碳纖維增強復合材料（CFRP）與鋁合金的攪拌摩擦點焊

耿 正，孔 諒，王 敏，黃皆捷，褚衛東，錢夏炎，王大明

（1.上海交通大學 上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240；3.上海拖拉機內燃機有限公司，上海200433）

碳纖維增強復合材料（CFRP）與鋁合金的攪拌摩擦點焊

耿 正1，2，孔 諒1，2，王 敏1，2，黃皆捷3，褚衛東3，錢夏炎3，王大明

（1.上海交通大學 上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240；3.上海拖拉機內燃機有限公司，上海200433）

在航空航天、汽車等領域中，輕金屬-復合材料混合結構的應用逐漸增加，碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Poly，CFRP）與鋁合金的焊接是亟待解決的難題之一。攪拌摩擦點焊（Friction Spot Welding，FSpW）是一種新型的可用于焊接金屬與復合材料的焊接方法。綜述近年來關于CFRP與鋁合金攪拌摩擦點焊的可行性、影響因素、焊接性能以及接頭斷裂機理等方面的研究進展，最后展望了未來關于CFRP與鋁合金攪拌摩擦點焊的研究熱點。

碳纖維增強復合材料；鋁合金；攪拌摩擦點焊

0 前言

隨著人類社會的發展，能源消耗和環境污染已成為世界性難題。在航空航天、汽車等領域中，采用輕金屬-復合材料混合結構可以有效地減輕自身重量，從而降低燃料消耗和二氧化碳等氣體的排放[1]。碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Poly，CFRP）具有強度高、質量輕、熱容量小、相對密度小、抗沖擊性和能量吸收率高等出眾的優點，是設計金屬—復合材料混合結構的理想材料。例如，波音787客機大量使用碳纖維增強復合材料，與傳統的鋁結構相比，總質量減輕了20%[2]；奧迪R8采用鋁合金-碳纖維增強復合材料，車身結構質量減輕了15%[3]；寶馬電動汽車i3和i8用碳纖維增強復合材料代替鋼，不僅減輕了車重，而且在生產過程中可節約50%能源和70%水消耗[4]。寶馬新一代7系730Li領先型采用了由碳纖維增強復合材料、鋁以及鋼構成的創新復合材料車身，車重只有1830kg[5]。

由于理化性能差異巨大，CFRP與金屬的焊接非常困難，成為制造金屬—復合材料混合結構亟需解決的難題之一。目前，膠接和機械焊接是CFRP與金屬的主要焊接方式。膠接需要對CFRP進行表面處理以提高潤濕性和表面張力，而且需要很長的固化時間[6]。機械焊接容易產生應力集中等問題，有報道表明空客A380的機翼上CFRP筋與鋁合金采用機械焊接時產生了裂紋，可能導致整個組件失效[7]。這些問題限制了機械焊接和膠接的應用和發展。對于熱塑性CFRP，研究者們探索了許多焊接方法，如超聲焊、激光焊、電阻焊、感應焊和摩擦焊等，然而，諸如存在較長的焊接周期，昂貴的設備和難以自動化等問題，使得這些焊接方法的應用有待進一步研究。

攪拌摩擦焊（FSW）是英國焊接研究所于20世紀90年代開發和發展起來的特別適合于板材焊接的一種固相連接方法，具有焊縫成形好、生產率高以及綠色無污染等優點。攪拌摩擦點焊（Friction Spot Welding，FSpW）是在FSW基礎上發展的一種固相點連接技術。本研究針對CFRP與鋁合金攪拌摩擦點焊FSpW的可行性、影響因素、焊接性能以及接頭斷裂機理等方面的研究進行歸納總結，在對國內外已有的研究現狀和存在的問題進行相應分析的基礎上，對CFRP與鋁合金FSpW研究中亟待解決的問題和發展趨勢提出了預測和展望。

