劉景麟,呂贊,王留芳
(沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng) 110136)
聚合物及其復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高和比吸能高等特點(diǎn),是國(guó)防與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略性關(guān)鍵材料,復(fù)合材料的應(yīng)用也是世界發(fā)展高新科技、國(guó)防尖端技術(shù)的重點(diǎn)[1—2]。在第二代戰(zhàn)斗機(jī)到第四代戰(zhàn)斗機(jī)減重方面,復(fù)合材料的應(yīng)用做出了巨大貢獻(xiàn)[3]。此外,鋁合金是應(yīng)用廣泛的輕質(zhì)金屬,在航空航天、船舶和醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的使用[4—5]。在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下,使用復(fù)合材料代替密度較大的金屬與鋁合金相連可實(shí)現(xiàn)輕量化混合結(jié)構(gòu)。輕量化混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展不僅可以推動(dòng)飛機(jī)機(jī)動(dòng)性能的提升,還可以有效減少燃料消耗以及二氧化碳的排放[6—7]。未來(lái)飛機(jī)將要大量的使用金屬與復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu),例如空客A30X等[8]。近年來(lái),新能源汽車的銷售量逐漸增加,但是其中的大型電池和儲(chǔ)罐重量較大,不利于產(chǎn)品輕量化,因此在未來(lái)采用碳和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件與鋁、鎂等輕質(zhì)合金混合結(jié)構(gòu)代替現(xiàn)有大重量結(jié)構(gòu),可以極大減輕汽車重量[9]。
金屬/聚合物和金屬/復(fù)合材料的連接具有較大的挑戰(zhàn)性,因?yàn)榻饘倥c復(fù)合材料的物理化學(xué)差異性較大[10—13]。目前,金屬與聚合物的連接主要方式有膠接[9,14]、機(jī)械連接[15]及焊接[16—17]。膠接的方式具有連接前表面處理工藝復(fù)雜、固化時(shí)間長(zhǎng)、接頭強(qiáng)度低以及膠粘劑在酸堿環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)老化等問(wèn)題。機(jī)械連接過(guò)程中難以避免地會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生破壞,會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中區(qū)域。同時(shí),鉚釘和螺栓會(huì)增加結(jié)構(gòu)的重量。目前連接金屬與復(fù)合材料的焊接方式通常有超聲波焊接與激光焊接。超聲波焊接方式雖然可以獲得質(zhì)量良好的接頭,但是對(duì)板厚較大的試件難以實(shí)現(xiàn)有效連接[18—19]。激光焊接產(chǎn)生的高溫會(huì)燒蝕復(fù)合材料,進(jìn)而產(chǎn)生氣孔,嚴(yán)重降低接頭的力學(xué)性能[11,20]。攪拌摩擦焊技術(shù)作為一種固相連接技術(shù),且焊接過(guò)程具有環(huán)保以及焊后接頭性能好等特點(diǎn),在焊接性能差異較大的異種材料方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[21—22]。
攪拌摩擦焊過(guò)程中的摩擦熱可有效提高復(fù)合材料分子與金屬原子之間的相互擴(kuò)散,且金屬的大塑性變形可以增加接頭的機(jī)械互鎖能力。文中從金屬與復(fù)合材料攪拌摩擦焊搭界接頭的形式、焊具的設(shè)計(jì)、參數(shù)的選取以及連接機(jī)制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。此外,提出了金屬與復(fù)合材料攪拌摩擦焊的未來(lái)發(fā)展與挑戰(zhàn)。
