較高的轉速可以獲得尺寸較大錨結構，增加接頭的機械互鎖能力，有利于力學性能的提升。Huang 等[32]報道了焊速的提升不利于錨結構尺寸的改善，因為焊速的提高降低了焊核區的寬度。此外，焊接速度較高導致焊縫前端預熱不足，難以提高錨結構的高度。Derazkola等[27]研究了鋁鎂合金與聚甲基丙烯酸甲酯片材進行攪拌摩擦焊的可行性。對攪拌摩擦焊接過程中金屬與聚合物的混合流動模式進行了分析，發現接頭強度取決于工藝參數。當轉速為1600 r/min 和焊速為25 mm/min 時，接頭強度最大，約為最弱母材的60%。

焊接參數對接頭的斷裂方式同樣會產生影響。Ratanathavor 等[25]研究了焊速較慢和攪拌針尖端到下板背部距離（DTB）對接頭斷裂形式的影響，發現斷裂有兩種機制，DTB 較小時沿斷裂發生在鋁與攪拌區邊界，DTB 較大時斷裂發生在聚合物上。

綜上可知，合理的工藝參數可以極大提高接頭質量。適當提高轉速和降低焊速有利于接頭內氣泡的消除，增加有效承載面積；增加接頭內部錨結構的尺寸，可以提高接頭內的機械互鎖能力。

4 連接機制

機械互鎖是金屬與復合材料連接中主要的連接機制之一，分為微觀機械互鎖與宏觀機械互鎖[37]。在攪拌針不扎透上金屬板時，熔化的聚合物填充在聚合物與金屬搭接界面的孔隙，且重新固化后形成微觀機械互鎖。此外，Derazkola 等[36]、Yusoff 等[38]和Lambiase 等[6]采用攪拌針不扎透上金屬板的情況下實現金屬與復合材料的連接，且焊前將金屬表面進行預處理形成微觀通道，以增加界面處的微觀機械互鎖能力。Yusof 等[38—39]發現金屬表面經過處理后接頭性能會得到顯著提升。目前常用的表面處理方式包括噴丸處理、陽極氧化以及電化學處理等方式。采用噴丸處理可以有效增加金屬表面的粗糙度，同時增加連接區域面積，可以促進熔化的聚合物在連接界面處的潤濕性[40]，在增加失效載荷方面效果顯著。陽極氧化處理可以在金屬表面形成一層具有微小孔隙的氧化層，熔化聚合物與氧化層粘結后形成微觀機械互鎖結構有利于接頭抗拉強度的提升[41]。

在攪拌針扎透上板時，形成的鋁錨結構會在接頭中形成較強的宏觀機械互鎖結構。Melander 等[25]表明，鋁錨引起的機械聯鎖改善了AA6111 和聚苯硫醚（PPS）之間FSLW 接頭的拉伸剪切性能。

Khodabakhshi 等[42]在金屬與復合材料的連接中發現除微觀機械互鎖外，范德華力也是重要的連接機制之一。此外，聚合物與金屬之間的鍵合反應同樣是提升拉伸性能的關鍵因素之一。Nagatsuka 等[43]指出復合材料基體中存在的極性官能團可以與金屬之間可以形成良好的化學鍵連接，這對接頭強度的提升會起到積極作用。

5 總結與展望

金屬與復合材料的攪拌摩擦搭接焊的連接機制為機械互鎖、化學鍵合以及較弱的范德華力，可以通過優化攪拌頭形貌及焊接工藝參數提高接頭的性能。此外，在攪拌頭不扎透上板的情況下，可以通過金屬表面預處理增加接頭的連接強度。

攪拌摩擦焊在連接金屬與長纖維復合材料時，攪拌針扎透上板會對纖維造成破壞，嚴重影響接頭性能，因此，在未來對于長纖維的攪拌摩擦連接方式有待深入研究。此外，金屬與復合材料的攪拌摩擦焊處于研究的初級階段，在機理上缺少深入研究。