聚合物基體復合材料與金屬的連接工藝綜述

蔣霄 閔峻英 林建平 張俊

（同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

主題詞：異種材料 輕量化 機械連接 膠接 熔焊連接

縮略語

SMC Sheet Molding Compound

FDS Flow Drill Screw

SPR Self Piercing Riveting

FSBR Friction Stir Blind Riveting

CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic

TIG Tungsten Inert Gas

SMAW Shielded Metal Arc Welding

MIG Metal Inert Gas

HAZ Heat Affected Zone

IMC Intermetallic Compound

RSW Resistance Spot Welding

BIW Body in White

LTJ Laser Transmission Joining

LDJ Laser Direct Joining

FSW Friction Stir Welding

USW Ultrasound Welding

1 引言

自1932年出現復合材料這一概念，玻璃纖維增強復合材料便開始用于制造軍用飛機的雷達罩；到上世紀60年代，人們相繼開發出碳纖維、硼纖維等高強度纖維，復合材料的種類進一步拓寬；如今的復合材料，根據其基體種類可以分為金屬復合材料和非金屬復合材料2大類。汽車制造行業為了兼顧汽車的安全性能與輕量化水平，現階段廣泛采用以鋼為主的多種材料混合結構，纖維增強復合材料等質量較輕材料在車身的應用比重不斷增加。樹脂基復合材料采用熱塑性或熱固性的樹脂為基體，以其質量輕、剛度高、耐疲勞性和耐腐蝕性一系列優異的性能，越來越多地替代傳統金屬材料在汽車、航空航天及軍工等領域應用[1]。1953 年，世界上第1 輛全復合材料車身Chevrolet Corvette 兩座跑車誕生，復合材料開始批量化地應用于汽車工業，隨著復合材料在汽車上的應用比重逐年增加，預計2025年單車復合材料使用量將占整車質量的2%[2]。

美國國家航空航天局最早開始著手研究高性能復合材料的機械連接方式，上世紀90年代前后，隨著復合材料在民用、軍事、航空航天領域的應用越發廣泛，美國與歐盟先后對復合材料膠接技術進行研究[3]。與發達國家相比，國內汽車復合材料的應用歷史很短而且發展較為緩慢。1996 年國內首次將復合材料應用于車身，南京依維柯汽車有限公司的IVECO小客車SMC 前保險杠由北京汽車玻璃鋼制品總公司國產化供貨。如今，復合材料在車身外覆蓋件上的應用已相當成熟，并開始向內飾件、半結構件及結構件等應用方向發展。但由于復合材料與金屬在物理、化學特性方面存在著巨大差異，其連接質量成為制約輕量化制造的關鍵技術瓶頸[4]，因而對復合材料與金屬之間連接技術進行研究有重要價值。

2 復合材料與金屬的機械連接

2.1 復合材料與金屬的螺接

螺接是目前已發展非常成熟的機械連接方式，這種連接方式沒有外部熱輸入且拆卸比較方便，依靠連接件之間的摩擦傳遞載荷。當外力增大至超過接觸面的摩擦極限后，連接件之間會發生相對滑移，此時的螺桿與孔壁相互擠壓，承受著剪切力的作用。

余海燕等人[5]研究了螺栓孔與試樣2 端的距離（E）和接頭寬度（W）對CFRP-DP980單拉剪切接頭性能的影響，當接頭承受拉伸載荷時，會出現拉伸破壞、擠壓破壞、拉脫破壞和剪切破壞4 種破壞形式之一。Xiao等人[6]對復合材料與金屬螺接接頭的失效過程進行分解，發現材料先后經歷開始損傷、損傷擴展、局部斷裂、結構斷裂4個階段，并發現了不同復合材料基體的韌性差異會影響接頭的破壞形式。

