碳纖維復(fù)合材料/鈦合金激光連接界面微織構(gòu)調(diào)控工藝研究

井成虎，徐紀(jì)豪，孫圣元，茹浩磊，盛立遠(yuǎn)，曾 堃，焦俊科

1.揚州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009

2.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201

3.深港產(chǎn)學(xué)研基地（北京大學(xué)香港科技大學(xué)深圳研修院），廣東 深圳 518057

4.揚州市邗江楊子汽車內(nèi)飾件有限公司，江蘇 揚州 225009

0 前言

復(fù)合材料與金屬材料（如鋁合金、鈦合金等）的復(fù)合結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)飛機(jī)輕量化、高強(qiáng)度制造的可靠材料結(jié)構(gòu)［1-2］。碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）具有密度小、剛度高，以及耐疲勞性和耐腐蝕性等優(yōu)異性能［3-4］，在航空航天、國防、軍工、汽車輕量化領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。鈦合金具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、密度低、熱強(qiáng)度高等優(yōu)點，是航空航天零部件制造中極其重要的結(jié)構(gòu)材料。實際應(yīng)用中，由于鈦金屬與復(fù)合材料的相容性較好，其復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效減輕飛機(jī)質(zhì)量，并且獲得更高的強(qiáng)度和剛度，因此CFRTP與鈦合金的連接質(zhì)量就成了重中之重，而實現(xiàn)兩者高強(qiáng)度連接的關(guān)鍵點在于對連接界面的處理工藝。

Roesner［5-6］等人利用脈寬1 μs 的Nd：YAG 激光對不銹鋼表面進(jìn)行了預(yù)處理，形成凹陷的微槽，再利用半導(dǎo)體激光穿透PC材料，加熱不銹鋼，融化塑料，在外部壓力作用下，熔融塑料滲入金屬凹槽內(nèi)，待冷卻凝固后實現(xiàn)了連接，連接強(qiáng)度為24 MPa。Amend［7］等人使用納秒脈沖激光器對鋁合金表面進(jìn)行了預(yù)處理，在鋁合金表面刻蝕出兩種不同的表面織構(gòu)（網(wǎng)格和凹坑），發(fā)現(xiàn)不同表面織構(gòu)下的接頭強(qiáng)度明顯不同，證明金屬表面形貌對接頭強(qiáng)度的影響。Barton［8］等人研究了鎂合金板的熱氧化處理對金屬和復(fù)合材料激光焊接接頭強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)接頭界面處的氣泡、機(jī)械咬合和化學(xué)反應(yīng)是影響接頭的關(guān)鍵因素，預(yù)處理能夠抑制界面氣泡的形成、CFRTP 的樹脂分解以及提高接頭結(jié)合面產(chǎn)生的機(jī)械聯(lián)鎖，顯著提高接頭強(qiáng)度，證實了MgO 與CFRTP基體發(fā)生了納米級化學(xué)反應(yīng)。王飛亞［9］等人研究了在CFRTP 與不銹鋼界面之間添加PPS 樹脂層對接頭強(qiáng)度的影響，并探索了不同焊接工藝參數(shù)的接頭強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在界面添加樹脂層可以顯著提升接頭的連接強(qiáng)度。王強(qiáng)［10］等人在不銹鋼與CFRTP 的激光連接實驗中發(fā)現(xiàn)，對不銹鋼材料表面進(jìn)行網(wǎng)格微織構(gòu)預(yù)處理后，拉伸試樣斷裂發(fā)生在樹脂基體與碳纖維之間，說明CFRTP與不銹鋼之間的連接剪切強(qiáng)度已超過了CFRTP基體樹脂與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度。

綜上所述，通過一些預(yù)先的界面處理方法來輔助CFRTP和金屬材料的激光連接，已經(jīng)能夠得到高強(qiáng)度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭。本文則利用激光高速旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)進(jìn)行了CFRTP與鈦合金的連接，通過脈沖激光在鈦合金表面制備微織構(gòu)，旨在通過微織構(gòu)尺寸設(shè)計實現(xiàn)連接強(qiáng)度的調(diào)控，并探究不同尺寸微織構(gòu)對焊接強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗采用50 mm×25 mm×1.5 mm 的TC4 板材以及50 mm×25 mm×2 mm 的CFRTP 板材。所使用的CFRTP是以聚酰胺（PA）樹脂為基體材料、碳纖維（T700）為增強(qiáng)材料膠合后采用熱壓工藝制成。其中基體材料PA 具有良好的綜合性能，包括力學(xué)性能、耐熱性、耐磨損性、自潤滑性，且易于加工，使用纖維材料填充增強(qiáng)改性，能夠進(jìn)一步提高其性能并擴(kuò)大應(yīng)用范圍。增強(qiáng)填充材料T700是碳纖維織物，具備紡織纖維的柔軟性，加工性能好。PA 與T700的熱物理特性見表1。

