CFRTP-不銹鋼激光連接接頭剪切強度及連接機理的研究

王飛亞，王 強，焦俊科，張文武，蔣 蓁，盛立遠

（1.上海大學機電工程與自動化學院，上海200072；2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波315201；3.北京大學深圳研究生院，廣東深圳518063）

CFRTP-不銹鋼激光連接接頭剪切強度及連接機理的研究

王飛亞1,2，王 強2，焦俊科2，張文武2，蔣 蓁1，盛立遠3

（1.上海大學機電工程與自動化學院，上海200072；2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波315201；3.北京大學深圳研究生院，廣東深圳518063）

針對碳纖維復合材料（CFRTP）與不銹鋼間激光熱傳導連接機理展開研究，采用在復合材料與不銹鋼間添加聚苯硫醚（PPS）樹脂層的方法來提高連接強度，研究激光功率和焊接速度對剪切強度的影響，利用激光共聚焦顯微鏡對連接界面微觀組織進行了分析，并對連接接頭進行了拉伸試驗。結果發(fā)現：融化樹脂在壓力作用下流入金屬表面的微槽形成機械連接；當功率為320 W、速度為5 mm/s、離焦量為-20 mm時，能量密度為45.71 J/mm2，連接試件的剪切強度達到最大，為15.7 MPa。在CFRTP與不銹鋼的激光連接中添加樹脂層可顯著提高二者的連接強度。

激光連接；CFRTP；不銹鋼；溫度場

碳纖維復合材料 （carbon fiber reinforced thermal plastic,CFRTP）具有比強度高、比模量高、密度小、抗疲勞性好等一系列優(yōu)異性能，已開始應用于航空、船舶和汽車等領域。目前，國內外新研制的飛機應用復合材料的比例越來越高，部件越來越大，構件的結構也越來越復雜，并已逐步從次承力構件向主承力構件轉變，不但在水平安定面、副翼、垂尾等結構采用了復合材料，且機身、機翼翼盒等主結構也采用復合材料，使結構一體化程度高，系統(tǒng)安裝較簡單，減少了零部件數，縮短了總裝時間。

由于模具尺寸、加工設備等限制及使用需要，在結構中不可避免地需要CFRTP與金屬連接［1-2］。目前，CFRTP與金屬材料之間最常用的連接方法是膠結、機械連接和焊接。膠接環(huán)境適應性差，研發(fā)周期較長。機械連接開孔處易引起應力集中，連接效率低，增加了緊固件或鉚釘的重量［3-5］。焊接主要利用基體材料熱塑性樹脂二次熔融的特點，通過加熱熔融連接界面，使樹脂分子擴散完成連接，連接強度和環(huán)境的適應性理論上優(yōu)于膠結，連接件的應力分布比機械鉚接更均勻，不會產生應力集中。

近年來，很多創(chuàng)新性焊接技術被用于工業(yè)生產中，如摩擦焊、感應焊、超聲焊和激光焊等［6-12］。激光焊接技術作為一種非接觸、高效的焊接方式，與其他傳統(tǒng)焊接技術相比，速度快、深度大、變形小，便于實現自動化。Katayama等研究了激光功率和焊接速度對不銹鋼與CFRTP激光連接接頭質量的影響規(guī)律，并分析了連接機理，認為兩者之間不僅存在機械連接，而且由于Cr氧化層的存在使兩者實現了分子和原子水平的連接［13-15］。Tan等采用電鍍技術，在低碳鋼表面電鍍一定厚度的Cr層，再利用光纖激光連接低碳鋼和CFRTP，剪切強度由9.32 MPa增加到了22.14 MPa，顯著提高了連接強度，并推測鍍Cr層與CFRTP在連接界面處發(fā)生鍵合反應而形成了Cr-O-PA6T化學鍵，是強度提高的重要原因，還詳細地分析了氣泡產生的機理［16-17］。Arai等在環(huán)稀聚合物和304不銹鋼分別進行紫外臭氧處理和等離子體處理預處理，環(huán)稀聚合物表面產生的官能團使聚合物與不銹鋼表面氧化層之間的粘附更強，從而提高了連接強度，強度約8 MPa［18］。大多數研究一般采用PA系樹脂為基體的復合材料［19-20］，但PA最高使用溫度在80～100℃之間，較PPS laminae的長期連續(xù)使用溫度200～240℃低了100℃左右，且PPS laminae與金屬具有突出的粘結性能，吸濕性小，在高溫高濕條件下不變形，并能保持優(yōu)良的電絕緣性，在170℃以下幾乎不溶于任何溶劑［21］。

