碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料-鈦合金激光連接接頭性能分析

鄒祺,葉逸云,焦俊科,吳志生,徐子法,張文武,4

1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024

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

3.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127

4.浙江省航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端制造技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧波 315201

碳纖維復(fù)合材料是一種以樹脂為基體,碳纖維為增強(qiáng)體的材料,主要分為碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermalsetting Composites,CFRTS)和碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic,CFRTP)2種,具有密度小、剛度高和耐蝕性優(yōu)良等優(yōu)異性能。鈦合金具有抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、比強(qiáng)度和比剛度高以及耐腐蝕性能、低溫性能好等特點(diǎn),已成為航空航天工業(yè)中極其重要的結(jié)構(gòu)材料。在航空航天零部件制造過程中,經(jīng)常把鈦合金與碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行連接裝配形成高強(qiáng)度、輕量化的復(fù)合結(jié)構(gòu)。但由于碳纖維復(fù)合材料與TC4鈦合金二者在物理和化學(xué)性質(zhì)方面存在巨大差異,傳統(tǒng)膠接、鉚接等方式存在老化和應(yīng)力集中等問題,二者高質(zhì)量的連接工藝還有待進(jìn)一步探索和創(chuàng)新。

激光連接具有能量集中、光斑尺寸小、熱影響區(qū)窄、焊后變形小、焊后工件整體焊接殘余應(yīng)力水平低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性焊接等優(yōu)點(diǎn),是一種高效率、高精度、自動(dòng)化的焊接方法。近年來,國內(nèi)外學(xué)者在研究熱塑性復(fù)合材料與金屬材料的激光連接上取得了一系列進(jìn)展。Jiao 等針對(duì)CFRTP和鋁合金的激光連接開展了一系列的研究,探討了CFRTP-不銹鋼焊接的連接機(jī)理及焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響,分析了激光功率、連接速度和壓力等參數(shù)對(duì)不銹鋼表面熱缺陷和接頭強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)CFRTP 與不銹鋼之間存在化學(xué)結(jié)合；引入了高速旋轉(zhuǎn)激光焊接技術(shù),減少了孔隙缺陷,改善了接頭的機(jī)械性能,建立了CFRTP-鋁合金接頭的數(shù)學(xué)模型,用于預(yù)測(cè)CFRTP-鋁合金的接頭強(qiáng)度；提出了一種在CFRTP 與鋁合金連接界面添加聚酰胺(PA)樹脂,并對(duì)鋁合金表面進(jìn)行微織構(gòu)化的復(fù)合表面預(yù)處理方法,提高了CFRTP-鋁合金接頭的連接強(qiáng)度,強(qiáng)度可達(dá)37.5 MPa,探索了微織構(gòu)的尺寸和添加PA 樹脂的厚度對(duì)CFRTP-鋁合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度的影響。Al-Sayyad等探索了不同激光燒蝕工藝參數(shù)對(duì)鋁合金和PA 連接接頭強(qiáng)度的影響,研究發(fā)現(xiàn)：鋁合金-PA 的接觸面積與拉伸載荷線性相關(guān),激光燒蝕參數(shù)對(duì)接頭的質(zhì)量有較大的影響。Bu等采用擺動(dòng)激光器增大了CFRTP和鋁合金的鍵合面積,研究了掃描速度對(duì)CFRTP-鋁合金連接強(qiáng)度的影響,進(jìn)一步闡明了界面的形成機(jī)理和接頭的斷裂方式；通過觀察斷口形貌,發(fā)現(xiàn)斷裂過程中發(fā)生了內(nèi)聚破壞和黏聚破壞的混合破壞；內(nèi)聚破壞的比例隨單位長(zhǎng)度熱輸入的增加而增加,并提高了接頭的拉伸強(qiáng)度。賈少輝等將激光攪拌焊接方法引入鋁合金與CFRTP 的焊接中,減少了焊接過程中激光加熱對(duì)鋁合金造成的焊接缺陷,提升了接頭的力學(xué)性能,通過對(duì)CFRTP-鋁合金激光攪拌焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,進(jìn)一步研究了CFRTP-鋁合金激光攪拌焊接的機(jī)理；將通過模擬計(jì)算得到的鋁合金焊縫的熔深、熔寬與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了激光攪拌焊接熱源模型及CFRTP/鋁合金激光攪拌焊接有限元模型的合理性。葉逸云等采用激光攪拌焊接技術(shù)對(duì)鋁合金與CFRTP的對(duì)接焊工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了焊接工藝參數(shù)對(duì)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律；對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)分析,并分析了影響接頭連接強(qiáng)度的因素和接頭失效形式；結(jié)果表明,焊接工藝參數(shù)對(duì)于接頭強(qiáng)度的影響從大到小依次為焊接速度、離焦量、激光功率、攪拌振幅、攪拌頻率和夾具氣壓；在最佳參數(shù)下得到接頭抗拉載荷達(dá)到了587.3 N,連接強(qiáng)度為11.7 MPa,在此情況下接頭斷裂發(fā)生在CFRTP 表層,接頭失效形式為CFRTP基體的撕裂。Tan 等研究了掃描速度對(duì)CFRTP和鈦合金連接過程的影響,并對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了連接機(jī)理；結(jié)果表明,在較高掃描速度的條件下,鈦合金表面缺陷較少,CFRTP內(nèi)部氣泡較少,界面同時(shí)發(fā)生機(jī)械連鎖和化學(xué)結(jié)合。溫度場(chǎng)模擬結(jié)果表明,隨著掃描速度的增加,CFRTP的熔融溫度范圍先增大后減小。

