纖維增強樹脂基復合材料的攪拌摩擦焊研究

方立高，夏 春，李建萍

（南昌航空大學航空制造工程學院， 江西 南昌 330063）

纖維增強樹脂基復合材料的攪拌摩擦焊研究

方立高，夏 春，李建萍

（南昌航空大學航空制造工程學院， 江西 南昌 330063）

利用攪拌摩擦焊實現了纖維增強樹脂基復合材料的焊接，獲得了焊接接頭力學性能并分析了接頭形成和斷裂機制。結果表明，由于攪拌摩擦焊過程中攪拌針的摩擦剪切及對塑化材料的擠壓作用，使樹脂基體發生塑化并帶動碳纖維遷移形成焊接接頭，在攪拌頭旋轉速度950 r/min，焊接速度38 mm/min時，接頭拉伸強度可以達到52.43 MPa，接近母材強度的51%，焊接接頭的斷裂機制主要為基體剪切斷裂和纖維-基體界面脫粘。

纖維增強樹脂基復合材料；攪拌摩擦焊；力學性能

纖維增強樹脂基復合材料具有比強度和比剛度高，可設計性強，抗疲勞斷裂性能好，耐腐蝕，結構尺寸穩定性好，便于大面積整體成形以及特殊的電磁性能等獨特的優點[1]，已成為繼鋁、鋼、鈦之后迅速發展的第四大航空結構材料，其用量被認為是評價飛機先進性的一個重要標志，也是我國航空工業發展的迫切需求[2,3]。可以預見，隨著航空工業的發展，在結構中將不可避免地需要實現纖維增強樹脂基復合材料的連接。目前常的連接方法有膠接、機械連接。膠接接頭強度低、性能可重復性差，受環境和人為因素影響大。機械連接給接頭引入了缺陷，在連接部位容易形成應力集中，使得材料的性能降低，另外連接件的加入使接頭的重量增加，不能滿足航空航天對材料的苛刻要求。因此，對纖維增強樹脂基復合材料的焊接技術研究很有必要。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是英國焊接研究所（The Welding Institute，簡稱TWI）于1991年發明的一種新穎而有潛力的焊接方法，被譽為“世界焊接史上的第二次革命”。與傳統焊接方法相比，攪拌摩擦焊的熱源來自攪拌頭與工件間的摩擦，具有接頭質量高、焊接過程綠色和焊接變形小、無污染等優點[4]。在國內外引起了廣泛的重視，取得可喜進展，但主要都限于金屬或金屬基復合材料的研究與應用方面。本文采用攪拌摩擦焊技術對纖維增強樹脂基復合材料進行焊接，在焊接工藝優化的基礎上，研究其組織性能，以期為纖維增強樹脂基復合材料在飛機上的擴展應用提供技術儲備。

1 實驗材料及方法

實驗選用的纖維增強樹脂基復合材料為 2.5 mm厚的碳纖維增強聚醚醚酮（CF-PEEK）板材。

使用自制的龍門式數控攪拌摩擦焊機和工裝夾具進行攪拌摩擦焊實驗，選用左螺紋攪拌針，攪拌頭軸肩直徑12 mm，攪拌針直徑3 mm、長度2.3 mm。焊接過程中，軸肩下壓兩固定為0.15 mm，旋轉速度ω和焊接速度ν分別在475至1 180 r/min、24至60 mm/min范圍內調整。

焊后，沿焊縫橫截面截取并制備金相試樣后，在4XB-TV型倒置金相顯微鏡上進行光學顯微觀察。

力學性能試樣按圖 1的位置進行截取，利用WDS-100電子萬能試驗機進行拉伸實驗，拉伸的應變速率為1mm/min，每種焊接規范取3個試樣進行拉伸，取其平均值為實驗結果。

圖1 接頭拉伸試樣截取示意圖Fig.1 Scheme of tensile sample interception

為分析接頭斷裂機制，將拉伸斷口噴金處理后用FEI QUANTA200型掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 實驗結果及分析

表1為攪拌摩擦焊工藝參數對接頭拉伸強度的影響。由表可見，當焊接速度為45 mm/min時，隨攪拌頭旋轉速度的提高，接頭強度先增大后減小，攪拌頭旋轉速度950 r/min時，強度最大，為43.94 MPa；旋轉速度950 r/min時，隨焊接速度的增大，接頭強度先小幅度增大，然后大幅度減小，在焊接速度38 mm/min時，接頭拉伸強度達到最大值52.43 MPa，接近母材強度（103 MPa）的51%。

表1 攪拌摩擦焊工藝參數對攪拌摩擦焊接頭強度的影響Table 1 Effect of friction stir welding process parameters on joint strength

纖維增強樹脂基復合材料的攪拌摩擦焊接接頭和其它材料一樣，在接頭各區域有明顯微觀形貌差異。在攪拌摩擦焊過程中，接頭各個區域受到攪拌頭不同的熱和力作用，使得其微觀組織形態有不同的變化。圖2為接頭橫截面形貌分區示意圖，將接頭分為三個區：焊核區、軸肩作用區和熱力影響區。焊核區為焊接時攪拌針所在的位置，此處材料主要受到攪拌針的摩擦熱和強烈攪拌作用；熱力影響區緊靠著焊核區，區域很窄，受到的來自攪拌針的摩擦熱以及擠壓力都不及焊核區大；軸肩作用區是與軸肩緊密接觸的區域，位于焊核區上方，其受到來自軸肩的摩擦熱和頂鍛力作用較多，此區域在焊接過程中得到的熱量最多且溫度最高。

