基于FSW原理的金屬/聚合物連接工藝及發展*

朱善清，韓夢潔，高吉成

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著新型制造業的迅速崛起，節能減排、綠色環保的發展理念受到越來越多的重視。工程輕量化是實現綠色制造的重要手段之一，如在汽車制造業，當車身重量減輕100 kg時，CO2排放量可以降低8.5 g/km[1]。同時工程輕量化還會帶來一定的經濟效益，如地面車輛的經濟效益為2.5 $/kg，波音747的經濟效益為450 $/kg，航天飛機的經濟效益可達30 000 $/kg[2]。

金屬/聚合物復合結構的設計可為工程輕量化提供新的思路，但是金屬與聚合物材料在物理化學性質方面的巨大差異使其連接依然是一個難題。金屬/聚合物的連接形式有機械連接、膠接和焊接。機械連接如螺栓連接或鉚接通常存在應力集中和容易松動等問題；膠接工藝較復雜、加工周期長且接頭抗疲勞等動態性能較差；焊接是一種高效的連接技術，但是傳統焊接工藝很難實現兩者的高效連接。近年來，攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding, FSW)技術在金屬與聚合物異種材料連接方面越來越受到重視[3，4]。FSW過程中，摩擦熱可以軟化焊接界面的材料，焊接過程中軸肩的頂鍛力也可以將聚酰亞胺受熱產生的氣泡擠出，同時塑性變形可以增加金屬與聚合物的機械咬合作用。基于此，本文結合連接機理對FSW技術用于金屬/聚合物復合結構設計的現狀進行了分析并展望。

1 機械互鎖連接機制

國內最早將FSW技術用于金屬/聚合物連接的是李建萍等[5-7]，研究發現FSW技術可以使得金屬變為塑性流動狀態，冷卻后嵌入聚合物中，且聚合物受熱后在壓力作用下與金屬之間會產生粘附力。王希靖等[8]利用攪拌摩擦點焊(Friction Stir Spot Welding, FSSW)技術對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料與6082-T6鋁合金連接時發現在焊接界面處存在犬牙交錯的焊接結構。耿正等[9]通過在碳纖維增強復合材料與鋁合金FSSW研究中發現連接機制為機械嵌合。陳科等[10]利用摩擦點焊成功將TC4多孔鈦合金與超高分子量聚乙烯連接在一起，并指出鈦合金的多孔結構是形成高強度界面粘結的關鍵因素。Sun等[11]在連接鋁合金與聚碳酸酯時通過添加熱源提高了兩種材料在焊接區域的流動性，從而提高了接頭的性能。在國外，Yusof等[12]對A5052鋁合金與聚對苯二甲酸乙二醇酯焊接機理進行了研究，實驗表明熔融的聚合物可以在界面處形成良好的機械咬合。Liu等[13]通過FSW技術連接AA6061鋁合金和聚酰胺6時發現聚合物熔化層的厚度與R2/v(R為旋轉速度，v為焊接速度)呈線性關系。Ratanathavorn等[14]利用FSW技術對AA6111鋁合金和聚苯硫醚焊接時發現接頭的連接機制為機械互鎖，其連接機理如圖1所示。Ogawa等[15]通過FSSW技術連接了AA5082鋁合金與碳纖維增強聚丙烯復合材料，研究表明增加焊接時間可以增大焊接面積和熔化樹脂的體積，從而提高接頭的疲勞強度。MirHashemi等[16]在低密度聚乙烯一側添加SiC顆粒，在后續與鋁合金FSW過程中，SiC顆粒被引入焊核中，從而提高了接頭的性能。

圖1 金屬/聚合物連接機理示意圖

金屬/聚合物FSW過程中，通過設計新型攪拌工具或改變焊接結構可以增加焊接過程中金屬與聚合物的接觸面積，從而提高焊接性能。Upadhyay等[17]首次將攪拌摩擦劃線技術用于AA5182鋁合金與聚酰胺66和高密度聚乙烯的焊接實驗，研究發現在焊接界面可以產生類似于鉚接的機械互鎖結構。Pabandi等[18]通過螺紋孔摩擦點焊成功焊接了AA5052鋁合金與碳纖維增強聚丙烯復合材料，整個焊接過程如圖2所示，焊接過程中熔融的聚合物完全填充至螺紋孔內，螺紋孔與聚合物的機械互鎖是主要連接形式。Rana等[19]對AA5052-H32/高密度聚乙烯/AA5052-H32夾芯板焊接時發現結構中出現兩個“HOOK”，而雙金屬板中只有一個。Patel等[20]對AA6061鋁合金和聚碳酸酯的FSW研究表明機械互鎖是主要連接形式。Wang等[21]首先在鋁合金表面通過激光燒結設計了微織構，然后通過FSW技術實現了AA6061鋁合金與聚酰胺6的連接，研究發現連接機制為機械連鎖與C-O-Al化學鍵的形成。Gagliardi等[22]通過在純鋁板與聚醚醚酮形成互鎖結構提高了金屬/聚合物復合結構的性能。Wang等[23]首先在纖維增強聚合物復合材料表面打孔植入AZ31鎂合金鎖扣，然后通過FSW技術實現了鎂合金與聚合物復合材料的連接。

