時效處理對鋁合金A6061 與碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料激光連接接頭的影響

馬晨晨

摘要：采用激光直接連接技術(shù)對鋁合金（A6061）與碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinf-orced Thermal Plastic，CFRTP）進(jìn)行連接，以接頭抗拉強度作為評價指標(biāo)，確定連接參數(shù)的影響規(guī)律及最優(yōu)連接工藝。采用時效處理的方法提高接頭連接強度，研究時效處理參數(shù)對拉伸強度的影響，揭示最優(yōu)工藝參數(shù)下接頭的連接機(jī)理。結(jié)果表明：發(fā)現(xiàn)連接界面中存在氧元素，并存在元素擴(kuò)散，時效處理顯著提高了CFRTP與A6061的接頭強度，約為未時效處理的2倍，時效處理后界面連接緊密。

關(guān)鍵詞：鋁合金;碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料;激光連接;時效處理

0? ? 前言

鋁合金密度為2.6～3.3 g/cm3，具有比強度高、成型性能好、耐腐蝕等優(yōu)點，碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）具有質(zhì)量輕、耐疲勞、耐沖擊、剛度高等優(yōu)點，二者廣泛應(yīng)用于航天航空、交通運輸、能源發(fā)展等領(lǐng)域[1-5]。CFRTP和鋁合金的連接不僅減輕了結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，并且提高了能效，在各行業(yè)引起了廣泛關(guān)注。

金屬與碳纖維復(fù)合材料有三種連接方式：機(jī)械連接、粘結(jié)、焊接。機(jī)械連接[6]是將碳纖維復(fù)合材料和金屬通過額外的緊固件（碳纖維復(fù)合材料或金屬本身制成螺釘和螺栓）進(jìn)行連接，增加了結(jié)構(gòu)件整體質(zhì)量，并且緊固件引起了嚴(yán)重的應(yīng)力集中從而削弱結(jié)構(gòu)件的連接強度。膠結(jié)[7-8]是利用膠黏劑將碳纖維復(fù)合材料和金屬連接成一個整體，膠黏劑與材料進(jìn)行固化反應(yīng)需要大量時間，低效率的缺點使得其不適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)加熱方式不同，焊接主要有超聲波焊接、電阻加熱焊、攪拌摩擦焊和激光連接。其中激光連接[9-13]作為一種非接觸、先進(jìn)高效的焊接方式，廣泛應(yīng)用于連接焊接金屬（例如不銹鋼，鋁鎂合金）與碳纖維復(fù)合材料[14-16]，其利用碳纖維復(fù)合材料中熱塑性基體材料二次熔融的特點，與金屬形成連接。與其他傳統(tǒng)連接技術(shù)相比，具有速度快、變形小，操作簡單方便等優(yōu)點。但異種材料之間物理化學(xué)性能和組織形貌不同，連接強度較低。Jung等人[17]采用高質(zhì)量連續(xù)波二極管激光器連接CFRP與A5052，在0.33 mm/s的剪切速度下接頭剪力只達(dá)到3 000 N。為了獲得更高的連接強度，研究人員們對金屬或碳纖維復(fù)合材料表面進(jìn)行預(yù)加工處理。Zhou Zhang等人[18]在激光連接前對鋁合金表面進(jìn)行激光預(yù)處理，使鋁合金表面產(chǎn)生凸起和凹槽，當(dāng)凸起物的密度為1.11/mm2時，接頭強度達(dá)到39 MPa，是未預(yù)處理接頭強度的4倍。Jiguo Shan等人[19]對CFRP表面進(jìn)行紫外線燈輻照改性，當(dāng)輻照距離為10 mm、輻照時間為30 s時，CFRP上增加了C=O鍵和O-C=O鍵，接頭產(chǎn)生了Al-C、Al-O-C等新的化學(xué)鍵，剪切強度達(dá)到30.1 MPa。Zhou Zhang、Jiguo Shan等人[6]對A6061進(jìn)行陽極氧化預(yù)處理，當(dāng)氧化時間在10～30 min時，接頭中產(chǎn)生了Al-O-PA6等新的化學(xué)鍵，最優(yōu)工藝參數(shù)下接頭的剪切強度達(dá)到41.8 MPa，是未陽極氧化處理接頭強度的8倍。