攪拌摩擦搭界焊示意圖如圖1 所示[23]。根據(jù)攪拌針扎入深度可以將接頭分為不扎透上板與扎透上板兩種形式。攪拌針不扎透上板時(shí),攪拌頭僅在上板旋轉(zhuǎn),沿焊縫進(jìn)行攪拌摩擦加工。由于上板具有較好的熱傳導(dǎo)性能,金屬與復(fù)合材料的界面處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較薄的熔化層,熔化的復(fù)合材料在攪拌頭頂鍛作用下會(huì)填充金屬表面的微觀孔隙,待界面處熔化的材料重新固化后可以實(shí)現(xiàn)連接。若焊接中使用無(wú)針攪拌頭,材料流動(dòng)會(huì)受到限制,進(jìn)而限制焊接材料的厚度。若采用有針攪拌頭,可以通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌針尖端到界面處的距離控制界面處的溫度,以增加上板的可焊厚度。當(dāng)復(fù)合材料作為上板時(shí),不適合采用這種方法,因?yàn)閺?fù)合材料具有導(dǎo)熱性較小的特點(diǎn),界面處難以獲得足夠熔化的材料。此外,攪拌頭的攪拌作用會(huì)破壞上板中的長(zhǎng)纖維,嚴(yán)重降低其承載能力。Franke 等[22]提出了通過(guò)攪拌摩擦的方式實(shí)現(xiàn)6061-T6Al 合金在碳纖維的固相滲透,焊接中攪拌頭不扎透上板,圖2 為焊接示意圖。Nagatsuka 等[24]采用攪拌針不扎透上板的方式對(duì)A5056 鋁合金與碳纖維增強(qiáng)尼龍6 進(jìn)行連接,獲得橫截面形貌如圖3 所示??梢钥闯觯负髢蓚?cè)飛邊較小,但是焊縫內(nèi)凹比較明顯,這是因?yàn)閺?fù)合材料作為下板難以提供足夠的背部支撐。
圖1 金屬與復(fù)合材料攪拌摩擦搭界焊示意圖[23]Fig.1 Schematic diagram of friction stir lap welding between metal and composite materials
圖2 6061-T6 鋁合金在碳纖維中的固相滲透摩擦攪拌焊示意圖[22]Fig.2 Schematic diagram of solid state infiltration of 6061-T6 aluminum alloy into carbon fibers via friction stir welding
圖3 攪拌針不扎透上板橫截面形貌[24]Fig.3 Cross-sectional morphology of the upper sheet not penetrated by rotating tool
當(dāng)攪拌針扎透上板時(shí),攪拌針將上下板材料進(jìn)行充分混合,同時(shí),界面處會(huì)出現(xiàn)金屬錨結(jié)構(gòu),可以有效增加接頭機(jī)械互鎖能力。與不扎透上板材相比,扎透上板的方法可以實(shí)現(xiàn)金屬在上與復(fù)合材料在上兩種搭接形式的接頭。Ratanathavorn 等[25]實(shí)現(xiàn)了PMMA 與鋁合金的焊接,表面成形如圖4a 所示,接頭顯示復(fù)合材料作為上板時(shí)焊縫出現(xiàn)較大的凹陷,且焊核區(qū)的顏色較深,是因?yàn)榻饘倥c聚合物充分混合,在焊縫處重新固化形成新的復(fù)合材料。圖 4b 為Shanmiri 等[26]采用攪拌頭扎透上鋁合金板獲得的橫截面,相比于復(fù)合材料作為上板,焊縫沒(méi)有明顯的凹陷,在攪拌針的作用下,金屬顆粒均勻分布在焊核區(qū)域。攪拌針扎透上板,在攪拌針的作用下,界面處材料發(fā)生遷移,在前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)產(chǎn)生錨結(jié)構(gòu),增加接頭的機(jī)械互鎖能力。
圖4 攪拌針扎透上板情況下的橫截面形貌[25—26]Fig.4 Cross-sectional morphology of the upper sheet penetrated by rotating tool
由于復(fù)合材料的熔點(diǎn)較低,在焊接中攪拌頭作用區(qū)域的材料會(huì)因?yàn)槿刍財(cái)嚢桀^邊緣溢出焊縫,在焊縫兩側(cè)產(chǎn)生飛邊以及焊縫表面產(chǎn)生粗糙的瘤狀物,如圖5a 所示[23,26—27]。此外,焊縫處材料溢出過(guò)多會(huì)使焊縫內(nèi)部產(chǎn)生氣孔等缺陷。Nagatsuka 等[23—24]對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物與5052 鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦搭接焊,發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部的氣孔等缺陷會(huì)嚴(yán)重降低接頭的拉伸剪切性能。為了避免這些缺陷的產(chǎn)生,提高接頭質(zhì)量,可以通過(guò)優(yōu)化攪拌頭形貌及尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ji 等[28]和Kumar 等[29]報(bào)道了攪拌頭形貌對(duì)材料的流動(dòng)行為會(huì)產(chǎn)生較大影響,選擇合適的攪拌頭有利于擴(kuò)大焊接工藝窗口。