本文采用以PPS laminae為基體的碳纖維增強復合材料為對象，展開了CFRTP/金屬激光連接的研究。一直以來，研究人員都聚焦在材料表面預處理來提高激光焊接強度，本文嘗試在不銹鋼和CFRTP之間添加樹脂層來提高強度。重點分析添加PPS laminae層后激光功率和掃描速度對連接接頭強度的影響，并通過ANSYS仿真分析了連接過程中樹脂層溫度場的變化，對于提高金屬與樹脂基復合材料的接頭強度具有一定的理論指導意義。

1 材料和實驗設計

實驗采用304不銹鋼板，尺寸為50 mm×50 mm ×2 mm及自主研發(fā)并已應用于汽車車身的CFRTP，尺寸為60 mm×30 mm×3 mm。CFRTP基體材料為聚苯硫醚（PPS laminae），增強相為T700碳纖維，碳纖維的體積分數為48%，PPS laminae的玻璃化溫度約150℃，熔化溫度為280℃以上，在400℃開始發(fā)生熱分解。實驗前，采用60#砂紙打磨不銹鋼連接界面，用丙酮試劑擦拭不銹鋼和CFRTP表面去污。為了消除連接接頭切割時可能產生的熱影響，采用高壓水射流沿垂直焊縫方向進行切割，橫截面采用60、320、800、1500、2500、5000、7000#進行打磨，然后進行拋光。

圖1是不銹鋼/CFRTP激光連接原理圖。搭接寬度為15 mm，掃描長度為36 mm，激光照射在不銹鋼上，以熱傳導的方式從不銹鋼向CFRTP傳遞熱量使其熔化，同時施加一定的壓力，在熱和力的共同作用下形成焊縫。由于研究對象CFRTP中所含碳纖維較高（48%），且CFRTP表層樹脂只有極薄的一層（約0.06 mm），因此嘗試在不銹鋼與CFRTP之間添加聚苯硫醚（PPS laminae）薄層的方法來提高接頭強度。

圖1 CFRTP與不銹鋼的連接原理圖

所用光纖激光焊接系統(tǒng)完全自主搭建，集成了500 W Ytterbium Fiber Laser光纖激光器、1410R ABB機器人、水冷系統(tǒng)、保護氣系統(tǒng)和激光加工頭等，并自行設計了氣動工裝。采用FEI Quanta FEG 250場發(fā)射掃描電鏡和KEYENCE VX-X200激光共聚焦顯微鏡觀察焊縫表面斷裂形貌和橫截面形貌，CMT5105電子萬能試驗機測試接頭剪切強度。

2 實驗分析

2.1 實驗結果

采用光纖激光器產生的單束激光掃描不銹鋼產生大量熱量，通過熱傳導的方式將不銹鋼與CFRTP之間的PPS laminae及CFRTP表層樹脂熔化，然后在外部壓力的作用下形成連接接頭。圖2a是激光功率320 W、速度5 mm/s、離焦量-20 mm及添加0.14 mm厚樹脂下的連接情況。掃描方向如圖中箭頭所示，在距離焊尾10 mm的位置使用高壓水射流垂直焊縫切開。圖2b是連接件的反面，可看到有大量的樹脂從接觸界面擠出，這是由于搭接焊的過程中在兩種板材之間施加壓力，樹脂熔化后在壓力的作用下被擠壓出搭接界面。圖2c是上述接頭的橫截面形貌。通過圖3可清晰分辨出不銹鋼、樹脂層及CFRTP，所加140 μm厚樹脂層在熱和壓力的作用下發(fā)生塑性流動，所以接頭處樹脂層收縮至112.9 μm，且可看出PPS層已與CFRTP表面樹脂發(fā)生了較好的融合。

圖2 連接件橫截面SEM背散射圖

圖3 連接試樣的實物圖與橫截面形貌

圖4是上述參數接頭拉伸測試后不銹鋼和CFRTP的斷裂面宏觀形貌。由圖4a可看出，大量的樹脂和少量的碳纖維遺留在了不銹鋼表面。圖4b顯示CFRTP焊縫上的第一層樹脂全部脫離基體，顯露出碳纖維。這表明連接強度已超過第一層樹脂與第一層碳纖維的粘結強度。