文中采用光纖激光器研究A6061與CFRTP連接工藝。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（激光功率、掃描速率、離焦量）優(yōu)化連接性能，采用時效處理提高接頭的連接強度，觀察分析接頭形貌，總結(jié)接頭連接機(jī)理，為以后金屬與碳纖維復(fù)合材料的激光連接技術(shù)的研究與應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1 實驗材料、設(shè)備和方法

實驗用A6061鋁合金為熱軋態(tài)鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示，機(jī)械性能如表2所示;CFRTP基體材料為PA6，物理性能如表3所示，其分子式為：

鋁合金尺寸為30 mm×40 mm×2 mm，CFRTP尺寸為3.5 mm×25 mm×10 mm。

實驗所采用的設(shè)備包括 ：YLS-10000-S4型連續(xù)光纖激光器，其最大輸出功率為10 000 W;SUNS UTM 4000型萬能拉伸試驗機(jī)，進(jìn)行試樣拉伸試驗;GENESIS 60S型掃描電子顯微鏡、OLYMPUS BX51M型金相光學(xué)顯微鏡，分析接頭微觀形貌。

連接前用砂紙打磨鋁合金與CFRTP表面，然后放入盛有丙酮的超聲波清洗儀中清洗。CFRTP和鋁合金連接示意見圖1。激光照射在鋁合金上，以熱傳導(dǎo)的形式傳向下層的CFRTP，使其基體熔化，在壓力作用下形成接頭。對最優(yōu)參數(shù)下的試樣進(jìn)行時效處理，將時效處理前后的接頭進(jìn)行拉伸試驗，對比分析拉伸強度的變化規(guī)律，利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）進(jìn)行微觀形貌觀察和元素分析。

2 實驗分析

2.1 激光功率對接頭連接強度的影響

在掃描速度4 mm/s、離焦量+10 mm的條件下，激光功率（600 W、700 W、800 W、1 000 W、1 200 W、1 400 W）對接頭拉伸強度的影響趨勢如圖2所示。結(jié)果表明，整個接頭強度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。這是因為在低激光功率下，熱輸入量低，未達(dá)到CFRTP的基體材料熔點，少量熔融基體粘接在鋁合金表面和流入鋁合金空隙中，接頭強度較低;當(dāng)激光功率增加到1 000 W時，基體材料熔化量增大，大量基體粘接在鋁合金表面，接頭強度增加;當(dāng)激光功率由1 000 W增加到1 400 W時，由于激光熱輸入量過大，CFRTP表面發(fā)生熱損傷，基體材料的熔融量增加，鋁合金與CFRTP的接觸面積增大，單位面積上獲得的熱輸入量減小，接頭拉伸強度降低。因此，本實驗最優(yōu)激光功率參數(shù)為1 000 W。

2.2 掃描速度對接頭連接強度的影響

在激光功率1 000 W、離焦量+10 mm的條件下，不同掃描速度（3 mm/s、4 mm/s、5 mm/s、6 mm/s）對接頭拉伸強度的影響趨勢如圖3所示。結(jié)果表明，整個接頭強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為掃描速度低時，焊接器噴嘴在試樣表面停留時間長，接頭處的熱輸入量大，造成CFRTP表面材料熱損傷嚴(yán)重，使得接頭拉伸強度降低;當(dāng)掃描速度增大時，接頭處的熱輸入量降低，CFRTP的基體材料粘接在鋁合金表面和進(jìn)入鋁合金空隙中，接頭連接強度增強;當(dāng)掃描速度繼續(xù)增大時，接頭吸收熱輸入量不足，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，接頭強度降低。因此，本實驗最優(yōu)掃描速度參數(shù)為4 mm/s。

