鋁合金-聚醚醚酮異種材料激光連接工藝特性*

夏佩云 ，孟 遙，沈浩然，呂紅亞，刁 磊，封小松，王春明，尹玉環

（1.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢 430074；2.上海航天設備制造總廠有限公司國防科技工業特種焊接技術創新中心，上海 200245）

金屬與塑料的復合結構逐漸成為工業領域輕量化制造的重要解決手段[1]。金屬–塑料常見的連接方法有膠接、機械連接。膠接方法存在效率低、對環境敏感、耐久性差等缺點[1–3]。機械連接破壞了結構的完整性，易引起應力集中問題[4]。而激光連接憑借其非接觸、高效率、振動應力小優勢，在塑料–金屬的連接領域具有良好的應用前景[5]。現有研究表明，利用激光透射焊接可實現透光性較好的材料如聚丙烯（PP）[6]、聚乙烯對苯二甲基（PET）[7]、聚酰胺（PA）[8]、聚甲基丙稀酸甲酯（PMMA）[9]與金屬的連接，甚至玻璃纖維增強的復合材料[10–11]與金屬。近年來，為了克服激光透射連接技術只適用于透光塑料的連接的局限性，國內外學者開展了激光直接連接技術研究，除了可實現前述的透光材料[12–13]，還可以實現碳纖維復合材料[14–16]等不透光材料的連接。目前對于塑料–金屬的激光連接存在的主要問題為連接強度低，為了提高塑料–金屬的連接強度，主要采用金屬表面微構化預處理增加機械咬合力[17–18]，其次通過過渡層使之形成化學鍵[16，19]。

聚醚醚酮（PEEK）樹脂是一種新型高性能熱塑性聚合物，具有優異的耐熱性，可在200℃下長期使用[20]，可望取代熱固性樹脂作為高性能復合材料的基體材料，在航空航天領域已有大量應用[21]。目前對于PEEK與金屬的連接研究成果未見任何報道。本文采用激光焊接方法進行PEEK–2195鋁合金連接試驗，對比鋁合金表面未處理和陽極氧化處理對異質接頭強度的影響，進而分析PEEK–2195連接區域的微觀形貌，分析異質材料的連接機理。

試驗與材料

1 試驗材料

聚醚醚酮（PEEK）板材規格有兩種，分別為20mm×10mm×3mm、100mm×30mm×3mm，拉伸強度115MPa，密度1.3g/cm3。2195鋁鋰合金成分見表1，有兩種規格： 20mm×10mm×2mm、100mm×30mm×2mm。

表1 2195 鋁鋰合金化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of 2195 alloy（mass fraction） %

2 試驗方法

試驗采用Rofin 4000W光纖激光器，聚焦光斑直徑為0.4mm，波長為1070nm。為了降低試樣加工對接頭的破壞，金相分析試樣和拉剪試樣均采用整件式小規格試樣進行試驗。圖1（a）為金相分析試樣激光連接示意圖，圖1（b）為拉剪試樣激光連接示意圖，均采用鋁合金置于PEEK板材上方，激光直接照射鋁合金，使得鋁合金形成熔池，熱量以熱傳導的形式傳遞到鋁合金與熱塑復合材料的連接界面，界面處的鋁合金未熔化，但界面處熱塑復合材料表層的樹脂達到熔融狀態，在力與熱的作用下與金屬連接。采用的焊接工藝參數見表2，鋁合金表面為未處理和磷酸陽極氧化處理兩種狀態。

圖1 聚醚醚酮–鋁合金激光直連示意圖Fig.1 Diagram of laser direct joining of PEEK to aluminum

表2 試驗采用的焊接工藝參數Table 2 Welding parameters used in experiments

金相試樣連接后不進行分切制樣操作，先進行試樣鑲嵌，后直接磨拋起頭端，磨削量為1～3mm。拉伸試樣連接后直接進行拉剪切試驗。利用Olympus–MPG3型光學顯微鏡（OM）觀察接頭微觀組織，拉剪破壞采用XYB305C萬能試驗機，拉伸速率為10mm/min。