1 CFRP與鋁合金的攪拌摩擦點焊可行性

碳纖維增強復合材料分為熱固性和熱塑性。焊接方法只限于熱塑性碳纖維增強復合材料。熱固性碳纖維增強復合材料無法通過焊接的方法與金屬連接。

南昌航空航天大學謝一鳴等人[8-9]用直插式攪拌摩擦點焊方法對短碳纖維增強聚醚醚酮（CF-PEEK）與鋁合金進行了焊接試驗。CF-PEEK與鋁合金進行攪拌摩擦焊對接試驗表明，未能得到成形良好、實現有效連接的接頭。與鋁合金進行攪拌摩擦焊搭接試驗表明，當鋁合金為下板時，接頭成形較差，未能得到有效連接；當鋁合金為上板時，能夠得到成形美觀，形成有效連接的搭接接頭。

德國HZG（原GKSS）研究中心在回填式攪拌摩擦電焊的基礎上發明了可用于焊接輕金屬合金和復合材料的工藝方法[10]，實現MgAZ31[11]、AA2024[12]或AA6181[13]和玻璃或者碳纖維增強熱塑性復合材料的搭接點連接。

以下研究所用鋁合金為2 mm厚的A2024-T3板，主要理化性質如表1所示。CFRP板為2.17 mm厚的碳纖維增強聚苯硫醚（CF-PPS）板，主要理化性質如表2所示。

表1 A2024-T3的主要理化性質

表2 CF-PPS的主要理化性質

2 焊接過程中的溫度變化

FSpW焊接過程中的溫度變化可用紅外照相機進行監測，如圖1所示（焊接參數：轉速1 900 r/min；壓入深度0.8 mm；時間4 s；壓力0.2 MPa）。黑色框內為熱成像范圍，其中峰值溫度定義為焊接溫度[12]。

圖1 FSpW焊接溫度監測

FSpW過程中溫度的變化如圖2所示，焊接過程中（焊接參數L：轉速1900r/min，0.8mm，4s，0.2MPa；焊接參數H：2 900 r/min，0.8 mm，4 s，0.3 MPa）鋁板表面最高溫度先快速上升到達峰值，后緩慢下降。FSpW焊接溫度應低于金屬的熔點，低于CFRP基體的熱降解溫度，而高于CFRP基體的熔點。

圖2 FSpW過程中溫度變化

雖然用紅外照相機可以監測FSpW焊接過程中的溫度變化，但受周圍環境影響較大，導致監測精度不夠高。可考慮采用熱電偶進行監測，但需要對試樣進行特別的設計。

3 工藝參數對焊點大小和力學性能的影響

FSpW主要有四個工藝參數：焊接壓力（Joining Pressure，JP），轉速（Rotational Speed，RS），套筒壓入深度（Plunge Depth，PD），焊接攪拌時間（Joining Time，JT）。

Goushegir SM等人采用DOE實驗設計方法，研究焊接壓力（JP）、轉速（RS）、套筒壓入深度（PD）、焊接時間（JT）對PDZ區大小和接頭力學性能的影響[14]。

3.1 工藝參數對PDZ區大小的影響

主要工藝參數對PDZ區大小的影響如圖3所示。在圖3中，斜率越大，影響越大。RS，JT和JP對PDZ區域大小影響顯著；而PD的影響微不足道。PDZ區域的大小與熱輸入相關[14]。FSpW和FSSW的工藝類似，可以用FSSW的熱輸入模型來解釋

式中 Q為接合過程中產生的熱量；M為扭矩（單位：N·m）；ω為轉速（單位：Arc/s）；Δt是焊接時間；n為實驗次數。從方程可知，RS和JT與熱輸入成正比。

PDZ區域的大小還與PPS熔融層流動性和粘性有關。PPS熔融層流動性除了與RS相關，還與JP相關，JP越大，流動性越大。在旋轉焊接和超聲振動焊接熱塑性材料研究中也有同樣的結論，焊接壓力增大導致流動性增大。而JP降低會導致流動性降低，熔融層的散熱加快，粘性增大。當PPS粘度增大，高粘度的熔融層中的空氣無法逃脫，導致TZ區變大而PDZ區域變小。

因此，JP越大，PPS熔融層流動性越大且粘性越小，TZ區越小，PDZ區越大。

3.2 工藝參數對焊點力學性能的影響

RS，PD和JP與接頭的拉剪強度（ULSF）成正相關，而JT與ULSF成負相關，如圖4所示。對比圖3和圖4可知，RS和JP與PDZ和ULSF都成正相關，而JT與PDZ成正相關，與ULSF成負相關。PD對PDZ基本無影響，而對ULSF影響很大[14]。