2.3 離焦量對接頭連接強度的影響

在激光功率1 000 W、掃描速度4 mm/s的條件下，不同離焦量（5 mm、10 mm、15 mm、20 mm）對接頭拉伸強度的影響趨勢如圖4所示。結(jié)果表明，整個接頭強度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢。這是因為當(dāng)離焦量較小時，激光輻射面積小，單位面積上獲得的熱輸入量較大，基體熔融鋪開，鋁合金與CFRTP的接觸面積增大，單位面積上獲得的熱輸入量減小，拉伸強度降低;當(dāng)離焦量增大到+10 mm時，輻射面積增大，接頭強度提高;當(dāng)離焦量繼續(xù)增大時，單位CFRTP接收了少量熱量而出現(xiàn)焊不透的現(xiàn)象，接頭強度降低。因此，本實驗最優(yōu)離焦量參數(shù)為+10 mm。

2.4 氣泡對接頭連接強度的影響

鋁合金與CFRTP接頭形貌如圖5所示?？梢钥闯?，焊縫界面處產(chǎn)生了大小不一的氣泡，這是因為在連接過程中部分表層的基體材料受熱分解產(chǎn)生的氣體來不及逸出而聚集在CFRTP中，這些離散的氣泡在連接過程中壓迫周圍熔融基體材料，使其流入帶有空隙的鋁合金中，在一定程度上加強了鋁合金與CFRTP的連接，增大了接頭強度。王強[11]在碳纖熱塑復(fù)合材料與不銹鋼激光連接實驗中，對焊縫區(qū)域氣泡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)連接區(qū)域氣泡較少時，焊縫強度較低，且存在碳纖熱塑復(fù)合材料熔融不充分、不銹鋼與碳纖熱塑復(fù)合材料連接不緊密的缺陷。當(dāng)連接區(qū)域有適量氣泡時，焊縫界面連接緊密，連接強度達(dá)到11.75 MPa。說明氣泡的產(chǎn)生不是降低連接接頭強度的原因，相反產(chǎn)生適量的氣泡在一定程度上可以提高接頭的連接強度。

2.5 時效處理對接頭強度的影響

對最優(yōu)參數(shù)下的試樣進(jìn)行時效處理（時效處理時間分別為0 h、12 h、24 h、48 h、96 h、144 h，時效處理溫度180 ℃、210 ℃、230 ℃），探討時效處理參數(shù)對接頭強度的影響。時效處理溫度為180 ℃，不同時效處理時間的接頭拉伸強度趨勢如圖6所示?？梢钥闯觯宇^的拉伸強度整體呈現(xiàn)先增大再減小再增大的趨勢。這是因為接頭經(jīng)過時效處理后，CFRTP部分基體材料二次熔融，再次流入鋁合金空隙中，加強了機(jī)械連接。并且CFRTP經(jīng)過高溫時效處理后，力學(xué)性能降低，接頭強度高于CFRTP第一層碳纖維與第一層基體材料之間的粘結(jié)強度，接頭拉伸強度增強。當(dāng)時效處理時間延長，CFRTP進(jìn)一步軟化，鋁合金與CFRTP接觸面積增大，但接頭結(jié)合力主要來自激光連接，時效處理所增強的結(jié)合力較弱，所以出現(xiàn)時效處理的時間延長但接頭強度下降的現(xiàn)象。

不同時效處理溫度和時效處理時間下接頭拉伸強度如圖7所示?？梢钥闯?，3種溫度下拉伸強度的最大值隨著溫度的增加逐漸降低，整體的拉伸強度隨著時效處理時間的延長呈現(xiàn)降低趨勢。這是因為隨著時效處理溫度的升高，接近或超過基體材料熔點，基體材料熔融鋪開，鋁合金與CFRTP接觸面積增大，單位面積下熱輸入量降低，并且隨著溫度的增加，焊縫界面不穩(wěn)定引起連接界面氣泡破碎，氣泡數(shù)量減少使得接頭強度降低。姜峰[20]等人對環(huán)氧樹脂的拉伸試樣件進(jìn)行室溫環(huán)境下1個月、8個月和13個月的時效處理，采用差示掃描量熱法對樹脂進(jìn)行固化度測試。結(jié)果表明，拉伸斷裂強度、拉伸屈服強度隨時間增長而降低。李赟[21]等人在研究微氣泡形成過程及溫度影響時發(fā)現(xiàn)，隨著過熱度增大，相界面不穩(wěn)定而引起氣泡破碎。吳秋寧[22]等人觀察竹粉/塑料試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，水熱處理試樣后，試樣表面會產(chǎn)生較大裂紋，力學(xué)性能明顯降低，采用常溫水浴處理，試樣表面產(chǎn)生微裂紋，力學(xué)性能呈現(xiàn)先升后降再升高的趨勢。