從以上分析可以看出,當(dāng)前研究主要集中在CFRTP 與金屬材料的激光連接上,而對(duì)于CFRTS與金屬激光連接的研究較少,主要原因是熱固性樹脂不能二次熔融,無法實(shí)現(xiàn)與金屬的直接連接。而要實(shí)現(xiàn)CFRTS與金屬的激光連接,需要在二者之間添加能夠二次熔融的熱塑性樹脂。另外,在激光連接過程中,CFRTS表層熱固性樹脂不利于CFRTS-金屬連接接頭的形成,甚至影響到接頭的強(qiáng)度和疲勞壽命,因此連接前需要把CFRTS表層熱固性樹脂清除。激光清洗是實(shí)現(xiàn)CFRTS表層樹脂去除的一個(gè)有效途徑,而且能提高CFRTS表面的潤濕性和表面能。

基于上述思想,本文引入“激光清洗+樹脂填充”的界面復(fù)合調(diào)控工藝,系統(tǒng)研究激光清洗對(duì)CFRTS表面形貌的影響,及其對(duì)連接接頭強(qiáng)度、失效機(jī)制的影響規(guī)律,以實(shí)現(xiàn)CFRTS與鈦合金的高強(qiáng)度連接。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

采用“激光清洗+樹脂填充”的界面復(fù)合調(diào)控工藝,此工藝包括CFRTS 表面激光清洗、制備TC4鈦合金表面微織構(gòu)、在CFRTS與TC4接觸面添加PA 樹脂層、進(jìn)行激光輔助焊接4種工藝,工藝流程如圖1所示。在微織構(gòu)和激光焊接參數(shù)不變的情況下,通過調(diào)整激光清洗的工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、線間距和掃描次數(shù)),探索激光清洗對(duì)CFRTS-TC4鈦合金接頭性能的影響。

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig.1 Test flow diagram

試驗(yàn)材料選用CFRTS 和TC4 鈦合金的尺寸均為50 mm×25 mm×2 mm,CFRTS由環(huán)氧樹脂和碳纖維熱固化形成,碳纖維是HF10(T300級(jí)),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%,CFRTS和TC4鈦合金材料的性能參數(shù)如表1、表2所示。

表1 碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)Table 1 Property parameters of carbon fiber composites

表2 TC4鈦合金的性能參數(shù)Table 2 Property parameters of TC4 titanium alloy

1.2 激光清洗

通過高能激光束在CFRTS 表面掃描,燒蝕表面環(huán)氧樹脂,使碳纖維充分暴露,與TC4和PA樹脂直接接觸,達(dá)到高強(qiáng)度聯(lián)合的目的,其原理如圖2所示。在表面處理后,使用無水乙醇對(duì)試樣進(jìn)行清洗。該系統(tǒng)包括RFL-P100M 脈沖光纖激光器(最大功率為100 W,波長(zhǎng)為1 064 nm,頻率為20 k Hz,光斑直徑為6.5 mm)、掃描振鏡、電腦控制器。在激光清洗CFRTS表面過程中,影響因素主要包括激光功率、掃描速度、線間距和掃描次數(shù)。設(shè)計(jì)四因素五水平的正交試驗(yàn),各因素和水平變量如表3 所示,清洗工藝參數(shù)如表4所示。

