CFRP 與不銹鋼激光焊接氣泡缺陷的研究

朱嘉鑫，陳光磊，張子靖，葉云霞

（ 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇大學(xué)微納光電子與太赫茲技術(shù)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013 ）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 （carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因比強(qiáng)度高和耐蝕性優(yōu)良等優(yōu)異性能，成為了一種重要的戰(zhàn)略材料，在工業(yè)、國防等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。 CFRP 在應(yīng)用過程中，不可避免需要與金屬發(fā)生連接[2]，而傳統(tǒng)的膠接、鉚接等方式存在工序繁瑣、應(yīng)力集中等問題[3-5]。激光焊接是一種高度可控、高度柔性的焊接方法，具有能量集中、熱影響區(qū)窄、焊后變形小、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[6]，本質(zhì)上是一種基于“熱”的加工過程。 在激光焊接CFRP 與金屬的過程中， 由于它們之間存在很大的熱物理性能差異， 容易在連接界面處形成缺陷，從而影響連接強(qiáng)度，這種缺陷主要表現(xiàn)為氣泡。

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。 譚向虎等[7]采用光纖激光器對(duì)鋼板和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行連接， 發(fā)現(xiàn)拉伸時(shí)剪切破壞主要發(fā)生在接頭處氣泡集中區(qū)域。 Li 等[8]使用激光器連接6061 鋁合金與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 通過表面成分分析與接頭處斷口形貌觀察，發(fā)現(xiàn)焊接接頭處存在氣泡，這是影響連接強(qiáng)度的重要因素。Feng 等[9]研究了激光功率、移動(dòng)速度和離焦距離等對(duì)鋁合金與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)在低熱輸入的情況下樹脂的流動(dòng)性差，高熱輸入下樹脂又會(huì)熱分解產(chǎn)生氣泡，均會(huì)導(dǎo)致界面上留有氣孔。 Yang 等[10]在接頭橫截面上觀察到大量亞毫米大小的氣泡，這些氣泡的成核方式大致分為均相成核和非均相成核，與氣泡形核位置有關(guān)。 為了減少氣泡和提升焊接強(qiáng)度，焦俊科等[11-12]通過引入高速旋轉(zhuǎn)激光焊接技術(shù)，增加熔池寬度，減少氣孔缺陷；結(jié)合強(qiáng)度測試的結(jié)果表明，離散態(tài)氣泡能給熔融的樹脂帶來高壓，有助于熔融的樹脂粘接到金屬表面上。 馬晨晨等[13-14]通過時(shí)效處理的方式對(duì)焊接后接頭進(jìn)行時(shí)效處理，在焊縫處觀察到大小不一的氣泡并認(rèn)為氣泡在一定程度上加強(qiáng)了連接強(qiáng)度。 王濤等[15]采用激光焊接將連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料與TC4 合金連接起來，通過調(diào)節(jié)和控制焊接參數(shù)來控制樹脂的分解，減少了連接界面處形成的氣泡。Tan 等[16-18]通過采用不同掃描速度對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料與鈦合金進(jìn)行激光搭接連接，在掃描速度較高的條件下，可以得到較好的連接狀態(tài)。

由此可見，在異種材料或者非均質(zhì)材料的激光焊接過程中，不同材料之間的熱物理性質(zhì)的差異極易引起氣泡缺陷的產(chǎn)生。 目前的研究仍停留在定性分析氣泡產(chǎn)生的機(jī)理及對(duì)接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律上，而關(guān)于控制氣泡的方法、抑制氣泡產(chǎn)生的工藝參數(shù)則缺少定量的深入研究。 本文以CFRP 和不銹鋼連接為研究對(duì)象， 在CFRP 和不銹鋼之間添加填充樹脂層，通過仿真方法研究了激光參數(shù)、填充樹脂的熱物性對(duì)焊接接頭附近溫度場的演化規(guī)律，并以填充樹脂的氣化點(diǎn)為依據(jù)，定量分析了氣泡形成的參數(shù)條件，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了抑制氣泡形成的工藝參數(shù)窗口并驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

