時效處理對鋁合金A6061 與碳纖維增強熱塑性復合材料激光連接接頭的影響

馬晨晨

摘要：采用激光直接連接技術對鋁合金（A6061）與碳纖維增強熱塑性復合材料（Carbon Fiber Reinf-orced Thermal Plastic，CFRTP）進行連接，以接頭抗拉強度作為評價指標，確定連接參數的影響規律及最優連接工藝。采用時效處理的方法提高接頭連接強度，研究時效處理參數對拉伸強度的影響，揭示最優工藝參數下接頭的連接機理。結果表明：發現連接界面中存在氧元素，并存在元素擴散，時效處理顯著提高了CFRTP與A6061的接頭強度，約為未時效處理的2倍，時效處理后界面連接緊密。

關鍵詞：鋁合金;碳纖維增強熱塑性復合材料;激光連接;時效處理

0? ? 前言

鋁合金密度為2.6～3.3 g/cm3，具有比強度高、成型性能好、耐腐蝕等優點，碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）具有質量輕、耐疲勞、耐沖擊、剛度高等優點，二者廣泛應用于航天航空、交通運輸、能源發展等領域[1-5]。CFRTP和鋁合金的連接不僅減輕了結構件質量，并且提高了能效，在各行業引起了廣泛關注。

金屬與碳纖維復合材料有三種連接方式：機械連接、粘結、焊接。機械連接[6]是將碳纖維復合材料和金屬通過額外的緊固件（碳纖維復合材料或金屬本身制成螺釘和螺栓）進行連接，增加了結構件整體質量，并且緊固件引起了嚴重的應力集中從而削弱結構件的連接強度。膠結[7-8]是利用膠黏劑將碳纖維復合材料和金屬連接成一個整體，膠黏劑與材料進行固化反應需要大量時間，低效率的缺點使得其不適用于大規模工業生產。根據加熱方式不同，焊接主要有超聲波焊接、電阻加熱焊、攪拌摩擦焊和激光連接。其中激光連接[9-13]作為一種非接觸、先進高效的焊接方式，廣泛應用于連接焊接金屬（例如不銹鋼，鋁鎂合金）與碳纖維復合材料[14-16]，其利用碳纖維復合材料中熱塑性基體材料二次熔融的特點，與金屬形成連接。與其他傳統連接技術相比，具有速度快、變形小，操作簡單方便等優點。但異種材料之間物理化學性能和組織形貌不同，連接強度較低。Jung等人[17]采用高質量連續波二極管激光器連接CFRP與A5052，在0.33 mm/s的剪切速度下接頭剪力只達到3 000 N。為了獲得更高的連接強度，研究人員們對金屬或碳纖維復合材料表面進行預加工處理。Zhou Zhang等人[18]在激光連接前對鋁合金表面進行激光預處理，使鋁合金表面產生凸起和凹槽，當凸起物的密度為1.11/mm2時，接頭強度達到39 MPa，是未預處理接頭強度的4倍。Jiguo Shan等人[19]對CFRP表面進行紫外線燈輻照改性，當輻照距離為10 mm、輻照時間為30 s時，CFRP上增加了C=O鍵和O-C=O鍵，接頭產生了Al-C、Al-O-C等新的化學鍵，剪切強度達到30.1 MPa。Zhou Zhang、Jiguo Shan等人[6]對A6061進行陽極氧化預處理，當氧化時間在10～30 min時，接頭中產生了Al-O-PA6等新的化學鍵，最優工藝參數下接頭的剪切強度達到41.8 MPa，是未陽極氧化處理接頭強度的8倍。

文中采用光纖激光器研究A6061與CFRTP連接工藝。通過調節工藝參數（激光功率、掃描速率、離焦量）優化連接性能，采用時效處理提高接頭的連接強度，觀察分析接頭形貌，總結接頭連接機理，為以后金屬與碳纖維復合材料的激光連接技術的研究與應用提供理論支持和技術指導。

1 實驗材料、設備和方法

實驗用A6061鋁合金為熱軋態鋁合金，其化學成分如表1所示，機械性能如表2所示;CFRTP基體材料為PA6，物理性能如表3所示，其分子式為：

鋁合金尺寸為30 mm×40 mm×2 mm，CFRTP尺寸為3.5 mm×25 mm×10 mm。

實驗所采用的設備包括 ：YLS-10000-S4型連續光纖激光器，其最大輸出功率為10 000 W;SUNS UTM 4000型萬能拉伸試驗機，進行試樣拉伸試驗;GENESIS 60S型掃描電子顯微鏡、OLYMPUS BX51M型金相光學顯微鏡，分析接頭微觀形貌。