表3 試驗(yàn)參數(shù)配置Table 3 Configuration of experiment parameters

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 4 Orthogonal design of experiment

圖2 激光清洗CFRTS原理圖Fig.2 Schematic diagram of laser cleaning CFRTS

1.3 TC4表面微織構(gòu)制備

用無水乙醇清洗TC4鈦合金表面,去除其表面污染物,放置室溫下干燥。待干燥后使用激光加工系統(tǒng)制備鈦合金表面的微織構(gòu),提升焊接時(shí)熔融樹脂與TC4 鈦合金的接觸面積并形成“咬合”結(jié)構(gòu),提高連接強(qiáng)度,其原理如圖3所示。根據(jù)前期試驗(yàn)選擇合適的參數(shù),試驗(yàn)所選用的加工參數(shù)如下：激光功率100 W,掃描速度2 000 mm/s,掃描次數(shù)5次,線間距0.3 mm,離焦量為0。

圖3 制備微織構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of microtexture preparation

1.4 CFRTS-TC4激光連接

采用RFL-P100M 脈沖光纖激光器進(jìn)行激光輔助連接,將夾具安裝在光學(xué)平板上,CFRTS放置于激光器底板上方,TC4 鈦合金放置在CFRTS上方,重疊面積為25 mm×25 mm,在TC4鈦合金和CFRTS重疊面中間添加0.06 mm厚的PA 樹脂,并用夾具將其固定于激光掃描區(qū)域。為便于裝夾,在TC4鈦合金另一端補(bǔ)上相應(yīng)的墊片,墊片為CFRTS板。激光束在重疊區(qū)域沿焊接方向螺旋形移動(dòng),TC4鈦合金上表面的熱量以熱傳導(dǎo)的方式向CFRTS傳遞,并使PA 樹脂熔化,在夾具壓力的作用下,實(shí)現(xiàn)CFRTS-TC4鈦合金的激光攪拌焊接,其原理如圖4所示。試驗(yàn)所選用的加工參數(shù)為如下：激光功率為100 W,掃描速度為50 mm/s,掃描次數(shù)為1次,離焦量為0。

圖4 CFRTS-TC4鈦合金激光焊接原理圖Fig.4 Schematic diagram of laser welding of CFRTS-TC4 titanium alloy

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CFRTS激光清洗后表面形貌分析

在不同激光工藝參數(shù)清洗CFRTS后,使用FEI Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面形貌,主要分為以下4種情況：①殘留環(huán)氧樹脂少,碳纖維輕微受損,如圖5(a)所示,采用第5、10組共2 組清洗工藝參數(shù)處理的CFRTS表面組織形貌符合此種情況；②殘留環(huán)氧樹脂較多,間格邊緣處的碳纖維發(fā)生輕微斷裂,如圖5(b)所示,采用第1、2、3、4、9、12、15、19、20、23、25組共11組清洗工藝參數(shù)處理的CFRTS表面組織形貌符合此種情況；③表面殘留環(huán)氧樹脂較少,間格邊緣的碳纖維斷裂嚴(yán)重,出現(xiàn)較小間隙,如圖5(c)所示,采用第7、8、11、13、16、17、18、25組共8組清洗工藝參數(shù)處理的CFRTS表面組織形貌符合此種情況；④和情況③相似,殘留環(huán)氧樹脂較少,碳纖維斷裂非常明顯,出現(xiàn)較大間隙,如圖5(d)所示,采用第6、14、21、22組共4組清洗工藝參數(shù)處理的CFRTS表面組織形貌符合此種情況。