1 研究方法

1.1 仿真部分

如圖1 所示， 采用搭接焊的方式對(duì)除膠后的CFRP 與304 不銹鋼進(jìn)行焊接，為了提高連接質(zhì)量，在兩種材料之間加入一層填充樹脂。 圖中上部為不銹鋼，尺寸為25 mm×50 mm×2 mm；中間為填充樹脂層，尺寸為25 mm×25 mm×0.2 mm；底部為除膠后的碳纖維板，尺寸為25 mm×50 mm×2 mm。 構(gòu)建仿真模型時(shí)，利用高斯熱源函數(shù)模擬激光束，使其加載在不銹鋼的上表面。

圖1 CFRP/304 不銹鋼激光焊接原理

為研究不同填充樹脂對(duì)焊接接頭性能的影響，焊接過程中選用了304 不銹鋼、碳纖維及3 種填充樹脂，包括聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚酰胺66（PA66），其熱物理性能參數(shù)[19-25]見表1。

表1 三種填充樹脂的熱物理性能

激光作用于不銹鋼表面， 能量主要以熱傳導(dǎo)的方式傳遞至材料內(nèi)， 將高斯分布的激光熱源加載到不銹鋼上表面。 激光焊接誘導(dǎo)溫度場時(shí)空分布符合三維熱傳導(dǎo)方程：

式中：ρ 為材料密度；c 為材料比熱容；T 為溫度；t 為時(shí)間變量；K 為熱導(dǎo)率；Q（x，y，z，t）為內(nèi)熱源強(qiáng)度。

仿真過程中， 環(huán)境溫度T0設(shè)置為室溫298 K，邊界為空氣對(duì)流傳熱， 仿真過程中的模型網(wǎng)格劃分示意見圖2。

圖2 仿真模型網(wǎng)格劃分

1.2 試驗(yàn)部分

為便于與數(shù)值研究結(jié)果對(duì)照驗(yàn)證， 本文進(jìn)行了激光焊接試驗(yàn)（圖3）。 試樣制備中，由于碳纖維表面的熱固性樹脂會(huì)影響連接效果， 首先在焊接前通過激光清洗對(duì)碳纖維板表面進(jìn)行除膠處理，采用Z 字形路線掃描；其次，為提高連接強(qiáng)度，對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行刻蝕處理；最后，用激光器對(duì)不銹鋼和碳纖維進(jìn)行激光焊接。 激光清洗和激光刻蝕參數(shù)見表2。

圖3 激光焊接

表2 試樣表面預(yù)處理參數(shù)

利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接試樣進(jìn)行拉伸性能測試，為獲得等厚拉伸樣品，拉伸過程中在不銹鋼和CFRP 上粘墊片。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭處氣泡產(chǎn)生機(jī)理

在激光焊接CFRP 與不銹鋼的過程中， 熱量以熱傳導(dǎo)的方式通過不銹鋼傳導(dǎo)到樹脂層，樹脂層通過吸收熱量使溫度逐漸升高達(dá)到熔點(diǎn)，熔融的樹脂將碳纖維板與不銹鋼連接起來。 如果在激光焊接過程中，填充樹脂上表面和下表面溫度均高于熔點(diǎn)、低于氣化點(diǎn)，則說明填充樹脂呈現(xiàn)液態(tài)，凝固后可連接金屬和CFRP；如果填充樹脂溫度低于熔點(diǎn)，說明樹脂未熔化，無法實(shí)現(xiàn)連接；如果填充樹脂溫度高于氣化點(diǎn)，則樹脂將氣化形成氣泡。 因此，激光焊接過程中監(jiān)測填充樹脂上下表面溫度是找到合適工藝參數(shù)窗口的關(guān)鍵。

在研究過程中仿真單點(diǎn)激光輻照于材料誘導(dǎo)的溫度場，通過改變單點(diǎn)輻照時(shí)間模擬激光掃描焊接時(shí)某點(diǎn)被激光輻照的連續(xù)照射時(shí)間，按照圖4 示意換算單點(diǎn)激光輻照時(shí)間與激光掃描速度。 以圖中A點(diǎn)為例，被激光輻照的時(shí)間與激光掃描速度可通過公式換算：