2.2 功率和速度對連接強度的影響

在探索性試驗研究的基礎上，采用單一變量的方法分析了單因素功率和焊接速度對接頭剪切強度的影響。圖5是在焊接速度5 mm/s、離焦量-20 mm的情況下，不同功率對CFRTP接頭強度的影響趨勢。隨著功率的增加，輸入能量增大，相應CFRTP吸收的熱量就越多。當激光功率從290 W增加到320 W的過程中，剪切強度呈現明顯的上升趨勢；當功率為320 W時，剪切強度達到15.7 MPa，隨著功率增加到350W，得出剪切強度基本處于不變的狀態(tài)；接頭剪切強度在350~410 W之間時呈現降低趨勢，說明在功率大于350 W時，樹脂可能已發(fā)生輕微分解；功率在380 W以上時，實驗過程中有刺激性氣味產生，此時輸入能量為51.87 J/mm2，樹脂明顯發(fā)生分解。從實驗中可得出以下結論：在樹脂層熔透、且傳導溫度低于樹脂分解溫度的情況下，得到的接頭剪切強度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。功率提高到410 W，剪切強度急劇下降至6.4 MPa。隨著輸入能量的增加，樹脂逐漸完全熔化，并在壓力作用下粘接在不銹鋼表面，剪切強度升高；但當功率超過一定值之后，CFRTP吸收的能量過大，溫度過高，導致樹脂發(fā)生分解，并隨之產生大量的氣泡，使不銹鋼與PPS laminae接觸面積降低（圖6），致使剪切強度下降。

圖4 拉伸試驗后CFRTP和不銹鋼表面形貌

圖7是在功率320 W、離焦量-20 mm的情況下，不同焊接速度對接頭剪切強度的影響。當速度為7 mm/s時，不銹鋼與CFRTP沒有形成連接接頭。隨著速度的升高，剪切強度逐漸提高。當速度達到5 mm/s時，剪切強度達到最大，為15.7 MPa；當速度繼續(xù)降低時，剪切強度開始下降；當速度為3 mm/s時，剪切強度降至6.91 MPa。隨著焊接速度的增加，CFRTP吸收能量越來越少，所以才會出現當速度為7 mm/s時兩種材料未形成連接的情況。當速度小于4 mm/s時，CFRTP吸收能量使樹脂溫度超過分解溫度，樹脂分解，使其粘性大大降低，所以剪切強度降低。

圖5 不同功率下的剪切強度值

圖6 高功率下拉伸試驗后PPS樹脂層的表面形貌

圖7 不同焊接速度下剪切強度值

3 界面結合機理分析

關于金屬與樹脂的結合機理，學者們采用了吸附理論、機械結合理論、化學鍵合理論和靜電理論等來進行解釋。實驗前，采用60#砂紙打磨不銹鋼，降低表面粗糙度值到2.66 μm，樹脂熔化后嵌入微槽內，形成“錨”式的機械連接。由圖8可清晰地看到樹脂嵌在不銹鋼微槽內。熔化以后的PPS laminae能與金屬有良好的潤濕性［22］。在不銹鋼與CFRTP的激光連接中，影響接頭強度的一個重要因素是氣孔的產生。PPS laminae中所產生的氣孔會顯著降低連接接頭的力學性能［16］。由于采用的PPS laminae層較疏松，激光熱傳導過程中熔化的PPS laminae在固化過程中將會產生收縮產生尺寸較大的氣孔 （圖9）。關于連接接頭所可能生成的化學鍵，將在進一步的研究中進行闡述。

圖8 連接接頭橫截面的局部放大圖

圖9 拉伸試驗后PPS樹脂層的氣泡

4 連接溫度場仿真

式中：r為距離光斑中心的半徑值；d為激光光斑直徑，該處的熱流密度q降為最大熱流密度的5%；Q為吸收的總能量。在軟件ANSYS的熱分析模塊中，允許使用函數來控制高斯熱源的形狀，利用APDL程序實現移動熱源的加載，初始溫度設為25℃［23］。