Fischer等發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)為1 064 nm 的紅外激光器中光子能量為1.17 e V,CFRTS主要由共價(jià)鍵組成,其結(jié)合能約為5.78×10J或3.61 e V。因此,紅外激光器的光子能量不夠高,無法完全破壞CFRTS的共價(jià)鍵,一定程度上被環(huán)氧樹脂和碳纖維吸收。積聚的熱量將導(dǎo)致部分環(huán)氧樹脂熱分解或碳纖維燒蝕。部分環(huán)氧樹脂通過破壞共價(jià)鍵直接分解,而不會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂下層的碳纖維造成損傷,未被破壞的環(huán)氧樹脂殘留在碳纖維表面(如圖5所示)。

圖5 激光清洗CFRTS表面組織形貌Fig.5 Surface morphology of CFRTS by laser cleaning

2.2 CFRTS-TC4接頭的拉伸試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究激光清洗工藝參數(shù)對(duì)CFRTSTC4鈦合金接頭性能的影響,采用Zwick/Roell Z030萬能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫下對(duì)CFRTS-TC4接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸裝置如圖6所示,拉伸速度為2 mm/min,預(yù)載為0.5 MPa。為便于裝夾,在拉伸樣件兩端裝上相應(yīng)的墊片,如圖6所示,墊片1是CFRTS板,墊片2是TC4鈦合金。

圖6 拉伸試驗(yàn)裝置及樣件示意圖Fig.6 Schematic diagram of tensile testing device and sample

根據(jù)最大載荷將樣件分為A、B、C、D 這4組,分組情況如圖7所示,拉伸強(qiáng)度依次遞減,從每組中選取1個(gè)作為樣件,分別為樣件10(16.62 MPa)、樣件9(12.84 MPa)、樣件11(8.27 MPa)和樣件22(4.58 MPa),未采用激光清洗的CFRTS作為參照組E組,其拉伸強(qiáng)度為5.4 MPa。將表面形貌與拉伸強(qiáng)度對(duì)照,發(fā)現(xiàn)兩組試驗(yàn)的結(jié)果相對(duì)應(yīng)：表面形貌情況①所包含的樣件與A 組所含樣件相同,拉伸強(qiáng)度均在15 MPa以上；表面形貌情況②所包含的樣件與B組所含樣件基本相同；表面形貌情況③所包含的樣件與C 組所含樣件相同；表面形貌情況④所包含的樣件與D 組所含樣件基本相同,樣件22的連接強(qiáng)度低于E 組。這說明激光清洗能夠有效去除CFRTS 表面的環(huán)氧樹脂,增加表面活性官能團(tuán)和粗糙度,提高材料表面的附著力,提升CFRTS-TC4 接頭的連接強(qiáng)度。在保證碳纖維結(jié)構(gòu)完整的前提下,CFRTS表面環(huán)氧樹脂去除越多,其連接強(qiáng)度越大,當(dāng)碳纖維結(jié)構(gòu)被破壞時(shí),會(huì)降低接頭的連接強(qiáng)度,受損嚴(yán)重時(shí)會(huì)比未清洗樣件的連接強(qiáng)度低。

圖7 各組試驗(yàn)得到的拉伸強(qiáng)度Fig.7 Tensile strength obtained in each experimental group

2.3 焊接接頭硬度分析

為了進(jìn)一步分析激光焊接對(duì)TC4鈦合金力學(xué)性能的影響,用維氏顯微硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭的顯微硬度,在9.8 N 的載荷下,分別在母材和焊縫區(qū)各取3 點(diǎn),取其平均值作為區(qū)域的硬度,如圖8(a)所示。圖8(b)為TC4鈦合金表面顯微硬度變化曲線,TC4 鈦合金的母材表面的微觀硬度的平均硬度(測(cè)量3點(diǎn)取平均值)為419.9 HV,焊縫的微觀平均硬度為552.1 HV,經(jīng)過激光焊接之后,硬度提升了132.2 HV,這說明在激光焊接加熱和冷卻過程中,TC4 表面發(fā)生了淬火效應(yīng)。圖9為TC4合金的焊縫區(qū)域的顯微組織,可知經(jīng)過激光焊接后,TC4表面存在270μm 左右的硬化層,且硬化層晶粒相對(duì)于基體材料更細(xì)化,硬化層的顯微硬度有所提高。