輕量化車身封閉型腔結構為連接工藝提出了新的挑戰，目前廣泛采用流鉆螺釘（Flow Drill Screw,FDS）單邊連接工藝。FDS連接工藝包括螺釘旋轉（加熱）、板料穿透、板料通孔、攻螺紋、擰螺紋、緊固6個階段[7]，可連接的材料種類多、且板件被加熱，板件與螺釘的接觸好，連接強度大。然而，連接件的應用必然會增加結構的質量，且在復合材料鉆孔時會切斷其中的纖維導致應力集中，進而降低材料自身的抗拉強度，不利于保證連接處的強度[8]。盡管螺接方式仍存在許多問題，但是因為該連接方法的操作簡單、技術已相對成熟、能夠傳遞較大載荷，目前仍有較大規模的應用。

2.2 復合材料與金屬的鉚接

鉚接適用較復雜的結構連接，具有易于安裝、維修時間短、失效載荷穩定可靠等優點，其連接強度取決于鉚釘孔的直徑、被連接材料性能和擠壓力的大小等[9]。F.Lambiase[10]對不同的復合材料在預熱/未預熱狀態下與鋁合金進行鉚接實驗，發現對復合材料進行預熱后，則可以避免復合材料板在鉚接過程中發生斷裂。

由于傳統的鉚接工藝需要對材料進行預先鉆孔，無法實現生產上的經濟性。目前，無需在材料上預先鉆孔的自沖鉚接工藝（Self Piercing Riveting,SPR）、攪拌摩擦鉚（Friction Stir Blind Riveting,FSBR）以及無鉚釘鉚接工藝，已逐漸成為在金屬之間應用非常廣泛的機械連接方式。同時，學者們亦開展了上述鉚接工藝在復合材料與金屬之間連接的相關研究。無鉚釘鉚接的原理通過沖頭對板材進行壓力加工，在下模的配合作用下板材產生局部的塑性變形，進而實現機械連接。無鉚釘鉚接的工藝過程簡單且成本低，但其靜態強度和疲勞強度都比較低，通常只在行李箱蓋、發動機罩、后輪罩等非承載部位應用[11]。

自沖鉚接工藝于1978年由Fuhrmeister提出[12]，其原理是通過沖頭的運動推動半空心鉚釘將上層材料刺穿，進而與下層材料形成機械鎖合來實現連接。研究發現，自沖鉚接接頭的拉伸強度隨著鉚釘在下層材料底切量的增大而提高，對凹模形貌及鉚釘的長度進行優化可以提高底切量。與無鉚釘鉚接相比，自沖鉚具有靜態力學性能較好且疲勞壽命高的優點[13]，目前已在通用、奔馳、寶馬等公司得到了大量應用。學者們對車身中常用的CFRP與鋁合金自沖鉚接工藝進行了大量研究，發現將CFRP 作為上層材料時接頭的強度更高[14-15]。隨著對輕量化的需求進一步提升，要求材料變得更薄、更輕，且材料組合更加多樣化，自沖鉚接工藝逐漸演化出預加熱自沖鉚、電輔助自沖鉚及自沖摩擦鉚焊等新型連接工藝[16]。

攪拌摩擦鉚接是一種利用攪拌摩擦生熱與鉚釘物理膨脹相結合的工藝，其連接過程如圖1所示。連接過程中，旋轉的抽芯鉚釘以進給速度（v）和高主軸轉速（ω）接近工件，旋轉的抽芯鉚釘先后穿透摩擦加熱軟化的頂部與底部工件，之后抽芯鉚釘的桿頭受到力（F）的作用芯軸斷裂，最終得到FSBR接頭。研究發現，復合材料與鋁合金的搭接順序同樣對FSBR 接頭的強度有影響[17]。

圖1 攪拌摩擦鉚接過程[17]