連接前用砂紙打磨鋁合金與CFRTP表面，然后放入盛有丙酮的超聲波清洗儀中清洗。CFRTP和鋁合金連接示意見圖1。激光照射在鋁合金上，以熱傳導的形式傳向下層的CFRTP，使其基體熔化，在壓力作用下形成接頭。對最優參數下的試樣進行時效處理，將時效處理前后的接頭進行拉伸試驗，對比分析拉伸強度的變化規律，利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）進行微觀形貌觀察和元素分析。

2 實驗分析

2.1 激光功率對接頭連接強度的影響

在掃描速度4 mm/s、離焦量+10 mm的條件下，激光功率（600 W、700 W、800 W、1 000 W、1 200 W、1 400 W）對接頭拉伸強度的影響趨勢如圖2所示。結果表明，整個接頭強度呈現先增大后減小趨勢。這是因為在低激光功率下，熱輸入量低，未達到CFRTP的基體材料熔點，少量熔融基體粘接在鋁合金表面和流入鋁合金空隙中，接頭強度較低;當激光功率增加到1 000 W時，基體材料熔化量增大，大量基體粘接在鋁合金表面，接頭強度增加;當激光功率由1 000 W增加到1 400 W時，由于激光熱輸入量過大，CFRTP表面發生熱損傷，基體材料的熔融量增加，鋁合金與CFRTP的接觸面積增大，單位面積上獲得的熱輸入量減小，接頭拉伸強度降低。因此，本實驗最優激光功率參數為1 000 W。

2.2 掃描速度對接頭連接強度的影響

在激光功率1 000 W、離焦量+10 mm的條件下，不同掃描速度（3 mm/s、4 mm/s、5 mm/s、6 mm/s）對接頭拉伸強度的影響趨勢如圖3所示。結果表明，整個接頭強度呈現先增大后減小的趨勢。這是因為掃描速度低時，焊接器噴嘴在試樣表面停留時間長，接頭處的熱輸入量大，造成CFRTP表面材料熱損傷嚴重，使得接頭拉伸強度降低;當掃描速度增大時，接頭處的熱輸入量降低，CFRTP的基體材料粘接在鋁合金表面和進入鋁合金空隙中，接頭連接強度增強;當掃描速度繼續增大時，接頭吸收熱輸入量不足，出現未焊透現象，接頭強度降低。因此，本實驗最優掃描速度參數為4 mm/s。

2.3 離焦量對接頭連接強度的影響

在激光功率1 000 W、掃描速度4 mm/s的條件下，不同離焦量（5 mm、10 mm、15 mm、20 mm）對接頭拉伸強度的影響趨勢如圖4所示。結果表明，整個接頭強度呈現先增大后減小再增大的趨勢。這是因為當離焦量較小時，激光輻射面積小，單位面積上獲得的熱輸入量較大，基體熔融鋪開，鋁合金與CFRTP的接觸面積增大，單位面積上獲得的熱輸入量減小，拉伸強度降低;當離焦量增大到+10 mm時，輻射面積增大，接頭強度提高;當離焦量繼續增大時，單位CFRTP接收了少量熱量而出現焊不透的現象，接頭強度降低。因此，本實驗最優離焦量參數為+10 mm。

2.4 氣泡對接頭連接強度的影響

鋁合金與CFRTP接頭形貌如圖5所示。可以看出，焊縫界面處產生了大小不一的氣泡，這是因為在連接過程中部分表層的基體材料受熱分解產生的氣體來不及逸出而聚集在CFRTP中，這些離散的氣泡在連接過程中壓迫周圍熔融基體材料，使其流入帶有空隙的鋁合金中，在一定程度上加強了鋁合金與CFRTP的連接，增大了接頭強度。王強[11]在碳纖熱塑復合材料與不銹鋼激光連接實驗中，對焊縫區域氣泡進行分析，發現連接區域氣泡較少時，焊縫強度較低，且存在碳纖熱塑復合材料熔融不充分、不銹鋼與碳纖熱塑復合材料連接不緊密的缺陷。當連接區域有適量氣泡時，焊縫界面連接緊密，連接強度達到11.75 MPa。說明氣泡的產生不是降低連接接頭強度的原因，相反產生適量的氣泡在一定程度上可以提高接頭的連接強度。

2.5 時效處理對接頭強度的影響

對最優參數下的試樣進行時效處理（時效處理時間分別為0 h、12 h、24 h、48 h、96 h、144 h，時效處理溫度180 ℃、210 ℃、230 ℃），探討時效處理參數對接頭強度的影響。時效處理溫度為180 ℃，不同時效處理時間的接頭拉伸強度趨勢如圖6所示。可以看出，接頭的拉伸強度整體呈現先增大再減小再增大的趨勢。這是因為接頭經過時效處理后，CFRTP部分基體材料二次熔融，再次流入鋁合金空隙中，加強了機械連接。并且CFRTP經過高溫時效處理后，力學性能降低，接頭強度高于CFRTP第一層碳纖維與第一層基體材料之間的粘結強度，接頭拉伸強度增強。當時效處理時間延長，CFRTP進一步軟化，鋁合金與CFRTP接觸面積增大，但接頭結合力主要來自激光連接，時效處理所增強的結合力較弱，所以出現時效處理的時間延長但接頭強度下降的現象。