圖8 焊縫與母材的顯微硬度分析Fig.8 Analysis of microhardness of weld and base metal

圖9 TC4鈦合金表面激光硬化層Fig.9 Laser hardening layer on TC4 titanium alloy surface

2.4 接頭PA樹脂填充分析

使用SEM 觀 察A、B、C、D、E 共5 組 樣 件接頭的PA 樹脂填充情況,觀察結(jié)果如圖10所示。

圖10(a)是樣件A 接頭樹脂填充情況,CFRTS和TC4 的連接界面形成了多個(gè)咬合結(jié)構(gòu),相鄰的咬合結(jié)構(gòu)之間有較大空洞,這是因?yàn)镃FRTS在激光清洗之后,碳纖維暴露充分,與TC4的接觸界面充分接觸,焊接時(shí)在高能激光束照射下,樹脂熔化直接填充在接觸面,形成了咬合結(jié)構(gòu),有效提升了CFRTS-TC4接頭的連接強(qiáng)度；由于制備微織構(gòu)導(dǎo)致TC4鈦合金表面部分出現(xiàn)槽口,激光清洗使CFRTS表面不規(guī)則,二者接觸不充分,形成較明顯的空洞。圖10(b)是樣件B接頭的填充情況,PA 樹脂在碳纖維與TC4的連接界面充分填充,有少量較小的空洞,但未形成樣件A 中的咬合結(jié)構(gòu)。從圖10(c)可觀察到,樣件C連接界面左側(cè)的PA 樹脂部分與CFRTS連接,部分與碳纖維連接,右側(cè)的PA 樹脂均勻填充在TC4表面,未形成類似樣件A 的咬合結(jié)構(gòu)。圖10(d)顯示,樣件D 接頭左側(cè)的PA 樹脂與碳纖維連接不充分,有較多空洞,這是因?yàn)闃蛹﨑的CFRTS在激光清洗過程中碳纖維結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損,PA 樹脂在TC4 表面填充不充分,有較多空洞,但未形成類似樣件A 中的咬合結(jié)構(gòu)。從圖10(e)可以發(fā)現(xiàn),樹脂在CFRTS 表面填充均勻,在TC4表面填充較充分,有少量空洞,未形成A 組樣件中的咬合結(jié)構(gòu)。

圖10 CFRTS-TC4接頭PA 樹脂填充的SEM 圖Fig.10 SEM image of PA resin filling of CFRTS-TC4 joint

綜上所述,當(dāng)CFRTS 表面環(huán)氧樹脂清除干凈,且碳纖維結(jié)構(gòu)完整時(shí),會(huì)形成類似A 接頭的咬合結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)有利于提升接頭的拉伸強(qiáng)度；當(dāng)CFRTS表面環(huán)氧樹脂清除過度而導(dǎo)致碳纖維結(jié)構(gòu)被破壞時(shí),會(huì)降低接頭的拉伸強(qiáng)度。

2.5 接頭斷裂和失效分析

為了進(jìn)一步探索激光清洗工藝參數(shù)對(duì)接頭的性能影響規(guī)律,使用SEM 電鏡對(duì)A、B、C、D、E共5組樣件的斷裂形貌觀察,進(jìn)一步分析了接頭的失效機(jī)制,觀察結(jié)果如圖11所示。

圖11(a)、圖11(b)是樣件A 拉伸斷裂后CFRTS和TC4的斷裂形貌圖。CFRTS 表面部分有PA 樹脂殘留,PA 樹脂周圍有大量斷裂的碳纖維,TC4表面殘留大量PA 樹脂和斷裂的碳纖維,是5組樣件中殘留斷裂的碳纖維最多的樣件。接頭的斷裂界面為CFRTS和TC4的結(jié)合界面,接頭的失效形式為碳纖維與PA 樹脂的撕裂和PA 樹脂與TC4鈦合金結(jié)合界面撕裂。

圖11(c)、圖11(d)是樣件B 拉伸斷裂后的CFRTS和TC4的斷裂形貌圖,CFRTS表面附著大量PA 樹脂和少量碳纖維,TC4表面只有少量PA 樹脂殘留,分布在激光清洗處周圍,且與TC4微織構(gòu)槽的位置相對(duì)應(yīng),與樣件A 相似。拉伸時(shí)接頭的斷裂主要發(fā)生在碳纖維層與PA 樹脂接觸面,接頭的失效形式為碳纖維與PA 樹脂的撕裂。