目前，上述3 種應用于復合材料與金屬之間的新型鉚接工藝仍處于研究階段，尚未在實際生產中得到廣泛應用。

3 復合材料與金屬的膠接

3.1 復合材料與金屬的膠粘連接

膠接是指用膠粘劑將2種材料粘接成不可拆卸的整體，不會對復合材料內部的纖維組織造成損壞，能夠很好的克服傳統機械連接中應力集中的問題。此外，膠粘劑為連接結構帶來的附加質量很少、被粘接材料的表面往往更加美觀[18]。由于部分纖維增強復合材料具有導電性，與金屬之間存在電位差，在潮濕的環境中相互接觸很容易發生電化學腐蝕。膠粘劑可以從物理上隔絕2種材料的直接接觸，并避免腐蝕介質從接頭的邊緣滲入，減少連接處發生腐蝕的風險。

應用膠接的場合有平面膠接與非平面膠接2 大類，根據搭接方式進行細分，平面膠接主要用于制備以下幾種接頭：常規的單搭接接頭、雙搭接接頭、階梯搭接接頭、對接接頭（如圖2所示），以及比較特殊的楔形膠粘接頭、榫槽膠粘接頭等。非平面膠接是指將3維連接結構按照平面膠接方式進行連接，進而制備出L型、Y型、T型接頭等。目前，在汽車車身采用膠接連接工藝時多采用單搭接方式。

圖2 不同類型搭接接頭示意[19]

由于復合材料與金屬之間的熱膨脹系數存在著顯著差異，在膠層固化的過程中，熱收縮帶來殘余應力和變形會影響到搭接結構的力學性能及密封效果[20]。Ni 等人[21]對鍍鋅鋼與SMC 膠接接頭進行了水浸試驗和3種典型結構膠的相容性試驗，發現聚氨酯膠粘劑得到的膠接接頭比環氧膠粘劑與丙烯酸膠粘得到的膠接接頭的機械性能和耐久性更好。Abed[22]發現，當溫度達到膠粘劑的玻璃化轉變溫度時，膠粘劑的剛度與強度會大幅度降低，在鋼板與CFRP 連接處易發生界面剝離。此時，需要通過改變CFRP 的厚薄與長度以保證膠接接頭的粘接強度（剝離強度和剪切強度）。

除膠粘劑的種類與溫度外，膠接材料的表面質量對膠接性能有顯著影響，如在金屬膠接前做磷酸陽極化、底膠涂覆等處理可以提高膠接接頭的界面粘接強度[23]。Rhee[24]發現經過等離子表面處理的鋁與經過輻照后CFRP試樣的粘接強度比未經處理的鋁-CFRP試樣的粘接強度大，等離子的最佳劑量由材料與水的接觸角和表面能決定。

盡管膠接避免了工件變形以及應力分布不均勻等問題，但是金屬與復合材料之間的膠接技術仍存在一些弊端。比如：低溫環境中容易發生脆性斷裂，導致接頭的斷裂失效；膠接接頭固化時間長，產品的生產效率低，以至于附加成本隨之增加；膠粘劑的配方與用量難以精確控制，粘接強度不穩定等等。因此，在車身裝配中很少單獨使用膠粘連接，往往與其它連接方式混合使用。

3.2 復合材料與金屬的膠鉚混合連接

膠鉚混合連接工藝，是在被連接件的連接位置涂覆結構膠，然后再進行鉚接的工藝。熊勇堅等人[25]同時對鋁合金與CFRP 進行鉚接、膠接與膠鉚混合連接實驗，發現鋁合金-CFRP鉚接接頭的失效模式為鉚釘剪切破壞、膠接接頭的失效模式為膠層失效、混合接頭最先發生膠層失效，后因鉚釘剪切破壞而整體失效，從而得出：膠鉚混合接頭的剪切性能顯著優于純膠接和純鉚接得到的接頭。