將金屬與復(fù)合材料連接中出現(xiàn)的鉤狀結(jié)構(gòu)稱為錨結(jié)構(gòu),錨結(jié)構(gòu)能為金屬與復(fù)合材料連接接頭提供機(jī)械作用,以增加接頭力學(xué)性能[25]。合適的攪拌針可以促進(jìn)錨結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,甚至增加錨結(jié)構(gòu)的尺寸[30],以增加其機(jī)械互鎖能力。Huang 等[31]發(fā)現(xiàn)三銑平面錐螺紋攪拌針在焊接中可以有效促進(jìn)材料流動(dòng),圖6 所示為三銑平面錐螺紋攪拌針形貌及攪拌針表面材料流速分布。Huang 等[32]采用該形貌攪拌針對(duì)金屬與復(fù)合材料進(jìn)行焊接,發(fā)現(xiàn)該攪拌針可以顯著增加錨結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度,提高接頭機(jī)械互鎖能力,接頭成形如圖7 所示。此外,三銑平面錐螺紋攪拌針對(duì)于材料流動(dòng)的提高效果明顯,兩種材料在焊核區(qū)域發(fā)生劇烈的攪拌混合,且在該攪拌針作用下形成尺寸較大的錨結(jié)構(gòu)。
圖5 常規(guī)工藝下金屬與復(fù)合材料攪拌摩擦搭界中容易出現(xiàn)的問(wèn)題Fig.5 Problems in the friction stir lap joint of metal and composite material under conventional process
圖6 三銑平面錐螺紋攪拌針形貌及攪拌針表面材料分布[31]Fig.6 Morphology of tapered thread pin with triple facets and the material flow in the pin surface
圖7 三銑平面錐螺紋攪拌頭作用下接頭成形[32]Fig.7 Joint formation under the effect of tapered thread pin with triple facets
為了獲得成形良好的接頭,眾多學(xué)者提出在焊接中采用靜止軸肩輔助的方式。Ji 等[33]報(bào)道了靜止軸肩具有吸熱效應(yīng)、增流效應(yīng)以及增壓效應(yīng)。靜止軸肩的吸熱效應(yīng)可以防止軸肩作用區(qū)材料因?yàn)闇囟冗^(guò)高而發(fā)生嚴(yán)重軟化;增流作用可以有效增加沿板厚方向的材料流動(dòng),避免內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生;增壓效應(yīng)在焊接中于表面摩擦,可以獲得表面完整性較高的接頭。Liu等[34]也指出靜止軸肩可以有效防止焊縫處材料溢出。Huang 等[35]采用外部輔助靜止軸肩與三銑平面錐螺紋組合的方式對(duì)金屬與復(fù)合材料進(jìn)行焊接,靜止軸肩可對(duì)接頭的形狀與性能進(jìn)行有效控制,焊接示意圖如圖8 所示。與常規(guī)工藝相比,靜止軸肩輔助工藝獲得的接頭表面光滑,沒(méi)有出現(xiàn)瘤狀物,如圖9a 所示。接頭內(nèi)部錨結(jié)構(gòu)高度較大,能有效提升接頭的抗拉強(qiáng)度,如圖9b 所示。
圖8 靜止軸肩輔助金屬與復(fù)合材料的攪拌摩擦搭界焊示意圖[35]Fig.8 Schematic diagram of friction stir lap welding assisted by stationary shoulder between metal and composite materials
在焊具形貌及尺寸一定的情況下,焊接參數(shù)直接影響焊接溫度以及材料流動(dòng)行為。目前,學(xué)者已在旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸肩下壓量以及主軸傾角等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)不合適的焊接參數(shù)會(huì)使接頭中出現(xiàn)氧化、氣泡以及裂紋等缺陷,影響接頭的力學(xué)性能。焊接中氣孔的壓力會(huì)使焊核中材料溢出焊縫,同時(shí)會(huì)降低接頭的承載面積。Liu 等[23]在焊接參數(shù)對(duì)氣泡形成影響方面做出了相關(guān)工作,他們指出提高焊接速度可以有效控制氣泡的生成。同時(shí),增加轉(zhuǎn)速可以增加焊縫內(nèi)材料塑性流動(dòng),進(jìn)而可以將氣泡擠出焊縫。
圖9 靜止軸肩輔助工藝下的接頭成形[35]Fig.9 Joint formation assisted by stationary shoulder