圖4 主要工藝參數對焊點力學性能的影響

RS與ULSF成正相關。RS增加，焊接的熱輸入增大，PDZ區增大。因為PDZ區是焊點中強度最高的區域，因此RS增加，焊點ULSF增大。

Esteves等人[13]在CFRP與鋁合金6181的FSpW研究中發現，接頭的拉剪強度隨RS的增加而增加，直到RS達到一個臨界值時開始下降。這是因為RS值過大時，鋁合金出現滑移現象，導致了接頭強度降低[15]。

JT與PDZ成正相關，與ULSF成負相關。用FSSW的熱輸入模型可以解釋JT與PDZ成正相關。而JT與ULSF成負相關的解釋尚未有文獻給出，有待進一步研究。

JP與ULSF成正相關。上一節分析到，JP越大，PPS熔融層流動性越大且粘性越小，TZ區越小，PDZ區越大，ULSF因此也越大。還有一個解釋，JP越大，有利于熔融層填充鋁表面的孔隙，增加了機械連鎖，ULSF增大[13]。

PD對ULSF的影響也很大。PD主要影響金屬結的形狀，而金屬結與金屬和CFRP之間的宏觀機械連鎖相關，從而影響接頭ULSF的大小[14]。

通過DOE實驗可以比較全面地研究各工藝參數對焊點大小和力學性能的影響，并找出最佳參數。但對于不同材料，最佳參數應該不同。可進一步采用模擬實驗方法，建立數值模型研究不同材料FSpW的最佳參數。

4 接頭連接機理、失效分析和斷裂機理

4.1 連接機理

由于金屬和CFRP的理化性能差異巨大，FSpW接頭處金屬和CFRP無法形成混合物，如圖5所示。

圖5 FSpW接頭橫截面

CFRP與鋁合金FSpW接頭形成機理主要有兩方面因素，分別是機械嵌合和粘附力。在攪拌頭旋轉產生摩擦熱和機械力的作用下，金屬變成塑性流動狀態，冷卻后形成金屬結，微微嵌入CFRP中，形成宏觀的機械嵌合。同時，CFRP受熱熔化，在壓力下凝固，在金屬和CFRP之間形成粘附力[11-12]。

CFRP與鋁合金FSpW接頭可分為三個區（見圖6）：粘附區Adhesion Zone（AZ）、過渡區Transition Zone（TZ）和塑性變形區Plastically Deformed Zone（PDZ）。PDZ區是焊點中強度最高的區域，相比PDZ區，AZ和TZ區的粘附力和機械嵌合要弱得多[14]。

4.2 失效分析

如圖7所示，FSpW接頭斷裂屬于界面內聚混合斷裂模式（mixed adhesive-cohesive failure），和金屬與CFRP感應焊接[16]和超聲焊接[17]接頭斷裂模式相同。

圖6 FSpW接頭分區

圖7 FSpW接頭斷裂界面

裂紋在粘附區外圍（AZ）萌生，隨后擴展到過渡區（TZ）和塑性變形區（PDZ）。AZ區為界面處斷裂，TZ區會為混合斷裂，PDZ區為內聚斷裂。

一個典型的FSpW接頭載荷-位移曲線如圖8所示。FSpW接頭拉伸變形呈彈性行為，曲線可分為四個區域[18]。

圖8 FSpW接頭載荷-位移曲線

區域1顯示了一個高剛度的線性彈性行為。本區時間較短，結束時徑向裂紋在AZ的外圍萌生。

區域2對應的是徑向裂紋擴展到TZ區，這時AZ區已經徹底斷裂。由于裂紋擴展和AZ斷裂，區域2剛度低于區域1。

區域3包括裂紋從TZ區擴展PDZ區。在該區域，接頭受二次彎曲現象的影響（secondary bendingphenomenon）。Olmedo等人也發現復合材料的螺栓單搭接接頭的剛度同樣受二次彎曲現象的影響很大[19]。