4 復合材料與金屬的焊接

4.1 復合材料與金屬的電弧焊

目前，異種材料熔焊技術大致可以分為5 個類別（如圖3所示），其中最常用的熔焊連接方法是電弧焊，如鎢極氣體保護焊（Tungsten Inert Gas,TIG）、金屬保護焊（Shielded Metal Arc Welding,SMAW）和氣體保護焊（Metal Inert Gas,MIG）。電弧焊利用的是電能向熱能轉變，首先將焊條和工件熔化，待2者冷凝后形成焊縫來實現連接的過程。由于焊接參數調節方便、對工件的尺寸及形狀的適應性強，目前在異種材料連接領域受到了廣泛關注。與其他焊接技術相比，電弧焊適用于金屬類復合材料的連接，所面臨的挑戰是熱影響區（Heat Affected Zone,HAZ）和熔池的尺寸相對較大，易導致在焊接不同金屬時產生較大的脆性金屬間化合物（Intermetallic Compound,IMC）區域。除此之外，在使用電弧焊技術時填充材料的選擇是保證異種材料連接焊縫質量的關鍵。He 等人[26]通過在釬劑中加入高純鋁粉對其進行改性，并采用高頻感應熱絲脈沖減小電弧熱輸入，從而對TIG 焊接接頭界面組織與形貌進行控制，大幅度提升了接頭的抗拉強度。

圖3 焊接技術分類

4.2 復合材料與金屬的電阻焊

電阻焊利用的是電流通過焊件及接觸處產生的電阻熱，將焊件加熱到熔化或塑性狀態，在加壓的狀態下粘合到一起。電阻點焊（Resistance Spot Welding，RSW）具有自動化程度高、靈活性高、成本低、薄板間隙容差率好等優點，是以鋼鐵為主的汽車白車身（Body in White,BIW）生產的主流解決方案，在當今整車廠中的運用十分廣泛。除點焊外，電阻焊可以用于加工尺寸長且直的焊縫等。為了盡量避免電流泄漏，往往采用編織緊密的不銹鋼電焊網作為加熱元件，所需要的焊接壓力低且焊接次數少。然而，采用電阻焊接時，使用的加熱元件會殘留在接頭連接處，會導致連接處產生應力集中、熱變形等問題。此外，在焊接碳纖維增強熱塑性復合材料時，由于空氣的導熱能力差，在焊接面的中心還未達到熔點時邊緣樹脂已過度熔化，會導致植入體和材料碳纖維發生接觸而破壞焊接過程。因此，現階段復合材料與金屬的電阻焊工藝尚未在實際生產中得到應用。

4.3 復合材料與金屬的激光焊

激光焊接技術是近年發展起來的一種實現金屬材料與復合材料連接的新方法[27-28]，該技術擁有非接觸性加工、易于自動化、效率高等獨特的優勢，是熔焊連接中適用性非常廣泛的連接方式。根據焊接過程中是否要用到焊絲，分為需要焊絲的激光釬焊、激光填絲焊和無需焊絲的激光熔焊。隨著復合材料制品在車身等處的大量應用，不僅對連接強度有所要求，同時要連接可靠、尺寸精準、外形美觀等。然而，復合材料與金屬的激光連接技術仍有許多問題尚未解決，如連接強度低、界面溫度難以控制等。新型激光焊接技術主要包括激光透射連接（Laser Transmission Joining,LTJ）和激光直接連接（Laser Direct Joining,LDJ）2種類型，非金屬材料在上為激光透射連接，金屬在上為激光直接連接。激光透射連接技術的原理如圖4（a）所示，激光束穿過透明熱塑性材料（如：塑料），其能量在金屬上表面集聚形成了熱影響區，當界面溫度達到塑料的熔化溫度后，熔融狀態的塑料在外界夾緊力作用下向金屬表面擴散，2者形成界面結合。

圖4 激光連接示意

激光直連技術是實現金屬材料與不透明復合材料（如：碳纖熱塑復合材料,CFRTP）之間連接的新方法[29-30]，激光直接照射在金屬表面，產生的熱量經由金屬傳遞至下層的復合材料，復合材料樹脂基體達到熔化溫度并在外界夾緊力的輔助下以熔融狀態與金屬粘接到一起（如圖4（b）所示），從而實現金屬材料與復合材料的連接，其適用范圍比激光透射連接技術更為廣泛。

