飛秒激光表面織構(gòu)化對(duì)CFRP/2060鋁鋰合金高速激光連接接頭剪切性能的影響*

王 棟，徐潔潔，黃 婷，景若木，張景泉，肖榮詩(shī)

（北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部智能光子制造研究中心，北京 100124）

碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和抗疲勞性等性能，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1–3]；金屬材料具有良好機(jī)械加工性、熱導(dǎo)性、成本低等優(yōu)勢(shì)，是首選的結(jié)構(gòu)材料[4]。為了充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)越性能，在未來(lái)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造中不可避免涉及CFRP 與金屬材料的連接問(wèn)題[5–6]。

CFRP 與金屬材料的連接方式主要包括機(jī)械連接、粘接及焊接[7–8]。機(jī)械連接存在復(fù)材制孔困難、結(jié)構(gòu)件額外增重、接頭密封性差等不足[9]，而粘接工藝周期較長(zhǎng)、表面預(yù)處理要求較高、接頭環(huán)境適應(yīng)性差[10]。相比之下，激光連接可控性好、加工效率高，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[9–11]。CFRP 與金屬的物化性質(zhì)差異大，接頭連接界面是異質(zhì)結(jié)構(gòu)最薄弱的部位。如何獲得力學(xué)性能良好的異質(zhì)結(jié)構(gòu)連接接頭成為研究的焦點(diǎn)。

目前，較為常用的界面結(jié)合增強(qiáng)途徑主要包括增強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合和增強(qiáng)機(jī)械結(jié)合[12–16]。增強(qiáng)化學(xué)鍵結(jié)合是通過(guò)增加異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的化學(xué)鍵數(shù)量，以提高界面結(jié)合強(qiáng)度，主要途徑包括金屬表面陽(yáng)極氧化處理[12]和CFRP 表面紫外光接枝處理[13]等；增強(qiáng)機(jī)械結(jié)合則是通過(guò)增加連接界面的機(jī)械錨固作用，從而提高連接接頭強(qiáng)度，主要途徑包括對(duì)金屬表面進(jìn)行砂紙打磨[14]、銑削處理[15]及表面織構(gòu)化處理[16]等。其中，激光表面織構(gòu)化具有可控性好、結(jié)構(gòu)密度高等優(yōu)勢(shì)，作為可有效提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭強(qiáng)度的方式受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[17–18]。Zhang等[19]同時(shí)發(fā)現(xiàn)，激光制備的微結(jié)構(gòu)改變了異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的熱傳遞形式，可在一定程度上減少接頭界面處的凝固收縮氣孔缺陷產(chǎn)生。Zhang[20]和Jiao[21]等分別采用連續(xù)激光和納秒脈沖激光在鋁合金表面預(yù)制出一定的微結(jié)構(gòu)，接頭剪切強(qiáng)度均超過(guò)30 MPa，實(shí)現(xiàn)了激光連接異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭剪切性能的較大提升。同時(shí)，F(xiàn)eng等[22]通過(guò)納秒激光在鋁合金表面刻蝕網(wǎng)格狀微結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭剪切強(qiáng)度提升至23.8 MPa，表明強(qiáng)化接頭的主要連接機(jī)制為機(jī)械結(jié)合，界面處未檢測(cè)到新的化學(xué)鍵生成。

現(xiàn)有研究大多采用圓形光斑進(jìn)行CFRP 與金屬材料的激光連接，且采用較小的激光功率 （< 2 kW）和較低的連接速度 （< 20 mm/s）[20–24]。由于能量密度和溫度分布的不均勻，以及較長(zhǎng)的加熱時(shí)間，接頭中心區(qū)域樹脂存在較為嚴(yán)重的熱分解，弱化了CFRP 與刻蝕結(jié)構(gòu)之間的機(jī)械錨固作用[25]。

近年來(lái)，高功率飛秒激光技術(shù)快速發(fā)展，已從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用。金屬材料飛秒激光加工熱影響區(qū)小，不會(huì)產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷[26]。而且，飛秒激光可制備密度更高的表面微結(jié)構(gòu)，從而增大CFRP 與金屬異質(zhì)接頭界面機(jī)械錨固作用，這一優(yōu)勢(shì)已在Al/PC（聚碳酸酯）異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光連接中得到初步驗(yàn)證[27]。但是飛秒激光表面織構(gòu)化處理對(duì)金屬與CFRP 激光連接接頭力學(xué)性能影響規(guī)律尚缺少系統(tǒng)性的研究。

本文采用飛秒激光在2060 鋁鋰合金表面制備微結(jié)構(gòu)，并采用能量分布較為均勻的矩形光斑實(shí)現(xiàn)了CFRP/2060 鋁鋰合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭的高速激光連接，探討了飛秒激光刻蝕深度與掃描線間距對(duì)連接接頭剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)及方法