圖2 金屬/聚合物焊接過程示意圖

2 物理/化學鍵合連接機制

FSW過程中，由于塑性變形嚴重，在熱和壓力的作用下，焊接界面處會形成物理或化學鍵。Shahmiri等[24]通過FSW連接AA5052鋁合金與聚丙烯時發現在界面處存在主要元素為C、O、Al的交互層。Khodabakhshi等[25]在AA5059鋁合金與聚丙烯FSW研究的基礎上提出了界面化學反應連接機制，即界面處聚合物中嵌入了鋁合金組織。2018年，中國科學院金屬研究所的吳利輝等[26，27]首次報道了摩擦搭接技術用于Cu與碳纖維增強塑料(Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastic, CFRTP)的連接實驗，并指出接頭強度的提升主要源于銅表面的Cu2O與酰胺基團形成的氫鍵。哈爾濱工業大學的黃永憲等[28-30]研究了攪拌摩擦搭接用于6061-T6鋁合金與聚醚醚酮以及2060-T8鋁合金與碳纖維增強聚醚醚酮連接的可行性，并提出了聚合物與金屬形性共控FSW技術，在此基礎上將摩擦填充鉚接技術用于6082-T6鋁合金與聚丙烯的連接，研究發現在焊接界面處存在化學基團和范德華鍵。Xie等[31]通過在FSSW過程中引入聚酰胺夾層實現了純鋁與木材的連接，研究發現聚酰胺的存在降低了鋁與木材之間的應力，界面形成了C-O-Al化學鍵。Derazkola等[32]利用FSW技術實現了304不銹鋼與聚甲基丙烯酸甲酯的連接，X射線光電子能譜發現Fe、O、C之間可能存在化學鍵連接。

3 表面改性處理

近年來，有學者提出對金屬表面改性處理后進行金屬/聚合物FSW來提高接頭性能。德國亥姆霍茲聯合會材料研究所的Dos Santos等[33，34]設計了摩擦點連接技術用于金屬與聚合物的連接，此后Goushegir[35]將其用于鋁合金與碳纖維增強復合材料的連接，研究發現對材料表面進行特殊處理使其在焊接過程中形成化學鍵(如C-Al鍵)是獲得高性能接頭的關鍵因素。Aliasghari等[36]在連接AA5052鋁合金和聚丙烯板材之前，對鋁合金表面進行等離子體電解氧化處理，發現預處理后的鋁合金表面生成粗糙多孔的陶瓷層，該陶瓷層可以將熔融的聚丙烯吸附在表面，使得接頭的強度提高了3倍，其連接機制為機械互鎖和共價鍵(C=O)連接。美國密歇根大學的Liu等[37]在Al表面通過物理氣相沉積方法制備Al2O3涂層，然后與聚酰胺66進行焊接時發現焊接界面處形成了Al-O-C鍵。

4 結論與展望

本文對金屬/聚合物復合結構攪拌摩擦焊技術進行了綜述，總結如下：

(1) 攪拌摩擦焊接過程中，摩擦熱可以軟化焊接界面的材料，焊接過程中軸肩的頂鍛力也可以將聚合物受熱產生的氣泡擠出，同時大的塑性變形可以增加金屬與聚合物的機械咬合作用。

(2) 焊接過程中通過工藝和結構優化，可以獲得優質的金屬/聚合物復合結構，同時連接機理由機械互鎖向著物理/化學鍵合轉變。

(3) 未來，金屬/聚合物攪拌摩擦焊接應該探索新的表面處理工藝，包括金屬/聚合物表面微織構、物理/化學處理等，在此基礎上可以實現金屬/聚合物復合結構機械互鎖與物理/化學鍵合雙重連接機制，從而有效提高復合結構的機械性能。