最優(yōu)連接參數(shù)下時效處理0 h、180 ℃×12 h、230 ℃×12 h的焊縫電鏡掃描形貌如圖8所示?？梢钥闯觯瑫r效處理0 h與230 ℃×12 h的連接界面有空隙，時效處理180 ℃×12 h連接界面連接緊密，且在時效處理230 ℃×12 h下，界面出現(xiàn)斷裂。

3 界面連接機(jī)理分析

關(guān)于金屬與碳纖維熱塑性復(fù)合材料的連接機(jī)理，多采用機(jī)械結(jié)合理論、化學(xué)鍵生成理論、吸附理論等來進(jìn)行分析說明[14-19]。最優(yōu)參數(shù)下焊縫界面SEM如圖9所示。可以看出，部分熔融的CFRTP流入鋁合金空隙中，類似于鉚接，增強了接頭的拉伸強度。

最優(yōu)參數(shù)下試樣接頭斷裂面形貌如圖10所示。圖10a中鋁合金的斷口表面有殘留基體材料，圖10b中CFRTP的碳纖維沿著拉伸方向撕裂，圖10c中CFRTP的斷口面存在拉伸變形，圖10d中的CFRTP部分碳纖維裸露。從微觀形貌觀察中可以看出鋁合金與CFRTP具有良好的連接接頭。

為進(jìn)一步研究鋁合金與CFRTP界面連接機(jī)理，采用EDS進(jìn)行元素點分析，結(jié)果如圖11所示。由圖11b可知，C元素含量自CFRTP至鋁合金一側(cè)逐漸降低，由96%降至37%，Al元素含量自CFRTP至鋁合金一側(cè)逐漸增高，由3%升至53%，說明焊縫存在元素擴(kuò)散。同時焊縫界面存在O元素，含量最高可達(dá)23%。將時效處理前后的焊縫O元素含量進(jìn)行對比（見圖11c），時效處理180 ℃×12 h的界面O元素含量比未時效處理的O含量多，說明時效處理增加了連接界面的O元素。由此可以推斷，鋁合金中的Al元素與CFRTP中的C以及O發(fā)生了絡(luò)合反應(yīng)，生成了C-O-Al或C-O等形式的鍵合，從而加強了接頭強度。關(guān)于驗證接頭可能產(chǎn)生的化學(xué)鍵，將在進(jìn)一步的研究中進(jìn)行闡述。

4 結(jié)論

以A6061鋁合金與CFRTP作為研究對象，研究時效處理對激光焊接接頭性能的影響，比較時效處理前后接頭的連接強度，揭示其連接機(jī)理，從而實現(xiàn)鋁合金與CFRTP的高質(zhì)量連接。得到以下結(jié)論：

（1）激光功率、掃描速度和離焦量對接頭拉伸強度的影響規(guī)律均是先增加再下降。最佳工藝參數(shù)為功率1 000 W、速度4 mm/s、離焦量+10 mm。通過EDS分析連接界面，發(fā)現(xiàn)存在元素擴(kuò)散、界面有O元素產(chǎn)生的現(xiàn)象。

（2）連接界面處產(chǎn)生了大小不一的氣泡，加強了鋁合金與CFRTP的連接。對試樣進(jìn)行時效處理發(fā)現(xiàn)，隨著時效處理溫度的增加，其強度最大值呈逐漸遞減的趨勢，隨著時效處理時間的增加，強度呈先增加再降低的趨勢，當(dāng)時效處理參數(shù)為180 ℃×12 h，接頭強度達(dá)到最大值16 MPa，界面連接緊密，并且時效處理增加了焊縫界面的O元素。

參考文獻(xiàn)：

王光耀，魏莉霞，馬鳴圖. 汽車塑料進(jìn)氣歧管焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2016（4）：48-51.