圖4 單點(diǎn)輻照時(shí)間與激光掃描速度的關(guān)系

式中：d為光斑直徑；v為激光掃描速度。 因此，單點(diǎn)激光輻照時(shí)間可以體現(xiàn)激光掃描焊接過程中的激光束掃描速度。

通過對(duì)焊接接頭處的溫度場進(jìn)行仿真模擬，并提取填充樹脂層的頂部溫度TU（金屬與填充樹脂的界面峰值溫度）和填充樹脂層底部溫度TD（CFRP 與填充樹脂的界面峰值溫度）隨時(shí)間變化的曲線。 圖5給出激光功率為400 W、 填充樹脂為聚苯硫醚，TU和TD隨加熱時(shí)間的演化規(guī)律；圖中t1是樹脂層剛開始熔化的時(shí)刻，t2是樹脂層完全熔化的時(shí)刻，t3是樹脂層達(dá)到熱分解溫度的時(shí)刻，t2、t3分別代表焊接工藝的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻。

由圖5 可見，隨著激光輻照時(shí)間延長，填充樹脂的上表面和下表面溫度均逐漸上升。 當(dāng)輻照時(shí)間到達(dá)t1時(shí)，上表面溫度TU達(dá)到熔點(diǎn)，下表面溫度低于熔點(diǎn)，此時(shí)填充樹脂無法實(shí)現(xiàn)連接金屬和CFRP；當(dāng)輻照時(shí)間達(dá)到t2時(shí)，下表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)，上表面溫度低于氣化點(diǎn)高于熔點(diǎn)，表明填充樹脂此時(shí)全厚度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液態(tài)，具備很好的流動(dòng)性，凝固后能夠起到連接金屬和CFRP 的效果； 當(dāng)激光輻照時(shí)間達(dá)到t3時(shí)，上表面溫度達(dá)到氣化點(diǎn)，此時(shí)樹脂開始?xì)饣?，如果氣化的介質(zhì)不能及時(shí)排出，就會(huì)在接頭處形成氣泡，影響接頭連接性能。 因此，在t2～t3時(shí)間段，上表面和下表面溫度均低于氣化點(diǎn)而高于熔點(diǎn)，填充樹脂具有很好的連接性能。 由此可見，在一定的激光功率作用下， 激光輻照于某點(diǎn)的時(shí)間必須在t2和t3之間，才能獲得良好的連接性能。 根據(jù)公式（2）可推算出特定功率下的激光器掃描速度參數(shù)，圖中t2=2.7 s、t3=5.5 s、光斑直徑d=1 mm，可計(jì)算出激光功率400 W 下掃描速度窗口為0.18～0.37 mm/s；同時(shí)， 結(jié)合圖5b 中樹脂層熔化后形成的熔池寬度來看，t3時(shí)刻熔池寬度范圍更大。

2.2 激光功率對(duì)參數(shù)窗口的影響

圖6 是功率分別為600、800 W 時(shí)聚苯硫醚樹脂層頂部和底部溫度隨著時(shí)間演化的規(guī)律。 功率為400 W 時(shí)的演化規(guī)律見圖5a。 可以根據(jù)演化走勢獲得不同功率條件下樹脂達(dá)到熔點(diǎn)、氣化點(diǎn)的時(shí)間t2、t3，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的激光掃描速度v2和v3，及其差值Δv。

圖6 PPS 在不同功率的溫度場

表3 是根據(jù)圖5a、圖6 計(jì)算得到不同激光功率下的焊接掃描速度窗口?？煽闯?，隨著激光功率的增加，v2、v3和Δv都在增加，這意味著隨著激光功率的增加， 能夠抑制氣泡產(chǎn)生的激光掃描速度窗口逐漸變大，可供選擇的工藝參數(shù)范圍更大，更有利于提高焊接過程可控性與穩(wěn)定性。

表3 不同激光功率下的焊接掃描速度窗口

2.3 填充樹脂對(duì)參數(shù)窗口的影響規(guī)律

填充樹脂的熱物理性能是影響接頭性能的重要因素。 圖7 是聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰胺66 三種填充樹脂在不同功率下的v2、v3及其差值Δv， 可見對(duì)于這三種樹脂， 掃描速度v2、v3和Δv都隨著激光功率的增加而增大，這個(gè)結(jié)論與表3 類似。尤其從圖7c 的Δv走勢中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為400 W 時(shí)焊接速度參數(shù)窗口較窄，激光功率為800 W 時(shí)焊接的工藝窗口相對(duì)較寬。也就是說，精確控制掃描速度是必要的，否則會(huì)因參數(shù)窗口窄而易形成氣泡。

