基于FSW原理的金屬/聚合物連接工藝及發(fā)展*

朱善清，韓夢潔，高吉成

(揚州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著新型制造業(yè)的迅速崛起，節(jié)能減排、綠色環(huán)保的發(fā)展理念受到越來越多的重視。工程輕量化是實現(xiàn)綠色制造的重要手段之一，如在汽車制造業(yè)，當(dāng)車身重量減輕100 kg時，CO2排放量可以降低8.5 g/km[1]。同時工程輕量化還會帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，如地面車輛的經(jīng)濟(jì)效益為2.5 $/kg，波音747的經(jīng)濟(jì)效益為450 $/kg，航天飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)30 000 $/kg[2]。

金屬/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計可為工程輕量化提供新的思路，但是金屬與聚合物材料在物理化學(xué)性質(zhì)方面的巨大差異使其連接依然是一個難題。金屬/聚合物的連接形式有機(jī)械連接、膠接和焊接。機(jī)械連接如螺栓連接或鉚接通常存在應(yīng)力集中和容易松動等問題；膠接工藝較復(fù)雜、加工周期長且接頭抗疲勞等動態(tài)性能較差；焊接是一種高效的連接技術(shù)，但是傳統(tǒng)焊接工藝很難實現(xiàn)兩者的高效連接。近年來，攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding, FSW)技術(shù)在金屬與聚合物異種材料連接方面越來越受到重視[3，4]。FSW過程中，摩擦熱可以軟化焊接界面的材料，焊接過程中軸肩的頂鍛力也可以將聚酰亞胺受熱產(chǎn)生的氣泡擠出，同時塑性變形可以增加金屬與聚合物的機(jī)械咬合作用。基于此，本文結(jié)合連接機(jī)理對FSW技術(shù)用于金屬/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析并展望。

1 機(jī)械互鎖連接機(jī)制

國內(nèi)最早將FSW技術(shù)用于金屬/聚合物連接的是李建萍等[5-7]，研究發(fā)現(xiàn)FSW技術(shù)可以使得金屬變?yōu)樗苄粤鲃訝顟B(tài)，冷卻后嵌入聚合物中，且聚合物受熱后在壓力作用下與金屬之間會產(chǎn)生粘附力。王希靖等[8]利用攪拌摩擦點焊(Friction Stir Spot Welding, FSSW)技術(shù)對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料與6082-T6鋁合金連接時發(fā)現(xiàn)在焊接界面處存在犬牙交錯的焊接結(jié)構(gòu)。耿正等[9]通過在碳纖維增強復(fù)合材料與鋁合金FSSW研究中發(fā)現(xiàn)連接機(jī)制為機(jī)械嵌合。陳科等[10]利用摩擦點焊成功將TC4多孔鈦合金與超高分子量聚乙烯連接在一起，并指出鈦合金的多孔結(jié)構(gòu)是形成高強度界面粘結(jié)的關(guān)鍵因素。Sun等[11]在連接鋁合金與聚碳酸酯時通過添加熱源提高了兩種材料在焊接區(qū)域的流動性，從而提高了接頭的性能。在國外，Yusof等[12]對A5052鋁合金與聚對苯二甲酸乙二醇酯焊接機(jī)理進(jìn)行了研究，實驗表明熔融的聚合物可以在界面處形成良好的機(jī)械咬合。Liu等[13]通過FSW技術(shù)連接AA6061鋁合金和聚酰胺6時發(fā)現(xiàn)聚合物熔化層的厚度與R2/v(R為旋轉(zhuǎn)速度，v為焊接速度)呈線性關(guān)系。Ratanathavorn等[14]利用FSW技術(shù)對AA6111鋁合金和聚苯硫醚焊接時發(fā)現(xiàn)接頭的連接機(jī)制為機(jī)械互鎖，其連接機(jī)理如圖1所示。Ogawa等[15]通過FSSW技術(shù)連接了AA5082鋁合金與碳纖維增強聚丙烯復(fù)合材料，研究表明增加焊接時間可以增大焊接面積和熔化樹脂的體積，從而提高接頭的疲勞強度。MirHashemi等[16]在低密度聚乙烯一側(cè)添加SiC顆粒，在后續(xù)與鋁合金FSW過程中，SiC顆粒被引入焊核中，從而提高了接頭的性能。