試驗(yàn)材料為新型航空航天用高強(qiáng)2060 鋁鋰合金和短切碳纖維體積分?jǐn)?shù)22%的CFRP，其中CFRP 中的樹脂基體為PA6。試樣尺寸分別為60 mm×30 mm×2 mm 和60 mm×25 mm×4 mm。試驗(yàn)前使用丙酮去除2060 鋁鋰合金表面的污漬。由于CFRP 具有較強(qiáng)的親水性，為排除殘留水分對(duì)連接接頭的影響，試驗(yàn)前將酒精清洗后的CFRP 置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥6 h。

采用德國(guó)通快公司生產(chǎn)的TruMicro5000 綠光飛秒激光器和SCANLAB 公司生產(chǎn)的hurrySCAN14 掃描振鏡去除鋁鋰合金表面氧化膜并進(jìn)行表面織構(gòu)化加工。激光波長(zhǎng)為515 nm，脈沖重復(fù)頻率為600 kHz，脈沖寬度為800 fs，最大功率為75 W，光束質(zhì)量因子M2= 1.13，聚焦光斑直徑50 μm。飛秒激光表面處理試驗(yàn)均在大氣環(huán)境下完成，環(huán)境溫度為25 ℃。圖1 為飛秒激光織構(gòu)化刻蝕掃描線間距與刻蝕深度示意圖，刻蝕掃描方向與激光連接方向平行。

圖1 掃描線間距與刻蝕深度示意圖Fig.1 Schematic drawings of scanning line space and ablated depth

激光連接試驗(yàn)采用IPG 生產(chǎn)的YLS–6000 型光纖激光器，激光波長(zhǎng)為1070 nm，準(zhǔn)直鏡焦距為200 mm。采用積分鏡進(jìn)行光束整形，積分鏡焦距200 mm、光斑尺寸0.6 mm×5.8 mm。圖2 為激光連接CFRP 和2026 Al–Li 示意圖，激光直接照射到鋁合金表面，鋁鋰合金吸收激光能量后將熱量傳至連接界面處使CFRP 的樹脂加熱熔化，在夾具施加的壓力作用下，兩者充分結(jié)合，冷卻后形成連接接頭。本試驗(yàn)中所采用的激光功率和連接速度分別為5 kW 和3.6 m/min。

圖2 激光連接CFRP 和2060 Al–Li 合金示意圖Fig.2 Schematic drawings of laser joining CFRP and 2060 Al–Li alloy

拉伸試驗(yàn)采用MTS 公司生產(chǎn)的MTS370 型號(hào)拉伸測(cè)試機(jī)，拉伸加載速率為0.5 mm/min，每組參數(shù)拉伸試樣為3 組。試樣尺寸及拉伸方向如圖3 所示。使用光學(xué)顯微鏡 （OM，OLYMPUS GX51）、超景深顯微鏡（KEYENCE VHX970）、掃描電鏡 （Hitachi S–4300N）進(jìn)行刻蝕結(jié)構(gòu)和接頭橫截面形貌觀察。金相試樣均采用標(biāo)準(zhǔn)拋光方法。

圖3 拉伸測(cè)試示意圖（mm）Fig.3 Schematic diagram of tensile test (mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 飛秒激光刻蝕形貌特征

首先使用飛秒激光去除待刻蝕區(qū)域的氧化膜，然后進(jìn)行織構(gòu)化刻蝕加工。去除氧化膜的工藝參數(shù)為：激光功率60 W、掃描速度2000 mm/s、搭接率20%、掃描2遍。微結(jié)構(gòu)刻蝕工藝參數(shù)和刻蝕深度如表1 所示。

表1 飛秒激光刻蝕工藝參數(shù)及刻蝕深度Table 1 Process parameters of femtosecond laser ablation and ablated depth

圖4（a）為刻蝕形貌表面，圖4（b）為橫截面特征。可以看出，微結(jié)構(gòu)呈“V”字形，壁面光潔，無(wú)熔化金屬的附著物。飛秒激光加工時(shí)，由于脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于材料內(nèi)部受激電子的弛豫時(shí)間，抑制了熱擴(kuò)散的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了“冷加工”[26]。相比于其他短脈沖激光和連續(xù)激光，飛秒激光織構(gòu)化避免了重凝層的產(chǎn)生，從根本上防止了加工區(qū)域氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。由于飛秒激光脈沖能量分布為高斯分布，光斑中心具有較高的能量分布，導(dǎo)致在光斑中心區(qū)域的刻蝕深度較深。