表1 PA與T700的熱物理性能Table 1 Thermophysical performance of PA and T700

利用激光旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)進(jìn)行連接，連接試驗在高速掃描振鏡激光焊接平臺開展，該試驗平臺主要由光纖激光器、冷卻系統(tǒng)、高速掃描振鏡、工裝夾具、運動臺和計算控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。其中激光器是最大功率為600 W 的光纖激光器，氣動工裝夾具是為CFRTP/鈦合金搭接試驗專門設(shè)計，可對焊接過程中的壓力進(jìn)行精確調(diào)整，調(diào)整范圍為0～0.9 MPa。接頭強(qiáng)度測試使用Instron5567型號電子萬能材料試驗機(jī)。

圖1 激光焊接系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of laser welding system

圖2 界面微織構(gòu)輔助連接原理Fig.2 Auxiliary connection principle of interface micro texture

1.2 界面微織構(gòu)制備

金屬界面的常規(guī)處理一般通過砂紙打磨和酸洗方法來改變表面狀態(tài)，但砂紙打磨金屬表面浸潤角較小，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度較低；酸洗方法處理后的表面凹凸結(jié)構(gòu)不規(guī)則，處理步驟復(fù)雜，可控性低。相比于以上兩種方法，激光加工微織構(gòu)可控精度高，容易實現(xiàn)自動化，而且可適用于傳統(tǒng)方法難以加工的材料。另外，微結(jié)構(gòu)可增加樹脂與合金表面的接觸面積，這為提高CFRTP-鈦合金接頭的連接強(qiáng)度提供了有利條件。

不同尺寸微織構(gòu)的制備可通過改變激光功率、掃描速度、掃面間距等參數(shù)來實現(xiàn)。界面微織構(gòu)的工作原理是“錨固效應(yīng)”［11］，其形成機(jī)理是：激光加熱使填充樹脂層和CFRTP樹脂基體熔化，熔化的樹脂在夾具壓力的作用下充分流入鈦合金的微織構(gòu)內(nèi)，并在冷卻過程中在微織構(gòu)中凝固，形成微型機(jī)械咬合結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)CFRTP與鈦合金的高強(qiáng)度連接。界面微織構(gòu)激光加工在自主開發(fā)的納秒激光精密加工平臺上進(jìn)行，由35 W的納秒激光器、高速掃描振鏡、三軸運動臺、CCD 視覺系統(tǒng)和計算機(jī)等設(shè)備組成。基于前期研究，基本工藝參數(shù)設(shè)定為：脈沖寬度100 ns，重復(fù)頻率5 MHz，平均功率24 W，掃描速度500 mm/s［12］。界面微織構(gòu)激光加工基于激光在鈦合金表面的等離子灼燒，首先完成脈沖激光掃描路徑的規(guī)劃，隨后在鈦合金表面刻蝕出網(wǎng)格型微織構(gòu)。試驗準(zhǔn)備了4 組微織構(gòu)試樣，每組微織構(gòu)的掃描線間距分別為0.1 mm、0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm。為減小誤差，每組制作3 個試樣取其測試結(jié)果的平均值，再通過對拉伸斷裂面的研究分析，最終得出微織構(gòu)對接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1.3 焊接過程和拉伸試驗設(shè)計

激光旋轉(zhuǎn)焊接通過掃描振鏡的高速旋轉(zhuǎn)和運動臺的直線進(jìn)給共同完成，試驗所用鈦合金板材與CFRTP 板材的連接方式為搭接，如圖3 所示。焊接選用的激光參數(shù)如表2所示。焊接過程中激光的離焦量為0，氣動夾具壓力為0.3 MPa，為了提高異質(zhì)接頭的連接強(qiáng)度，還在CFRTP與鈦合金微織構(gòu)中間添加了兩層40 μm厚的PA樹脂［14］。

圖3 搭接工件尺寸Fig.3 Overlapping workpiece size

表2 激光參數(shù)［13］Table 2 Laser parameters［13］

激光旋轉(zhuǎn)焊接試驗在基于掃描振鏡的光纖激光焊接系統(tǒng)上進(jìn)行，鈦合金上表面受激光照射吸收能量，熱量以熱傳導(dǎo)的方式向CFRTP傳遞并使其樹脂層熔化，熔化后的樹脂分子在外部加壓和樹脂熱膨脹的共同作用下流動擴(kuò)散，待冷卻凝固后形成緊密連接接頭，從而實現(xiàn)CFRTP與鋁合金的連接。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭連接強(qiáng)度是評價CFRTP-鈦合金激光焊接性能的重要指標(biāo)之一，接頭連接強(qiáng)度將直接影響該技術(shù)在航空輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用。為便于裝夾，在搭接工件的兩端分別添加相同材料的墊塊，制成拉伸試樣（見圖4），根據(jù)GB/T 16825.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，使用萬能試驗機(jī)在室溫下對拉伸試樣施加拉伸載荷，預(yù)載0.5 MPa，拉伸速度2.0 mm/min，以試樣破壞時刻的極限載荷確定接頭的連接強(qiáng)度。同時，為避免試驗過程中的不確定因素引起測試誤差，對不同工藝參數(shù)下的焊件選取3 個試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，最后取其平均值作為最終異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭的連接強(qiáng)度。CFRTP-鈦合金的異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭拉伸剪切強(qiáng)度按下式計算：