圖2 攪拌摩擦焊接頭分區Fig.2 Zone of friction stir welding joint

圖3為典型的焊接接頭各區域微觀形貌。母材中碳纖維較為均勻且按照一定的取向分布在基體中，由于熱模壓成形導致較多的氣孔（圖 3a）。焊核區分布有很多雜亂無章的長條狀碳纖維，表明焊接過程中，受攪拌針的摩擦剪切及塑化材料的擠壓作用，樹脂基體得到較充分塑化并帶動碳纖維遷移，塑化材料在攪拌針的作用下流動充分，在攪拌針后方填實，形成焊接接頭并使母材原來存在的氣孔缺陷消除，接頭致密程度有所提高（圖 3b）。前進邊的熱力影響區易產生缺陷，是接頭強度的薄弱部位，從圖3c中可以看出，在前進邊熱力影響區與母材的交界面形成了缺陷。這是當前進邊的材料不斷地轉移到返回邊時，由于碳纖維的影響，使塑化材料的遷移受阻，以至于在攪拌針后方前進邊留下的空缺未能及時地被來自返回邊的塑化材料填充。

圖3 焊接接頭各區域的微觀形貌Fig.3 Micromorphology of friction stir welding joint

圖4分別為復合材料和接頭的拉伸斷裂形態，圖中垂直虛線為攪拌針的中心線所在位置，垂直實線為攪拌針的輪廓所在位置。

圖4 典型的拉伸斷裂形態Fig.4 Typical tensile fracture morphology

如圖可見，復合材料沿垂直于載荷方向發生正斷，而接頭試樣均斷裂在前進邊熱力影響區與母材的交界處。

圖5為母材斷口處的SEM照片。根據裂紋擴展所發生的區域，可以將復合材料的微觀斷裂機制分成纖維斷裂、纖維-基體界面脫粘和基體剪切斷裂[5]。

圖5 母材的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of base material

從圖中可以看出，在斷口的中心區域，碳纖維基本垂直于斷口發生斷裂；在母材近表面區域觀察到側面裸露的碳纖維，纖維之間的樹脂呈現傾斜的臺階狀河流花樣，河流的流向大體相互平行，并與碳纖維近似垂直。從河流花樣的流向可知，裂紋產生在纖維-樹脂界面并沿界面快速擴展后向樹脂基體擴展，由于在基體上的微紋總是沿著能量消耗最少的路徑擴展，所以河流的流向總是垂直于界面，向基體內部延伸，復合材料的斷裂機制主要為纖維-基體界面脫粘。

圖6為接頭斷口處SEM照片，與母材的斷口照片相比，在斷口中心區域觀察到的碳纖維較少，樹脂基體的形貌是河流花樣，此時裂紋在基體中擴展發生基體剪切斷裂。經過攪拌摩擦焊接后的接頭碳纖維與基體的潤濕更好，具有更高的界面結合力，使得裂紋更容易在基體中擴展發生破壞；在斷口近表面區域與母材的斷裂形貌相同，屬于纖維-樹脂界面脫粘。

圖6 接頭的斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of friction stir welding joint

3 結 論

（1）利用攪拌摩擦焊技術實現CF-PEEK纖維增強樹脂基復合材料的焊接，在攪拌頭旋轉速度950 r/min，焊接速度38mm/min時，接頭拉伸強度達到52.43 MPa，接近母材強度的51%。

（2）攪拌摩擦焊過程中，攪拌針的摩擦剪切及對塑化材料的擠壓作用，使樹脂基體塑化并帶動碳纖維遷移形成焊接接頭。

（3）CF-PEEK纖維增強樹脂基復合材料接頭的斷裂機制不同于母材，主要為基體剪切斷裂和纖維-基體界面脫粘。

［1］Robert W., Messler Jr．Joining composite materials and structures: some thought-provoking possibilities [J]．Journal of Thermoplastic Composite Materials，2004，17(1)：51-75.

［2］張曉明，劉雄亞．纖維增強熱塑性復合材料及其運用[M]．北京：化學工業出版社，2007.

［3］Brown A．S．Thermoplastic Composites-Material of the 90’[J].Aer ospace America, 1990：28-33．

［4］Ma Z．Y．Friction Stir Processing Technology：A Review[J]．Metallurgical and Materials Transactions A，2008，39(3)：642-658．

［5］Derek Hull. 斷口形貌學 [M].李曉剛,譯. 北京：科學出版社，2009．

Research on of Friction Stir Welding of Fiber Reinforced Resin Matrix Composites

FANG Li-gao，XIA Chun，LI Jian-ping
（School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Jiangxi Nanchang 330063, China）

Fiber reinforced resin matrix composites were welded by friction stir welding process, and the joint formation and fracture mechanism were studied. The results show that well welded joint can be obtained when the resin is fully plasticizing migrated, which is attributed to the extrusion of friction for the friction stir needle and squeezing effect of plasticizing material; Joint strength of 52.43 MPa can be achieved, and approximately 51% of the base material, when the rotational speed is 950 r/min, welding speed is 38mm/min. The micro-fracture mechanism of the joint is the matrix shear fracture and interfacial debonding of fibre and the matrix.

Fiber reinforced resin matrix composites; Friction stir welding; Mechanical property

TB 33

A

1671-0460（2014）12-2483-03

航空科學基金項目，項目號：2010ZE560。

2014-11-24

方立高（1955-），男，江西上猶人，副研究員，研究方向：功能材料。E-mail：3002@nchu.edu.cn。