圖4 刻蝕結(jié)構(gòu)形貌Fig.4 Morphology of etching structure

2.2 連接接頭形貌特征

圖5 為CFRP/2060 鋁鋰合金激光連接接頭宏觀形貌及橫截面形貌，其刻蝕結(jié)構(gòu)特征：掃描線間距114 μm、刻蝕深度197 μm?？梢?jiàn)，連接接頭成形良好，未發(fā)現(xiàn)氣泡、裂紋等缺陷。在激光連接過(guò)程中，較多的熔融樹脂均勻填充至飛秒激光刻蝕的“V”形微結(jié)構(gòu)中，兩者實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合作用。

圖5 CFRP 與2060 鋁鋰合金連接接頭形貌Fig.5 Morphology of CFRP and 2060 Al–Li alloy joint

本文采用矩形光斑實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)高速激光連接，連接速度高達(dá)3.6 m/min，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有文獻(xiàn)中的連接速度[28–29]。一方面，飛秒激光織構(gòu)化微結(jié)構(gòu)壁面光潔，有利用激光連接過(guò)程中熔融樹脂的流動(dòng)填充；另一方面，矩形光斑能量分布均勻，使接頭溫度場(chǎng)分布較為均勻，有效避免了圓形光斑激光連接時(shí)接頭中心區(qū)域溫度過(guò)高導(dǎo)致樹脂的熱分解氣泡產(chǎn)生。此外，由于增強(qiáng)纖維和樹脂基體的熱膨脹系數(shù)存在較大差別，低速連接時(shí)過(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間會(huì)促進(jìn)界面相內(nèi)的水分?jǐn)U散、界面缺陷生長(zhǎng)等物理、化學(xué)過(guò)程的進(jìn)行，從而影響接頭力學(xué)性能[30]。因此，在保證足夠的熱輸入量前提下，高速連接使界面處CFRP 處于熔融狀態(tài)的時(shí)間及處于熱分解狀態(tài)的時(shí)間大幅縮短，有利于改善接頭質(zhì)量。

2.3 刻蝕深度對(duì)連接接頭的影響

圖6 為飛秒激光掃描線間距為114 μm 時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度和拉伸曲線隨刻蝕深度的變化。圖6（a）中的水平線是鋁鋰合金表面未經(jīng)飛秒激光去除氧化膜處理的接頭強(qiáng)度，可以看出，原始表面的接頭平均剪切強(qiáng)度僅為12.9 MPa，而經(jīng)飛秒激光去除氧化膜后接頭平均剪切強(qiáng)度提高到15.3 MPa。這說(shuō)明采用飛秒激光在大氣環(huán)境下對(duì)2060 鋁鋰合金進(jìn)行表面處理后產(chǎn)生新的氧化鋁薄膜，其對(duì)連接接頭影響也很小。經(jīng)飛秒激光織構(gòu)化后的接頭平均剪切強(qiáng)度進(jìn)一步提升，接頭剪切強(qiáng)度隨刻蝕深度呈先增加后降低的變化規(guī)律。當(dāng)刻蝕深度為167 μm 時(shí)，接頭平均剪切強(qiáng)度最高，達(dá)到35.7 MPa，約為未經(jīng)織構(gòu)化的接頭剪切強(qiáng)度的2.3 倍。同樣，接頭拉伸斷裂位移量大小隨刻蝕深度呈先增加后降低的變化規(guī)律。當(dāng)刻蝕深度為167 μm 時(shí)，接頭斷裂位移量最大，約0.7 mm，是未經(jīng)織構(gòu)化處理接頭斷裂位移量的3 倍左右。

圖6 連接接頭剪切性能隨刻蝕深度的變化Fig.6 Variation of shear properties of joints with ablated depth

圖7 為刻蝕深度為0、58 μm、106 μm 及167 μm 時(shí)，2060 鋁鋰合金一側(cè)的斷口形貌，亮色物質(zhì)為CFRP 中的樹脂基體?？梢钥闯?，2060 鋁鋰合金一側(cè)斷口殘留的CFRP 隨刻蝕深度的增加而逐漸增多，原因?yàn)椋弘S著刻蝕深度的增加，連接界面處的CFRP 與2060 鋁鋰合金實(shí)際結(jié)合面積增加，機(jī)械結(jié)合作用得到增強(qiáng)，連接接頭剪切強(qiáng)度和斷裂位移量均呈上升趨勢(shì)。相比于未經(jīng)刻蝕的接頭，刻蝕后的接頭斷裂模式由單一界面斷裂模式向界面斷裂和CFRP 基體斷裂的混合斷裂模式轉(zhuǎn)變。但是，當(dāng)刻蝕深度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熔融樹脂不足而產(chǎn)生未完全填充缺陷，接頭在拉伸過(guò)程中缺陷處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而使接頭強(qiáng)度和斷裂位移量降低。