圖11(e)、圖11(f)是樣件C 拉伸斷裂后的CFRTS和TC4 的斷裂形貌圖,觀察到CFRTS表面殘留大量PA 樹脂,TC4 表面殘留部分PA樹脂,且TC4殘留PA 樹脂的表面沒有碳纖維殘留。拉伸時(shí)接頭的斷裂主要發(fā)生在PA 樹脂與TC4的接觸面,接頭的失效形式為PA 樹脂與TC4的撕裂。

圖11(g)、圖11(h)是樣件D 拉伸斷裂后的CFRTS和TC4的斷裂形貌圖,PA 樹脂大量存在于TC4表面,少量殘留在CFRTS 表面,且TC4表面幾乎無碳纖維附著,這是因?yàn)闃蛹﨑 在激光清洗時(shí),碳纖維結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞,與TC4連接強(qiáng)度低,低于對(duì)照組樣件E。拉伸時(shí)接頭的斷裂主要發(fā)生在PA 樹脂與TC4接觸面,接頭的失效形式為PA 樹脂與TC4的撕裂。

圖11(i)、圖11(j)是樣件E 拉伸斷裂后CFRTS和TC4的斷裂形貌圖,PA樹脂大量存在于TC4表面,少量殘留在CFRTS 表面,且TC4表面幾乎沒有碳纖維附著。與樣件D 相似,拉伸時(shí)接頭的斷裂發(fā)生在PA 樹脂與TC4接觸面,接頭的失效形式為PA 樹脂與TC4的撕裂。

圖11 CFRTS-TC4接頭斷口形貌SEM 圖Fig.11 SEM image of fracture surface of CFRTS-TC4 joint

綜上所述,當(dāng)失效方式為碳纖維與PA 樹脂的撕裂及PA樹脂與TC4鈦合金結(jié)合界面撕裂的混合失效方式時(shí),焊接接頭的拉伸強(qiáng)度最大；當(dāng)失效方式為填充PA樹脂與TC4撕裂時(shí),焊接接頭的拉伸強(qiáng)度最小。因此,通過控制激光清洗CFRTS的工藝參數(shù),能夠有效提升接頭的拉伸強(qiáng)度。

2.6 方差和極差分析

根據(jù)拉伸試驗(yàn)測(cè)試強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行方差和極差分析,分析結(jié)果如圖12、表5 所示,表中,,…,分別為因素水平1～5時(shí)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值,為對(duì)應(yīng)因素的極差。計(jì)算在其他因素作為協(xié)變量時(shí)各因素的方差,建立各因素的回歸模型,如圖13所示,圖中為回歸模型誤差的標(biāo)準(zhǔn)方差,為回歸模型誤差占總誤差的百分比,為調(diào)整的。

圖12 正交試驗(yàn)方差分析圖Fig.12 Variance analysis diagram of orthogonal experiment

圖13 正交試驗(yàn)擬合線圖Fig.13 Fitting chart of orthogonal experiment

表5 正交試驗(yàn)極差分析Table 5 Range analysis of orthogonal experiment

由圖12可知,當(dāng)激光功率作為因子,掃描速度、線間距和掃描次數(shù)作為協(xié)變量時(shí),激光功率的方差為0.037,小于0.050,說明激光功率對(duì)拉伸強(qiáng)度的結(jié)果是有顯著影響的；當(dāng)掃描速度作為因子,激光功率、線間距和掃描次數(shù)作為協(xié)變量時(shí),掃描速度的為0.010,小于0.050,說明掃描速度對(duì)拉伸強(qiáng)度的結(jié)果是有顯著影響的；當(dāng)線間距作為因子,激光功率、掃描速度和掃描次數(shù)作為協(xié)變量時(shí),線間距和掃描次數(shù)的均大于0.050,說明線間距對(duì)拉伸強(qiáng)度的結(jié)果沒有顯著影響；當(dāng)掃描次數(shù)作為因子,激光功率、掃描速度和線間距作為協(xié)變量時(shí),掃描次數(shù)的均大于0.050,說明掃描次數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的結(jié)果沒有顯著影響。