理論上，填充樹脂的熔點(diǎn)與氣化點(diǎn)的差值越大，越有利于在激光焊接過程中獲得較大的速度參數(shù)窗口。 由表1 可知，PPS 的熔點(diǎn)與熱分解點(diǎn)的溫差最大， 這也就體現(xiàn)在圖7c 中PPS 的速度參數(shù)窗口相當(dāng)大。 當(dāng)激光功率為800 W 時(shí)，PA66 的速度參數(shù)窗口最大，但由于其熔點(diǎn)與氣化點(diǎn)的溫差最小，這可能是由于其比熱容最大， 注入同等能量獲得的溫升最小，溫度的升高對(duì)激光掃描速度的變化不敏感。

圖7 填充樹脂對(duì)速度窗口的影響規(guī)律

2.4 激光焊接接頭微觀形貌

為了進(jìn)一步驗(yàn)證激光功率對(duì)氣泡的影響規(guī)律，進(jìn)行了填充樹脂為PPS 的激光焊接試驗(yàn)，使用掃描電鏡觀察了典型參數(shù)的連接界面形貌，結(jié)果見圖8?？煽闯?， 在激光功率分別為400、600、800 W 時(shí)，通過優(yōu)化激光掃描速度可得到質(zhì)量相對(duì)較好的接頭，如圖8a、圖8d、圖8g 所示。在相同激光功率下，低掃描速度的接頭內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)直徑10 μm 左右的小孔，即焊接過程中該處溫度最接近樹脂的熱分解溫度；隨著掃描速度繼續(xù)降低，孔的尺寸變大，意味著樹脂的氣化更加嚴(yán)重。

圖8 不同參數(shù)條件下PPS 的微觀連接界面形貌

2.5 激光焊接接頭力學(xué)性能

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同激光功率下產(chǎn)生的氣泡對(duì)接頭結(jié)合強(qiáng)度的影響，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下對(duì)各試樣進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度測試，拉伸速度為2 mm/min，預(yù)載荷為0.5 MPa，結(jié)果見表4。

表4 不同激光功率下接頭拉伸強(qiáng)度隨掃描速度的變化單位：MPa

由表4 可見，在各功率條件下，接頭的結(jié)合強(qiáng)度均隨著掃描速度的增加先增大后減小。 結(jié)合圖8a、圖8b 可知，在400 W 功率條件下，掃描速度7 mm/s時(shí)樹脂層處于剛剛?cè)刍癄顟B(tài)，掃描速度5 mm/s 時(shí)雖然在焊接時(shí)有小氣泡形成， 但是樹脂層處于完全熔化的狀態(tài)而擁有更好的流動(dòng)性， 在壓力的作用下進(jìn)入凹槽，形成連接質(zhì)量更好的焊接接頭。當(dāng)接頭內(nèi)部出現(xiàn)尺寸較小的氣泡時(shí)， 樹脂層的溫度越接近它的氣化溫度， 樹脂層就越能夠充分熔化并在壓力的作用下與織構(gòu)凹槽充分結(jié)合形成質(zhì)量良好的接頭；但是，結(jié)合圖8c、圖8f、圖8i 可知，隨著氣泡尺寸的變大，接頭的結(jié)合強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降，大氣泡的存在影響了接頭強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文針對(duì)激光焊接CFRP 和金屬材料過程中焊接接頭處常出現(xiàn)的氣泡缺陷， 以激光焊接CFRP 和不銹鋼為例建立溫度場仿真模型，并研究激光功率、掃描速度、填充樹脂等參數(shù)對(duì)氣泡形成的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）激光掃描速度參數(shù)窗口是焊接質(zhì)量和可操作性的關(guān)鍵指標(biāo)，仿真結(jié)果表明，激光功率、掃描速度和樹脂本身的熱物理性能對(duì)于參數(shù)窗口有著重要影響。

（2）激光掃描速度參數(shù)窗口隨著激光功率的增大而增大，隨著填充樹脂熔點(diǎn)與氣化點(diǎn)的溫度差值增大而增大。 因此，在低功率范圍更需要精準(zhǔn)控制激光掃描速度，以控制焊接接頭處氣泡形成。

（3）焊接接頭的連接強(qiáng)度隨著接頭內(nèi)部氣泡的尺寸變大而降低，氣泡尺寸越小焊接接頭的力學(xué)性能越好。