圖7 2060 鋁鋰合金一側(cè)斷口Fig.7 2060 Al–Li alloy side fracture

圖8 為不同刻蝕深度對(duì)應(yīng)的接頭橫截面?？梢钥闯?，當(dāng)刻蝕深度為197 μm 時(shí)，連接接頭局部出現(xiàn)了未完全填充缺陷，使其接頭剪切強(qiáng)度和斷裂位移量較刻蝕深度167 μm 時(shí)降低。此外，刻蝕深度為197 μm 的接頭剪切強(qiáng)度與斷裂位移量均大于刻蝕深度為106 μm 時(shí)的接頭，主要是由于刻蝕深度為197 μm 時(shí)，接頭實(shí)際結(jié)合深度要遠(yuǎn)大于刻蝕深度為106 μm 的接頭，因此其機(jī)械結(jié)合作用較強(qiáng)。

圖8 CFRP 與2060 鋁鋰合金連接接頭橫截面Fig.8 Cross section of CFRP and 2060 Al–Li alloy connecting joint

2.4 掃描線間距對(duì)連接接頭的影響

由圖6（a）可知，當(dāng)飛秒激光掃描線間距114 μm、刻蝕深度167 μm 時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度最高。因此，本文在刻蝕深度為167 μm 的前提下，探討了飛秒激光掃描線間距對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭剪切強(qiáng)度的影響。圖9（a）為刻蝕深度為167 μm 時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度隨掃描線間距的變化圖?？梢钥闯觯宇^平均剪切強(qiáng)度隨掃描線間距的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)掃描線間距為80 μm時(shí)，連接接頭平均剪切強(qiáng)度為31.8 MPa；當(dāng)掃描線間距為114 μm 時(shí)，接頭的剪切強(qiáng)度最高，達(dá)到35.7 MPa；當(dāng)掃描線間距提高至150 μm 時(shí)，連接接頭平均剪切強(qiáng)度降低至32.3 MPa。圖9（b）為刻蝕深度為167 μm 時(shí)，接頭拉伸曲線隨掃描線間距的變化圖?？梢钥闯觯瑪嗔盐灰屏看笮∫嚯S掃描線間距呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。

圖9 連接接頭剪切性能隨掃描線間距的變化 （刻蝕深度167 μm）Fig.9 Variation of shear properties of joints with scanning line space(ablated depth 167 μm)

圖10 為不同掃描線間距的異質(zhì)結(jié)構(gòu)接頭橫截面。當(dāng)掃描線間距為80 μm 時(shí)，由于刻蝕微結(jié)構(gòu)密度過(guò)大，熔融樹脂不能充分填充微結(jié)構(gòu)，連接界面處存在較多的未完全填充缺陷，致使其接頭剪切強(qiáng)度和斷裂位移量均低于掃描線間距為114 μm 時(shí)的接頭。當(dāng)掃描線間距為150 μm 時(shí)，雖然界面處的CFRP 與2060 鋁鋰合金充分接觸，但由于接頭實(shí)際接觸面積低于掃描線間距為114 μm 時(shí)的連接接頭，機(jī)械結(jié)合作用相對(duì)較弱，導(dǎo)致其接頭剪切強(qiáng)度和斷裂位移量較小。此外，當(dāng)掃描線間距為80 μm 時(shí)，接頭缺陷導(dǎo)致接頭剪切強(qiáng)度略低于掃描線間距為150 μm 的接頭剪切強(qiáng)度，但由于激光連接過(guò)程中較多的CFRP 填充至微結(jié)構(gòu)中，使斷裂位移量較大。

圖10 CFRP 與2060 鋁鋰合金連接接頭橫截面Fig.10 Cross section of CFRP and 2060 Al–Li alloy connecting joint

3 結(jié)論

本文采用飛秒激光在鋁鋰合金表面加工微結(jié)構(gòu)，并通過(guò)光束整形的方式，實(shí)現(xiàn)了CFRP 與2060 鋁鋰合金的高速光纖激光連接，具體研究結(jié)果如下。

（1）經(jīng)飛秒激光表面織構(gòu)化后，采用矩形光斑在激光功率5 kW、焊接速度高達(dá)3.6 m/min 的條件下，CFRP/2060 鋁鋰合金連接接頭平均剪切強(qiáng)度最高可達(dá)35.7 MPa，為未經(jīng)飛秒激光織構(gòu)化接頭的2.3 倍。

（2）飛秒激光表面織構(gòu)化微結(jié)構(gòu)表面光潔，有利于激光高速連接時(shí)熔融樹脂的填充，顯著提高接頭性能，接頭破壞形式均為界面斷裂和CFRP 基體斷裂的混合斷裂模式。

（3）隨著飛秒激光織構(gòu)化刻蝕深度和刻蝕密度的增加，接頭剪切強(qiáng)度與斷裂位移量均呈先上升后降低的趨勢(shì)。