先計(jì)算各因素在每個(gè)水平的均值,再通過計(jì)算各因素的極差得到各因素對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響。由表5可知,按照極差的大小對(duì)拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生的影響因素進(jìn)行排序,影響最大的因素為掃描速度(=4.744),之后依次為激光功率(=4.594)、掃描次數(shù)(=2.904)和線間距(=2.662)。其中掃描速度和激光功率對(duì)激光清洗的影響較大,是影響接頭拉伸強(qiáng)度的主要因素。掃描次數(shù)和線間距對(duì)激光清洗的影響較小,是影響接頭拉伸強(qiáng)度的次要因素。

由圖13正交試驗(yàn)擬合曲線可知激光清洗最優(yōu)參數(shù)為激光功率10 W、掃描速度2 500 mm/s、線間距0.5 mm/s、掃描次數(shù)1次,采用上述參數(shù)制備CFRTS-TC4連接接頭樣件。通過拉伸試驗(yàn)得到其拉伸強(qiáng)度為23.77 MPa,應(yīng)力曲線如圖14所示,與正交試驗(yàn)樣件的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,此樣件的拉伸強(qiáng)度最大,是未進(jìn)行激光清洗的接頭樣件的5倍多。

圖14 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.14 Stress-strain curves

使用SEM 觀察接頭拉斷后的斷口形貌,如圖15 所示,發(fā)現(xiàn)CFRTS 表面的碳纖維暴露明顯,斷裂嚴(yán)重,有少量PA 樹脂。TC4鈦合金表面有大量PA 樹脂和纖維狀殘留物,使用SEM 和能譜儀(EDS)觀察,如圖16所示,發(fā)現(xiàn)TC4表面點(diǎn)1、2的譜圖中只有C、O 兩種元素,表面點(diǎn)3、4的譜圖中有C、O、N、P等元素,通過元素對(duì)比分析,可以確定纖維狀殘留物為碳纖維。接頭的斷裂界面為CFRTS和TC4的結(jié)合界面,拉伸時(shí)接頭的斷裂主要發(fā)生在碳纖維層與PA 樹脂層以及TC4表面與PA 樹脂接觸面,接頭的失效形式為碳纖維與PA 樹脂的撕裂以及PA 樹脂與TC4鈦合金結(jié)合界面撕裂。

圖15 最優(yōu)正交參數(shù)CFRTS-TC4接頭斷口SEM 形貌圖Fig.15 SEM morphology of fracture of CFRTS-TC4 joint with optimal orthogonal parameter

圖16 TC4鈦合金表面能譜圖Fig.16 Surface energy spectra of TC4 titanium alloy

3 結(jié) 論

1)對(duì)連接強(qiáng)度影響最大的激光清洗工藝參數(shù)為掃描速度,之后依次是激光功率、掃描次數(shù)和線間距。掃描速度和激光功率對(duì)激光清洗的影響較大,是影響接頭拉伸強(qiáng)度的主要因素。掃描次數(shù)和線間距對(duì)激光清洗的影響較小,是影響接頭拉伸強(qiáng)度的次要因素。

2)通過正交試驗(yàn)和方差分析得出,在激光功率為10 W、掃描速度為2 500 mm/s、線間距為0.5 mm、掃描次數(shù)為1次的激光清洗工藝參數(shù)的條件下,CFRTS-TC4 鈦合金接頭的連接強(qiáng)度最高,為23.77 MPa。

3)激光清洗能夠有效去除CFRTS表面的環(huán)氧樹脂,增加表面活性官能團(tuán)和粗糙度,提高材料表面的附著力,提升CFRTS-TC4接頭的連接強(qiáng)度。在激光清洗過程中,積聚的熱量將導(dǎo)致部分環(huán)氧樹脂熱分解或碳纖維燒蝕。部分環(huán)氧樹脂通過破壞共價(jià)鍵直接分解,而不會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂下層的碳纖維造成損傷,部分未被破壞的環(huán)氧樹脂殘留在碳纖維表面。

4)CFRTS-TC4鈦合金激光連接接頭的失效形式主要有碳纖維和PA 樹脂結(jié)合界面撕裂、PA樹脂和TC4鈦合金結(jié)合界面撕裂、CFRTS和PA樹脂結(jié)合界面撕裂等,其中在碳纖維與PA 樹脂結(jié)合界面撕裂及PA 樹脂與TC4鈦合金結(jié)合界面撕裂的混合撕裂方式下的接頭連接強(qiáng)度最高。