不同時效處理溫度和時效處理時間下接頭拉伸強度如圖7所示。可以看出，3種溫度下拉伸強度的最大值隨著溫度的增加逐漸降低，整體的拉伸強度隨著時效處理時間的延長呈現降低趨勢。這是因為隨著時效處理溫度的升高，接近或超過基體材料熔點，基體材料熔融鋪開，鋁合金與CFRTP接觸面積增大，單位面積下熱輸入量降低，并且隨著溫度的增加，焊縫界面不穩定引起連接界面氣泡破碎，氣泡數量減少使得接頭強度降低。姜峰[20]等人對環氧樹脂的拉伸試樣件進行室溫環境下1個月、8個月和13個月的時效處理，采用差示掃描量熱法對樹脂進行固化度測試。結果表明，拉伸斷裂強度、拉伸屈服強度隨時間增長而降低。李赟[21]等人在研究微氣泡形成過程及溫度影響時發現，隨著過熱度增大，相界面不穩定而引起氣泡破碎。吳秋寧[22]等人觀察竹粉/塑料試樣表面的微觀結構發現，水熱處理試樣后，試樣表面會產生較大裂紋，力學性能明顯降低，采用常溫水浴處理，試樣表面產生微裂紋，力學性能呈現先升后降再升高的趨勢。

最優連接參數下時效處理0 h、180 ℃×12 h、230 ℃×12 h的焊縫電鏡掃描形貌如圖8所示。可以看出，時效處理0 h與230 ℃×12 h的連接界面有空隙，時效處理180 ℃×12 h連接界面連接緊密，且在時效處理230 ℃×12 h下，界面出現斷裂。

3 界面連接機理分析

關于金屬與碳纖維熱塑性復合材料的連接機理，多采用機械結合理論、化學鍵生成理論、吸附理論等來進行分析說明[14-19]。最優參數下焊縫界面SEM如圖9所示。可以看出，部分熔融的CFRTP流入鋁合金空隙中，類似于鉚接，增強了接頭的拉伸強度。

最優參數下試樣接頭斷裂面形貌如圖10所示。圖10a中鋁合金的斷口表面有殘留基體材料，圖10b中CFRTP的碳纖維沿著拉伸方向撕裂，圖10c中CFRTP的斷口面存在拉伸變形，圖10d中的CFRTP部分碳纖維裸露。從微觀形貌觀察中可以看出鋁合金與CFRTP具有良好的連接接頭。

為進一步研究鋁合金與CFRTP界面連接機理，采用EDS進行元素點分析，結果如圖11所示。由圖11b可知，C元素含量自CFRTP至鋁合金一側逐漸降低，由96%降至37%，Al元素含量自CFRTP至鋁合金一側逐漸增高，由3%升至53%，說明焊縫存在元素擴散。同時焊縫界面存在O元素，含量最高可達23%。將時效處理前后的焊縫O元素含量進行對比（見圖11c），時效處理180 ℃×12 h的界面O元素含量比未時效處理的O含量多，說明時效處理增加了連接界面的O元素。由此可以推斷，鋁合金中的Al元素與CFRTP中的C以及O發生了絡合反應，生成了C-O-Al或C-O等形式的鍵合，從而加強了接頭強度。關于驗證接頭可能產生的化學鍵，將在進一步的研究中進行闡述。

4 結論

以A6061鋁合金與CFRTP作為研究對象，研究時效處理對激光焊接接頭性能的影響，比較時效處理前后接頭的連接強度，揭示其連接機理，從而實現鋁合金與CFRTP的高質量連接。得到以下結論：

（1）激光功率、掃描速度和離焦量對接頭拉伸強度的影響規律均是先增加再下降。最佳工藝參數為功率1 000 W、速度4 mm/s、離焦量+10 mm。通過EDS分析連接界面，發現存在元素擴散、界面有O元素產生的現象。

（2）連接界面處產生了大小不一的氣泡，加強了鋁合金與CFRTP的連接。對試樣進行時效處理發現，隨著時效處理溫度的增加，其強度最大值呈逐漸遞減的趨勢，隨著時效處理時間的增加，強度呈先增加再降低的趨勢，當時效處理參數為180 ℃×12 h，接頭強度達到最大值16 MPa，界面連接緊密，并且時效處理增加了焊縫界面的O元素。

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