圖1 金屬/聚合物連接機(jī)理示意圖

金屬/聚合物FSW過程中，通過設(shè)計新型攪拌工具或改變焊接結(jié)構(gòu)可以增加焊接過程中金屬與聚合物的接觸面積，從而提高焊接性能。Upadhyay等[17]首次將攪拌摩擦劃線技術(shù)用于AA5182鋁合金與聚酰胺66和高密度聚乙烯的焊接實驗，研究發(fā)現(xiàn)在焊接界面可以產(chǎn)生類似于鉚接的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。Pabandi等[18]通過螺紋孔摩擦點焊成功焊接了AA5052鋁合金與碳纖維增強聚丙烯復(fù)合材料，整個焊接過程如圖2所示，焊接過程中熔融的聚合物完全填充至螺紋孔內(nèi)，螺紋孔與聚合物的機(jī)械互鎖是主要連接形式。Rana等[19]對AA5052-H32/高密度聚乙烯/AA5052-H32夾芯板焊接時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)兩個“HOOK”，而雙金屬板中只有一個。Patel等[20]對AA6061鋁合金和聚碳酸酯的FSW研究表明機(jī)械互鎖是主要連接形式。Wang等[21]首先在鋁合金表面通過激光燒結(jié)設(shè)計了微織構(gòu)，然后通過FSW技術(shù)實現(xiàn)了AA6061鋁合金與聚酰胺6的連接，研究發(fā)現(xiàn)連接機(jī)制為機(jī)械連鎖與C-O-Al化學(xué)鍵的形成。Gagliardi等[22]通過在純鋁板與聚醚醚酮形成互鎖結(jié)構(gòu)提高了金屬/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能。Wang等[23]首先在纖維增強聚合物復(fù)合材料表面打孔植入AZ31鎂合金鎖扣，然后通過FSW技術(shù)實現(xiàn)了鎂合金與聚合物復(fù)合材料的連接。

圖2 金屬/聚合物焊接過程示意圖

2 物理/化學(xué)鍵合連接機(jī)制

FSW過程中，由于塑性變形嚴(yán)重，在熱和壓力的作用下，焊接界面處會形成物理或化學(xué)鍵。Shahmiri等[24]通過FSW連接AA5052鋁合金與聚丙烯時發(fā)現(xiàn)在界面處存在主要元素為C、O、Al的交互層。Khodabakhshi等[25]在AA5059鋁合金與聚丙烯FSW研究的基礎(chǔ)上提出了界面化學(xué)反應(yīng)連接機(jī)制，即界面處聚合物中嵌入了鋁合金組織。2018年，中國科學(xué)院金屬研究所的吳利輝等[26，27]首次報道了摩擦搭接技術(shù)用于Cu與碳纖維增強塑料(Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastic, CFRTP)的連接實驗，并指出接頭強度的提升主要源于銅表面的Cu2O與酰胺基團(tuán)形成的氫鍵。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的黃永憲等[28-30]研究了攪拌摩擦搭接用于6061-T6鋁合金與聚醚醚酮以及2060-T8鋁合金與碳纖維增強聚醚醚酮連接的可行性，并提出了聚合物與金屬形性共控FSW技術(shù)，在此基礎(chǔ)上將摩擦填充鉚接技術(shù)用于6082-T6鋁合金與聚丙烯的連接，研究發(fā)現(xiàn)在焊接界面處存在化學(xué)基團(tuán)和范德華鍵。Xie等[31]通過在FSSW過程中引入聚酰胺夾層實現(xiàn)了純鋁與木材的連接，研究發(fā)現(xiàn)聚酰胺的存在降低了鋁與木材之間的應(yīng)力，界面形成了C-O-Al化學(xué)鍵。Derazkola等[32]利用FSW技術(shù)實現(xiàn)了304不銹鋼與聚甲基丙烯酸甲酯的連接，X射線光電子能譜發(fā)現(xiàn)Fe、O、C之間可能存在化學(xué)鍵連接。

3 表面改性處理

近年來，有學(xué)者提出對金屬表面改性處理后進(jìn)行金屬/聚合物FSW來提高接頭性能。德國亥姆霍茲聯(lián)合會材料研究所的Dos Santos等[33，34]設(shè)計了摩擦點連接技術(shù)用于金屬與聚合物的連接，此后Goushegir[35]將其用于鋁合金與碳纖維增強復(fù)合材料的連接，研究發(fā)現(xiàn)對材料表面進(jìn)行特殊處理使其在焊接過程中形成化學(xué)鍵(如C-Al鍵)是獲得高性能接頭的關(guān)鍵因素。Aliasghari等[36]在連接AA5052鋁合金和聚丙烯板材之前，對鋁合金表面進(jìn)行等離子體電解氧化處理，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后的鋁合金表面生成粗糙多孔的陶瓷層，該陶瓷層可以將熔融的聚丙烯吸附在表面，使得接頭的強度提高了3倍，其連接機(jī)制為機(jī)械互鎖和共價鍵(C=O)連接。美國密歇根大學(xué)的Liu等[37]在Al表面通過物理氣相沉積方法制備Al2O3涂層，然后與聚酰胺66進(jìn)行焊接時發(fā)現(xiàn)焊接界面處形成了Al-O-C鍵。

4 結(jié)論與展望

本文對金屬/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行了綜述，總結(jié)如下：

(1) 攪拌摩擦焊接過程中，摩擦熱可以軟化焊接界面的材料，焊接過程中軸肩的頂鍛力也可以將聚合物受熱產(chǎn)生的氣泡擠出，同時大的塑性變形可以增加金屬與聚合物的機(jī)械咬合作用。

(2) 焊接過程中通過工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以獲得優(yōu)質(zhì)的金屬/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時連接機(jī)理由機(jī)械互鎖向著物理/化學(xué)鍵合轉(zhuǎn)變。

(3) 未來，金屬/聚合物攪拌摩擦焊接應(yīng)該探索新的表面處理工藝，包括金屬/聚合物表面微織構(gòu)、物理/化學(xué)處理等，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)金屬/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)械互鎖與物理/化學(xué)鍵合雙重連接機(jī)制，從而有效提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。