焊接參數(shù)對(duì)接頭中錨結(jié)構(gòu)的形成以及微納米化學(xué)結(jié)合具有較大的影響作用。合適的參數(shù)可以有效提高錨結(jié)構(gòu)尺寸以及增加微納米化學(xué)結(jié)合強(qiáng)度,從而獲得高強(qiáng)度接頭。Derazkola 等[36]對(duì)鋁-鎂合金板(AA5058)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)進(jìn)行了焊接,發(fā)現(xiàn)錨結(jié)構(gòu)這種宏觀機(jī)械互鎖以及界面微觀納米化學(xué)結(jié)合主要受主軸傾角的影響,并指出主軸傾角為2°,軸肩下壓量為0.2 mm 時(shí)獲得的接頭強(qiáng)度較好。Khodabakhshi 等[37]指出金屬與聚合物的連接中,較高的轉(zhuǎn)速可以獲得尺寸較大錨結(jié)構(gòu),增加接頭的機(jī)械互鎖能力,有利于力學(xué)性能的提升。Huang 等[32]報(bào)道了焊速的提升不利于錨結(jié)構(gòu)尺寸的改善,因?yàn)楹杆俚奶岣呓档土撕负藚^(qū)的寬度。此外,焊接速度較高導(dǎo)致焊縫前端預(yù)熱不足,難以提高錨結(jié)構(gòu)的高度。Derazkola等[27]研究了鋁鎂合金與聚甲基丙烯酸甲酯片材進(jìn)行攪拌摩擦焊的可行性。對(duì)攪拌摩擦焊接過(guò)程中金屬與聚合物的混合流動(dòng)模式進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)接頭強(qiáng)度取決于工藝參數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1600 r/min 和焊速為25 mm/min 時(shí),接頭強(qiáng)度最大,約為最弱母材的60%。
焊接參數(shù)對(duì)接頭的斷裂方式同樣會(huì)產(chǎn)生影響。Ratanathavor 等[25]研究了焊速較慢和攪拌針尖端到下板背部距離(DTB)對(duì)接頭斷裂形式的影響,發(fā)現(xiàn)斷裂有兩種機(jī)制,DTB 較小時(shí)沿?cái)嗔寻l(fā)生在鋁與攪拌區(qū)邊界,DTB 較大時(shí)斷裂發(fā)生在聚合物上。
綜上可知,合理的工藝參數(shù)可以極大提高接頭質(zhì)量。適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速和降低焊速有利于接頭內(nèi)氣泡的消除,增加有效承載面積;增加接頭內(nèi)部錨結(jié)構(gòu)的尺寸,可以提高接頭內(nèi)的機(jī)械互鎖能力。
機(jī)械互鎖是金屬與復(fù)合材料連接中主要的連接機(jī)制之一,分為微觀機(jī)械互鎖與宏觀機(jī)械互鎖[37]。在攪拌針不扎透上金屬板時(shí),熔化的聚合物填充在聚合物與金屬搭接界面的孔隙,且重新固化后形成微觀機(jī)械互鎖。此外,Derazkola 等[36]、Yusoff 等[38]和Lambiase 等[6]采用攪拌針不扎透上金屬板的情況下實(shí)現(xiàn)金屬與復(fù)合材料的連接,且焊前將金屬表面進(jìn)行預(yù)處理形成微觀通道,以增加界面處的微觀機(jī)械互鎖能力。Yusof 等[38—39]發(fā)現(xiàn)金屬表面經(jīng)過(guò)處理后接頭性能會(huì)得到顯著提升。目前常用的表面處理方式包括噴丸處理、陽(yáng)極氧化以及電化學(xué)處理等方式。采用噴丸處理可以有效增加金屬表面的粗糙度,同時(shí)增加連接區(qū)域面積,可以促進(jìn)熔化的聚合物在連接界面處的潤(rùn)濕性[40],在增加失效載荷方面效果顯著。陽(yáng)極氧化處理可以在金屬表面形成一層具有微小孔隙的氧化層,熔化聚合物與氧化層粘結(jié)后形成微觀機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)有利于接頭抗拉強(qiáng)度的提升[41]。
在攪拌針扎透上板時(shí),形成的鋁錨結(jié)構(gòu)會(huì)在接頭中形成較強(qiáng)的宏觀機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。Melander 等[25]表明,鋁錨引起的機(jī)械聯(lián)鎖改善了AA6111 和聚苯硫醚(PPS)之間FSLW 接頭的拉伸剪切性能。
Khodabakhshi 等[42]在金屬與復(fù)合材料的連接中發(fā)現(xiàn)除微觀機(jī)械互鎖外,范德華力也是重要的連接機(jī)制之一。此外,聚合物與金屬之間的鍵合反應(yīng)同樣是提升拉伸性能的關(guān)鍵因素之一。Nagatsuka 等[43]指出復(fù)合材料基體中存在的極性官能團(tuán)可以與金屬之間可以形成良好的化學(xué)鍵連接,這對(duì)接頭強(qiáng)度的提升會(huì)起到積極作用。
金屬與復(fù)合材料的攪拌摩擦搭接焊的連接機(jī)制為機(jī)械互鎖、化學(xué)鍵合以及較弱的范德華力,可以通過(guò)優(yōu)化攪拌頭形貌及焊接工藝參數(shù)提高接頭的性能。此外,在攪拌頭不扎透上板的情況下,可以通過(guò)金屬表面預(yù)處理增加接頭的連接強(qiáng)度。
攪拌摩擦焊在連接金屬與長(zhǎng)纖維復(fù)合材料時(shí),攪拌針扎透上板會(huì)對(duì)纖維造成破壞,嚴(yán)重影響接頭性能,因此,在未來(lái)對(duì)于長(zhǎng)纖維的攪拌摩擦連接方式有待深入研究。此外,金屬與復(fù)合材料的攪拌摩擦焊處于研究的初級(jí)階段,在機(jī)理上缺少深入研究。