圖4 接頭拉伸試樣Fig.4 Joint tensile specimen

式中τ為接頭的拉伸剪切強(qiáng)度；F為接頭失效斷裂的最大載荷；W為接頭的寬度；L為接頭的長度。

2 結(jié)果分析

當(dāng)激光掃描線間距為0.1 mm、0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm 時網(wǎng)格型微織構(gòu)的形貌如圖5 所示，微織構(gòu)區(qū)域產(chǎn)生了排列整齊的牙齒狀凹槽，且隨著線間距的增加，齒狀的凹槽數(shù)量明顯減少，凹槽的深度也逐漸減小，這表明CFRTP基體熔化后與鈦合金的接觸面積減少。在每組3個試樣中分別測量他們的橫向深度和寬度以及縱向深度和寬度，橫向面積即橫向深度與寬度的乘積，縱向面積即縱向深度和寬度的乘積，最后算得總面積為橫向面積與縱向面積之和。取每組3 個樣品的平均值為該組總面積，同時取每組通過萬能試驗機(jī)所得到的應(yīng)力測試結(jié)果的平均值作為該組的連接強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

圖5 不同線間距的微織構(gòu)形貌Fig.5 Micro texture morphology with different line spacing

表3 不同線間距下的結(jié)果對比Table 3 Comparison of results under different line spacing

如表3 所示，當(dāng)掃描線間距為0.1 mm 時，獲得了最高的接頭強(qiáng)度，約為18 MPa，平均總面積也最大為12 544.5 μm2。掃描線間距為0.6 mm 時，接頭強(qiáng)度最低，約15.1 MPa，平均總面積為5 484.1 μm2。為進(jìn)一步明晰不同掃描線間距對接頭強(qiáng)度的影響，對線間距分別為0.1 mm、0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm的樣件的接頭斷裂形貌進(jìn)行了觀察，如圖6所示。

圖6 不同線間距下的接頭斷裂形貌Fig.6 Fracture morphology of joints under different line spacing

掃描線間距為0.1 mm的接頭斷裂形貌見圖6a，接頭的斷裂發(fā)生在CFRTP 表層，接頭失效形式為CFPRTP 基體大面積撕裂，在CFRTP 表面僅存在少量被撕裂的樹脂。說明PA 樹脂與鈦合金、CFRTP結(jié)合充分，連接強(qiáng)度高。掃描線間距為0.2 mm的接頭斷裂形貌見圖6b，CFRTP表面存在較多撕裂的碳纖維，接頭的斷裂情況與0.1 mm 的情況相似，但撕裂纖維相對少一些，因此PA 樹脂與鈦合金、CFRTP的結(jié)合程度和連接強(qiáng)度相對于線間距為0.1 mm 的接頭略低一些。掃描線間距為0.4 mm和0.6 mm的接頭斷裂形貌見圖6c、6d，CFRTP 表面均存在較少撕裂的碳纖維，說明PA樹脂與鈦合金、CFRTP的結(jié)合狀況均較差，所以連接強(qiáng)度低。這表明CFRTP/鈦合金接頭的強(qiáng)度與微織構(gòu)掃描線間距的長度存在一定關(guān)系：線間距越小的微織構(gòu)得到的接頭強(qiáng)度越高，線間距越大的微織構(gòu)得到的接頭強(qiáng)度越低。

3 結(jié)論

（1）通過金屬界面預(yù)制微織構(gòu)的激光輔助連接能顯著提高CFRTP-鈦合金接頭強(qiáng)度，這是因為微織構(gòu)不僅可以增大CFRTP與鈦合金的接觸面積，且CFRTP中的熔融樹脂材料嵌入鈦合金表面會產(chǎn)生錨固效應(yīng)，兩種方式的作用使得接頭強(qiáng)度明顯提升。

（2）通過在CFRTP板材與鈦合金中間添加兩層40 μm PA樹脂可以進(jìn)一步增強(qiáng)CFRTP-鈦合金接頭的強(qiáng)度，這是由于激光產(chǎn)生的熱能會使填充樹脂與CFRTP表層樹脂同時熔化，樹脂凝固后提供了粘結(jié)劑的輔助作用，同時，熔融樹脂量的增加會減少微織構(gòu)內(nèi)孔洞的形成，增強(qiáng)錨固效應(yīng)。

（3）微織構(gòu)的線間距是影響CFRTP/鈦合金接頭強(qiáng)度的重要因素。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，線間距越小的微織構(gòu)得到的CFRTP/鈦合金接頭強(qiáng)度越高，當(dāng)掃間距為0.1 mm時，獲得的接頭強(qiáng)度最高，約18 MPa。