4.1 溫度場的變化規(guī)律

連接參數如下：激光平均功率320 W、焊接速度5 mm/s、激光器頻率1 kHz、光斑直徑1.5 mm，在PPS laminae下表面焊縫中心線上選取間隔相等的5個節(jié)點的溫度，繪制不同點隨時間變化的溫度（圖10）?？煽闯觯M入準穩(wěn)態(tài)后，焊縫中心線上各個點的溫度變化過程基本一致，焊縫中心線上的最高溫度為366.703℃。

由于直接確定實驗中的溫度場非常困難［24］，所以通過比較焊縫的寬度來間接地驗證有限元模型的準確性。PPS熔點在280℃，模擬時取280℃等溫線所達到的寬度作為焊縫寬度的計算值。為了驗證

根據實驗材料尺寸進行模型建立，在劃分網格時為了提高計算精度，局部網格進行細化。激光熱源采用高斯面熱源模型，分布規(guī)律為：有限元模型，以下重點仿真分析速度對PPS laminae溫度場的影響。

圖10 焊縫中心線上不同點溫度隨時間變化曲線

4.2 速度對溫度場的影響

連接參數如下：激光平均功率320 W、光斑直徑1.5 mm、激光器頻率1 kHz。速度分別為3、4、5、6、7 mm/s，計算結果見圖11和表1?？煽闯?，隨著焊接速度的增大，等溫線越來越稀疏，焊縫區(qū)域的最高溫度逐漸降低，從520.796℃下降到289.171℃，連接寬度相應減小，從9.00 mm減小到1.41 mm。速度決定了材料表面受激光輻射作用時間的長短，當速度較低時，被連接件受激光輻射時間較長，所吸收激光能量較多，連接處溫度相對較高；速度太快，被焊件吸收熱量不足，溫升相對較低。

圖11 不同速度下的溫度場分布

表1 不同速度下的最高溫度和PPS熔化寬度

4.3 仿真結果與實驗結果對比

在5組工藝參數下,比較了連接寬度的測量值（實驗）和計算值（模擬），結果見圖12。可看出實驗結果都略高于模擬結果，最主要的原因是模擬中沒有考慮夾具壓力作用下熔池的流動，導致PPS laminae熔化寬度計算值比測量值小些。但總體來講模擬結果和實驗結果較吻合,證明該有限元模型可以模擬實驗中溫度場分布。

圖1 2連接區(qū)域測量寬度與計算寬度的比較

5 結論

（1）通過在CFRTP與不銹鋼之間添加PPS樹脂層，然后在激光傳導焊的作用下可得到較高強度的連接接頭。實驗表明激光功率和焊接速度對接頭強度有重要的影響。

（2）橫截面微觀形貌顯示，熔融樹脂在壓力作用下被擠進不銹鋼微槽內形成機械連接。當激光功率為320 W、速度為5 mm/s、負離焦量為20 mm（此時能量密度為45.71 J/mm2）時，接頭強度達到最大為15.7 MPa。

（3）模擬了焊接速度對溫度場分布的影響，仿真計算結果與實驗測量值較吻合，表明有限元模型能較好地模擬連接區(qū)域溫度場，并為實驗提供理論基礎。

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Study on Shear Strength and Mechanism of CFRTP-stainless Joint by Laser Joining

Wang Feiya1,2，Wang Qiang2，Jiao Junke2,Zhang Wenwu2，Jiang Zhen1，Sheng Liyuan3
（1.School of Mechatronic Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China；2.Ningbo Institute of Industrial Technology，CAS，Ningbo 315201，China；3.Shenzhen Institute，Peking University，Shenzhen 518603，China）

An experiment research on the mechanism of laser joining between the carbon fiber reinforced thermal plastic （CFRTP）and 304-stainless steel was carried out，and a method of strengthening the joint by filling PPS laminae was present.Then the effect of the laser power and the travelling speed on the joint strength was studied.The joint strength was tested by using electromechanical universal testing.The results show that the melted PPS flowed into micro-cavity of metal surface，and formed the mechanical bonding.When the energy density was 45.71 J/mm2，which was determined by the power of 320 W，the travelling speed of 5 mm/s，and the defocusing distance of-20 mm，the shear strength achieved 15.7 MPa.The joint strength of stainless steel-CFRTP could be enhanced by filling PPS laminae in the joining process.

laser joining；CFRTP；stainless steel；temperature field

TG665

A

1009－279X（2015）06－0026-06

2015-09-02

寧波市自然科學基金資助項目（2015A610078）

王飛亞，男，1990年生，碩士研究生。