區域4接頭完全斷裂，拉剪力急速下降。

4.3 斷裂機理

掃描電鏡拍攝的FSpW接頭斷口界面形貌如圖9所示。鋁側和CFRP側的AZ區（見圖9a和9b）都非常光滑，CFRP的碳纖維矩陣無任何變形，類似于脆性斷裂。鋁側的TZ區（見圖9c）有一些CFRP基體殘留。CFRP側的TZ區（見圖9d）由細長的纖維狀區域（見圖9e）和平滑的脈型區域（見圖9f）組成，既有韌性又有脆性斷裂，屬于混合斷裂。

圖9 FSpW接頭斷裂界面掃描電鏡形貌

FSpW接頭斷裂界面PDZ區微觀形貌如圖10所示。接頭斷裂后，CFRP中部分基體和碳纖維殘留在鋁板表面（見圖10a），CFRP基體發生塑性變形甚至撕裂（見圖10b）。CFRP板中一些纖維斷裂并被拔出（見圖10c），產生纖維-基體脫粘現象（見圖10d）。這些特征表明PDZ區為韌性斷裂。

金屬復合FSpW接頭失效的微觀機理表現出韌性和脆性斷裂的混合斷裂模式，但整體破壞行為更多地受脆性斷裂影響[18]。

圖10 FSpW接頭斷裂界面PDZ區微觀形貌

5 改善FSpW接頭性能的方法

5.1 表面處理

FSpW接頭形成的主要機理是機械嵌合和粘附作用，因此金屬表面的結構、形貌、化學成分和組織形態等方面的變化均會對接頭性能產生較大的影響。表面處理就是使用一種或者聯合使用多種方法來改變材料表面形貌、物理結構、化學性質等，以改善材料的表面狀況。

Goushegir S M等人使用磷酸陽極氧化法和轉化膜法對鋁合金進行表面預處理，并利用XPS方法分析研究CFRP與AA2024鋁合金FSpW接頭的界面[20]。

圖11a是未處理的鋁板表面的XPS光譜圖，其中鋁和氧的含量很高，是因為鋁表面的氧化鋁，此外，鋁板表面也有一些銅和鎂。

圖11b是CC處理的鋁板表面的XPS光譜圖。與未處理的鋁相比，CC處理的鋁板表面含有更多的元素如F，Zr，B和P等。轉化膜層很薄，大概只有幾納米厚度。Chidambaram[21]等人研究發現鋁板表面形成一層低界面張力的Al-Zr-O-F復合物層，提高了鋁表面的活化和潤濕性，有利于增強和熔融PPS層之間的粘附力。

圖11c表明鋁板表面經過PAA處理試樣獲得的譜圖。除了Cu，Mg和氧化鋁，鋁的表面上還存在P元素，P元素以納米AlPO4層的形式存在鋁板表面上，提高了鋁的耐腐蝕性。

XPS分析接頭鋁側的斷裂表面，接頭粘附力主要是由Al-C鍵產生。經過CC預處理的鋁板表面存在其他元素，可與C形成化學鍵，如C-Zr鍵。

Goushegir S M等人還對比研究了不同表面處理方法對FSpW接頭的力學性能的影響，如圖12所示。MG和SB屬于機械預處理，AP和CC屬于化學預處理，SAA和PAA屬于電化學預處理，PAA-P屬于電化學預處理后再底涂。SB和PAA改變了鋁合金板表面的形貌，增強了接頭的微觀機械嵌合。CC和PAA-P改變了鋁合金板表面的化學成分，增強了接頭的粘附力。PAA-P預處理后，鋁表面底涂層中的碳與復合材料中的碳形成碳碳鍵，大大提高了接頭的強度[20]。