4.4 復合材料與金屬的固相焊

固相焊是指被焊接材料在固態下通過接觸面的擴散及再結晶，從而達到牢固結合的一種連接方式。與電阻焊和激光焊不同，固相焊過程中的溫度不超過金屬材料的熔點，消除了其它大多數熔焊中常見的不良化合物、相和冶金缺陷[31-32]。固相焊中的攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）已應用于多個工業部門，其原理是旋轉攪拌的焊頭通過摩擦熱使材料軟化，通過機械攪拌將異種材料結合在一起。使用FSW工藝連接的材料通常在連接過程中不會發生熔化，保持其材料特性基本不變是一個很大的優勢。但在FSW工藝完成后，接頭處會殘留與攪拌針形狀一致的工藝匙孔（如圖5所示），該處會產生應力集中，從而削弱連接處的力學性能。

圖5 攪拌摩擦焊接接頭[33]；

另外一種用于復合材料與金屬之間的固相焊技術是超聲波焊接（Ultrasound Welding,USW）。F.Balle[34]等人通過實驗獲得了強度達到2 460 N 的鋁合金-CFRP超聲波焊接接頭，而CFRP內部的碳纖維沒有受到損傷。由于USW 工藝具有所需能量輸入少、焊接時間短等優點，目前已成功地應用于鋰離子電池制造中不同材料的連接。然而，超聲波帶來的高頻振動容易對連接處附近已有的接頭或結構產生破壞，難以應用于車身的制造。

碳纖維增強復合材料在車身上的大量應用，使得其與金屬連接中的電化學腐蝕是目前二者連接中亟待解決的問題。由于碳纖維具有較高的電極電位（與貴金屬金、鉑等類似），當與電極電位較低的金屬接觸后，若外界環境存在腐蝕介質，會加快金屬的腐蝕速率[35]。由于在連接過程中，不可避免材料之間的直接或間接（膠接）接觸。因此，碳纖維增強復合材料與金屬界面電偶腐蝕與縫隙腐蝕的發生條件、機理及其對連接質量的影響等，均是學者們重點研究內容。

發生電偶腐蝕必須同時具備電解質、電位差和導電通道，對該現象的控制也應從以下3個角度考慮。

(1)首先，要注意結構的密封性設計，盡量防止雨水、霧氣和海水等導電物質的滲入。

(2)其次，要避免腐蝕電偶電池，如可以對金屬進行陽極氧化后繼續做鉻酸鹽封閉或熱水封閉處理，提高其自身的耐蝕性[36]；在材料表面采用適當的金屬或非金屬涂層，增加碳纖維增強復合材料與金屬的接觸電阻[37]；選用膠接連接方式，一定程度上減少異種材料的接觸面積[21]。

(3)此外，選用電位差小的材料、減少電化學反應面積等方式，均有助于遏制復合材料與金屬連接的電化學腐蝕現象。

5 結語

(1)復合材料的使用是實現汽車輕量化的重要手段，而異種材料在理化特性上的差異為其連接技術帶來了新的挑戰。根據連接過程中不同的熱量產生機制，復合材料與金屬之間的連接方式可以分為機械連接、膠接及熔焊連接3個類別，不同的連接方式各有優缺點。

(2)機械連接的連接強度較高，但會給連接結構帶來附加重量；膠接不會因為鉆孔產生應力集中，但是其生產效率較低且連接質量易受外界環境的影響；熔焊連接包含激光焊、超聲波焊接等新型連接技術，為異種材料連接工藝提供了更多的選擇。

(3)復合材料與金屬連接界面的電化學腐蝕是目前尚無法完全避免的問題，因而在連接過程中采用恰當的方式減少電化學腐蝕尤為重要。