Gao Tiejun，Wang Yao，Liu Jianguang，et al. Research on Formability of Aluminum Alloy 2024 Sheet by Viscous Pressure Forming[J]. Advanced Materials Research，2013：2872-2876.

馬鳴圖，游江海，路洪洲，等. 鋁合金汽車板性能及其應(yīng)用[J].中國工程科學(xué)，2010，12（9）：4-20.

劉靜安，單長智，侯繹，等. 鋁合金材料主要缺陷與質(zhì)量控制技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

邱惠中，吳志紅. 鋁合金超塑成形技術(shù)的發(fā)展及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].宇航材料工藝，1994（6）：38-43.

Zhang Zhou，Shan Jiguo，Tan Xianghu，et al. Effect of anodizing pretreatment on laser joining CFRP to aluminum alloy A6061[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives，2016（70）：142-151.

Arenas J，Alía C，Narbón J J，et al. Considerations for the industrial application of structural adhesive joints in the aluminium-composite material bonding[J]. Compos Part B，2013，44（1）：417-423.

Huang Zhequn，Sugiyama S，Yanagimoto J. Adhesive-embossing hybrid joining process to fifiber-reinforced thermosetting plastic and metallic thin sheets[J]. Procedia Engineering，2014（81）：2123-2128.

焦俊科，王強，昝少平，等. 碳纖熱塑復(fù)合材料激光連接技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2016（19）：24-29.

何金江，鐘敏霖，劉文今. 基于激光直接制造技術(shù)的材料研究[J]. 金屬熱處理，2006（1）：4-8.

王強. 碳纖熱塑復(fù)合材料/不銹鋼激光連接實驗與數(shù)值模擬研究[D]. 浙江：寧波大學(xué)，2017.

王強，焦俊科，王飛亞，等. 界面狀態(tài)對CFRTP/不銹鋼激光連接接頭強度的影響規(guī)律研究[J]. 應(yīng)用激光，2016，36（5）：527-534.

王飛亞，王強，焦俊科，等. CFRTP-不銹鋼激光連接接頭剪切強度及連接機(jī)理的研究[J].電加工與模具，2015（6）：26-31.

Jung K W，Kawahito Y，Katayama S. Laser direct joining of carbon fibre reinforced plastic to stainless stee[J]. Ence & Technology of Welding & Joining，2011，16（8）：676-680.

Cheon J，Na S. Relation of joint strength and polymer molecular structure in laser assisted metal and polymer joining[J]. ence and Technology of Welding & Joining，2014，19（8）：631-637.

Tan Xianghu，Zhang Jing，Shan Jiguo，et al. Characteristics and formation mechanism of porosities in CFRP during laser joining of CFRP and steel[J]. Composites Part B-engineering， 2015（70）：35-43.

Jung K W，Kawahito Y，Takahashi M，et al. Laser direct joining of carbon fiber reinforced plastic to aluminum alloy[J]. Journal of Laser Application，2013，25（3）：530-533.

Zhang Zhou，Shan Jiguo，Tan Xianghu，et al. Improvement of the laser joining of CFRP and aluminum via laser pre-treatment[J]. The International Journal of Advanced Manu-facturing Technology，2017，90（9）：3465-3472.

Zhang Zhou，Shan Jiguo，Tan Xianghu. Evaluation of the CFRP grafting and its influence on the laser joining CFRP to aluminum alloy[J]. Journal of Adhesion Science & Technology，2017，32（4）：1-17.

姜峰，趙玉卿，黃爭鳴. 時效對7901環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響[J].工程塑料應(yīng)用，2019，47（3）：81-84.

李赟，白博峰，閻曉，等. 微氣泡形成過程及溫度影響[J].工程熱物理學(xué)報，2008（9）：1511-1514.

吳秋寧，楊文斌，余方兵，等. 水熱處理對可逆熱致變色竹粉/塑料復(fù)合材料性能的影[J].復(fù)合材料學(xué)報，2013，30（6）：28-36.