上述研究已證明對鋁板表面處理能夠提高接頭強度，但未涉及對CFRP板表面處理，是否可以提高接頭強度有待進一步研究。

5.2 附加中間層

André N M等人[22]在鋁合金2024-T3和CF-PPS板之間附加PPS中間層進行攪拌摩擦點焊，研究了接頭的微觀結構、機械強度和失效機理。接頭斷裂界面形貌如圖13所示，在鋁板表面PDZ區有碳纖維和CFRP基體存在（見圖13a），在CFRP板AZ區有大量的中間層殘留（見圖13b），在中間層中有碳纖維和CFRP基體的存在（見圖13c）。具有中間層的接頭拉剪強度比沒有中間層接頭的強度提高了55%，疲勞壽命提高了3倍。這是因為中間層的存在一方面大大提高了接頭的粘附面積，使得應力分布均勻；另一方面，中間層和鋁板、中間層和CFRP板之間形成了微觀機械嵌合，顯著提高了接頭強度。

圖11 鋁表面處理后的XPS光譜圖

6 攪拌摩擦點焊與其他焊接方法比較

接頭的拉剪強度是評價接頭力學性能的重要指標。圖14總結了現有文獻中采用不同焊接方法焊接碳纖維增強復合材料與金屬的接頭拉剪強度，表3為具體的被焊材料、表面處理方法、工藝參數和力學測試方法。

7 結論與展望

在航空航天、汽車等領域中實現碳纖維增強復合材料與鋁合金的有效焊接需求越來越強。FSpW是一種新型的可用于焊接金屬與復合材料的固態焊接方法，國外學者已經驗證了碳纖維增強復合材料與鋁合金FSpW的可行性。FSpW主要工藝參數包括焊接壓力、轉速、套筒壓入深度、焊接攪拌時間。焊點的斷裂界面可分為三個區：粘附區、過渡區和塑性變形區。接頭焊接機理主要包括粘附力和機械嵌合。對鋁合金板進行表面處理和添加中間層可以提高接頭的強度。但是目前研究的碳纖維增強復合材料種類太少，接頭強度還達不到實際生產應用的水平。

為了拓展FSpW在碳纖維增強復合材料與鋁合金焊接中的應用，未來仍需要深入、系統地開展以下方面研究：（1）采用數值模擬方法，預測FSpW接頭的疲勞裂紋擴展模式、溫度分布、抗剪強度和熱量輸入，優化FSpW的工藝參數。（2）不同表面處理方法（激光預處理、等離子預處理、底涂等）和中間層對接頭性能的影響。（3）混合焊接（FSpW+膠接，FSpW+超聲等）可行性及焊接性能和機理。（4）研究FSpW與機器人相結合的技術，開發出靈活、多用、可靠的FSpW設備，以便將FSpW技術更好地應用于工業生產中。

圖12 鋁板表面處理對FSpW接頭USLF的影響

圖13 斷裂界面形貌

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圖14 不同焊接方法焊接碳纖維增強復合材料與金屬的接頭拉剪強度

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表3 碳纖維增強復合材料與金屬的焊接方法及參數一覽表

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Friction stir spot welding of carbon-fiber-reinforced poly and aluminum alloy

GENG Zheng1，2，KONG Liang1，2，WANG Min1，2，HUANG Jiejie3，CHU Weidong3，QIAN Xiayan3，WANG Daming3
（1.Shanghai Key Laboratory of Material Laser Processing and Modificaiton，SJTU.，Shanghai 200240，China；2.Collaborative Innovation Center for Advance Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China；3.Shanghai Tractor&Internal Combustion Engine Co.，Ltd.，Shanghai 200433，China）

Light metal-composite structures are increasingly demanded in a wide range of engineering applications，such as the transportation and aerospace industry.However，the joining of metal alloys and composites is a great challenge.Friction stir spot welding (FSpW)is an alternative joining technology to produce metal-composite joints.This paper summarized on the research progress about the feasibility，factors，weld performance and joint fracture mechanism of FSpW of carbon-fiber-reinforced poly and aluminum alloy Finally，the current problems and issues in FSpW were discussed.

carbon fiber reinforced poly（CFRP）；aluminum alloy；friction spot welding（FSpW）

TG457.1

A

1001－2303（2017）02－0018-09

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.04

2016-11-24；

2016-12-22

耿 正（1993—），男，江蘇人，在讀碩士，主要從事焊接方面的研究。

獻

耿正，孔諒，王敏，等.碳纖維增強復合材料（CFRP）與鋁合金的攪拌摩擦點焊[J].電焊機，2017，47（02）：18-26.