表面處理對鋁-CFRTP激光焊接功率及接頭強度的影響

劉 雷 ，耿 正 ，王 敏 ，孔 諒 ，胡沛源 ，褚衛東 ，王大明

（1.上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點試驗室，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.華域汽車車身零件（上海）有限公司，上海200433）

0 前言

熱塑性碳纖維增強復合材料（Carbon fiber reinforced thermoplastic/polymer，CFRTP）是由堆疊編織的碳纖維絲束作為增強體、樹脂（塑料）作為基體的復合材料，具有超高比強度和剛度[1-3]，在航空航天領域已得到較為成熟的應用。例如，波音787客機大量使用碳纖維增強復合材料，與傳統鋁結構相比，總質量減輕20%[4]；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15%[5]；寶馬電動汽車i3和i8用碳纖維增強的復合材料代替鋼，既減輕了車重，生產過程中又節約了50%的能源和70%的水消耗。

目前CFRTP和金屬之間主要的連接方式為膠接和機械連接，但膠接需要對CFRTP進行表面處理以提高潤濕性和表面張力，且固化時間很長[6]。機械連接容易產生應力集中等問題，相關報道表明空客A380的機翼上CFRTP筋與鋁合金采用機械連接時產生了裂紋，可能導致整個組件失效[7]。這些問題限制了機械連接和膠接的應用和發展。激光焊接是一種利用高能激光束加熱的焊接方法，可用于熱塑性碳纖維增強復合材料（CFRTP）和金屬的連接。激光焊接的主要優勢是能量集中、焊接效率高、可及性高、容易實現自動化生產等[8-9]。大量學者[10-16]進行了鋁合金和異質材料的激光焊接研究，Roesnera等人[10-11]研究了玻璃纖維增強的尼龍66（GF-PA66）與鋁合金的異種材料激光焊接，焊前先用脈沖激光進行表面預處理，即在鋁合金表面先用激光加工出一系列微小凹槽，再進行激光焊接，接頭剪切強度達到24 MPa。Jung研究團隊[12-14]分別研究了碳纖維增強的熱塑性復合材料（CFRTP）與不銹鋼、鍍鋅鋼板、鋁合金異種材料激光焊接，探索激光功率和激光焊接接頭力學性能之間的變化規律，發現接頭的最大拉剪力可達3 000 N，觀察接頭斷裂后的界面微觀組織發現，CFRTP內部存在大量微孔，這是影響激光焊接接頭強度的主要因素之一。Huang[15-16]等人采用激光焊接技術實現了CFRTP與鈦合金之間的連接，研究了激光功率、焊接速度對CFRTP與鈦合金激光焊接接頭性能的影響規律；同時分析了接頭的連接機理，認為CFRTP與鈦合金的激光焊接機理主要有兩個：一是接頭處有Ti-C和Ti-O化學鍵結合力；二是機械嵌合作用，即在激光焊接的高溫作用下，CFRTP的樹脂基體材料熔融后滲入到鈦合金表面的微觀結構中，從而形成微觀機械連接。

本研究進行CFRTP和6061-T6鋁合金采用激光焊連接的可行性分析，分析不同表面處理后的鋁合金和CFRTP激光焊接的拉剪強度及對應的激光功率區間，通過接頭微觀形貌初步闡釋激光焊接接頭的連接機理。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為100mm×25mm×2mm的A6061-T6鋁合金板，它具有合適的強度、良好的抗腐蝕性能、較高的氧化效果而被廣泛應用于汽車領域。熱塑性碳纖維增強復合材料選用德國恩欣格公司的100 mm×26 mm×2.3 mm的30%短碳纖維增強的聚苯硫醚，CFRTP的熱學性能如表1所示。A6061-T6鋁合金和CFRTP的部分物理及力學性能如表2所示。

表1 CFRTP熱學性能

表2 A6061-T6鋁合金和CFRTP的密度和力學性能

1.2 激光焊接

試驗用激光焊接設備主要包括光纖激光器和KUKA機器人系統兩部分。光纖激光器是IPG公司生產的YLS-10000-S2多模光纖激光器，系統包括激光發生器、冷卻系統和傳導光纖等。機器人為德國KUKA公司生產的KR60HA型號6軸工業機器人，負載可達60 kg，重復定位精度±0.05 mm。焊接方式采用搭接，如圖1所示。針對A6061-T6鋁合金，試驗采用了5組不同的表面處理方式（見表3），每組3個試樣。

圖1 激光焊接示意

表3 CFRTP-鋁合金激光焊接試驗所用的表面處理方法

2 試驗結果與分析

2.1 鋁板表面處理方法對激光焊接的影響

鋁板經不同表面處理后的焊接接頭拉剪強度結果如圖2所示。使用酒精清洗的接頭最大拉剪力僅為510.8 N，陽極氧化后的接頭拉剪強度最高，其次是鋁板上表面噴丸處理，但鋁板上、下表面都經過噴丸處理后的接頭拉剪強度最低。對比組合A和B可知，鋁板上表面噴丸處理可以提高接頭拉剪強度，下表面進行噴丸處理反而降低了拉剪強度，其原因可能是噴丸處理后鋁合金表面粗糙度顯著提升，因此在激光焊接時，鋁板上表面噴丸處理有利于吸收激光，從而增大焊接可用的功率區間，同時焊縫較細且均勻。鋁板下表面噴丸處理后雖然提升了粗糙度，但殘留的SiO2降低了其與CFRTP的結合能力，從而降低了拉剪強度。

圖2 不同處理方法激光焊接接頭力學性能

采用不同的表面處理方法，鋁合金與CFRTP的激光焊接功率區間如表4所示，低于區間下限無法焊接，高于區間上限會焊穿。組合A的鋁合金上、下表面都僅用酒精清洗，激光焊接功率區間為1 250～1 300 W，區間長度50 W。組合B和C的鋁板上表面采用噴丸處理，激光焊接功率區間為900～1 050 W，區間長度150 W。與僅用酒精清洗處理方式相比，噴丸處理可以在降低焊接功率的同時增加焊接功率區間范圍。組合D鋁板上下表面都為陽極氧化處理，激光焊接功率區間1 200～1 400 W，區間長度200 W。與僅用酒精清洗處理方式相比，擴展了激光焊接功率的上下限，從而顯著增加了可用焊接功率區間范圍。組合E鋁板上下表面都為噴丸+陽極氧化處理，激光焊接功率區間為1 500～1 600W，區間長度100W。與僅用酒精清洗處理方式相比，噴丸+陽極氧化處理增加了區間范圍，但同時也使所需焊接功率大大增加。

表4 不同表面處理方法下可用的激光焊接功率區間

2.2 CFRTP-鋁合金激光焊接接頭連接機理

不同表面處理后的鋁合金微觀形貌如圖3所示，其中左側放大倍數為50，右側放大倍數為1000。可以看出，僅用酒精清洗鋁合金表面形貌基本不變，噴丸處理后鋁合金表面粗糙度明顯增大，并且存在少量微觀孔洞和噴丸所用材料SiO2。當鋁板下表面采用噴丸處理時，殘留SiO2會形成弱界面層，從而降低接頭強度。陽極氧化后鋁合金表面粗糙度少量增加且存在少量微米級孔洞。

圖3 不同表面處理后鋁合金表面形貌

典型的激光焊接接頭斷裂后鋁合金板的界面形貌如圖4所示，黑色區域為嵌入的CFRTP，CFRTP和鋁合金連接主要為機械嵌合作用。拉伸測試中，接頭沿著拉力方向斷裂，d處粘接的CFRTP較為集中，而a、b處粘接的CFRTP較為分散，發現CFRTP中有短棒狀碳纖維。鋁合金斷裂界面上粘接的CFRTP的中央位置c處有密密麻麻的孔洞，產生了弱界面層，從而影響接頭強度。

圖4 接頭斷裂后鋁板界面微觀形貌

焊接接頭微觀橫截面如圖5所示，其中A、B、D分別為對應表4中組合A、組合B和組合D。可以看出，D1界面處呈波浪形，咬合更為緊密，接頭強度最高，B1次之，A1最為平坦。這說明表面處理可以增大鋁板和CFRTP的接觸面積，提高機械咬合程度，從而提高焊接接頭拉剪強度。

3 結論

（1）鋁板上表面采用噴丸處理可以在降低焊接功率的同時增加焊接功率區間范圍；鋁板上下表面都為陽極氧化處理擴展了激光焊接功率的上下限，從而顯著增加焊接功率區間范圍；鋁板上下表面采用噴丸+陽極氧化處理可增加焊接區間范圍，但同時也使所需的焊接功率大大增加。

（2）激光焊接時，表面處理是通過增強接頭的機械咬合和接觸面積來增加接頭強度，鋁板經過陽極氧化后的接頭強度最大，鋁板正面經過噴丸處理可以提高接頭強度，但背面的噴丸處理由于SiO2的殘留反而會降低接頭強度。

（3）CFRTP和鋁合金的激光焊接主要是機械嵌合作用，但嵌入的CFRTP中含有大量微小氣孔，可能是影響強度的重要因素。

圖5 鋁合金與CFRTP激光焊接接頭截面