結果與討論

1 2195–PEEK激光直連接頭外觀成形

圖2為表面未處理鋁合金–聚醚醚酮激光連接試樣表面照片。當功率增加或速度降低時，容易在結束端形成焊瘤、燒穿。這是由于隨著焊接熱量的積累，塑料–金屬的界面溫度升高，在結束端熱量積累最大，并且端面的散熱條件最差，導致塑料分解出大量氣體，氣體的爆炸式壓力促使鋁合金熔池形成飛濺或燒穿。焊后的接頭試樣除編號11和15外，連接試樣均在焊后自然脫開。典型脫開試驗的連接界面如圖3所示，在鋁合金界面未發現粘連塑料材料，說明在這些參數條件下，鋁合金與聚醚醚酮并未形成有效連接。

圖2 2195鋁合金（表面未處理）-聚醚醚酮激光連接試樣Fig.2 Laser direct joints of aluminum (surface untreated) and PEEK

圖3 直接脫開的連接接頭（試樣編號13）Fig.3 Specimen with low adhesion (sample 13)

圖4為表面磷酸陽極氧化的鋁合金–聚醚醚酮激光連接試驗的表面照片。2195鋁合金表面的焊縫成形良好，在個別參數的條件下的收尾段存在微小鼓包（編號21），所有的焊縫相對于表面未處理的試樣來說，成形有所改善。鋁合金焊縫的成形改善與界面形成有效連接相關。界面的有效連接減小了界面的熱阻，減小了熱量的積累效應，從而改善了焊縫結束端的爆炸燒穿。對于表面處理的接頭，焊后所有試樣在自然狀態下均未發生脫開。因此，相對于未表面處理的接頭，表面處理有利于改善異質界面的有效連接。

圖4 鋁合金（表面磷酸氧化）-聚醚醚酮激光連接試樣Fig.4 Laser direct joints of PEEK to Al (surface phosphoric acid oxidation)

2 Al–PEEK異質界面連接微觀形貌

圖5為典型磷酸陽極氧化2195鋁鋰合金–聚醚醚酮激光連接接頭橫截面金相。塑料一側可見“弧形”熔融區域，在鋁合金熔池正下方熔融深度最大，分別向兩側厚度減小。鋁合金熔池是塑料–鋁合金界面熱量的來源，熔池壁相當于等溫面呈放射狀進行熱傳遞，以致形成樹脂弧形熔融區域。樹脂熔融區域存在大小不一、分散狀的氣孔，靠近鋁合金焊縫處其氣孔數量更多、尺寸更大。焊縫中心線附近的樹脂熔融區距離等溫面更近，溫度更高并且高溫區域停留時間更長，熱分解程度更大，與文獻[8]中提到塑料熱分解規律的結果一致。

圖5 典型鋁合金–聚醚醚酮激光直連接頭橫截面Fig.5 Cross section of laser direct joints of PEEK and Al (surface phosphoric acid oxidation)

圖6為不同焊接參數下磷酸陽極氧化鋁合金–聚醚醚酮激光連接接頭橫截面。隨著激光功率的增加或焊接速度降低，鋁合金熔池深度明顯增加，面積增大，界面處塑料熔融區域變大，氣孔尺寸變大，數量變多。圖7為表面未處理Al–PEEK激光連接接頭橫截面。同樣存在弧形連接區域，但區域內未見氣孔。這是由于在未處理的2195–PEEK界面，2195鋁鋰合金本身與PEEK表面能相差較大，熔融樹脂對Al的潤濕性不足，導致界面熱阻增大，傳遞至樹脂一側的熱量更少，界面處樹脂溫度更低，從而減少了樹脂的熱分解，避免了氣孔的形成。同樣由于2195鋁合金、PEEK潤濕性不足和化學性質差異大，很難形成化學鍵合，此類接頭更多為物理連接（范德華力、機械咬合），結合強度較低，容易失效。因此，在界面處存在明顯間隙（圖7（a）），甚至完全脫開（圖7（b）），應為連接的強度不足，導致在制樣過程中接頭脫開。

圖6 不同參數條件磷酸陽極氧化Al–PEEK激光連接接頭橫截面Fig.6 Cross section of laser direct joints of PPEK and Al (surface phosphoric acid oxidation)under different parameters

圖7 表面未處理Al–PEEK連接接頭橫截面Fig.7 Cross section of laser direct joints of PEEK and Al (surface untreated)

3 Al–PEEK異質接頭拉剪切破壞力

圖8為不同參數條件下未脫開的試樣的抗拉剪切破壞力情況。未處理的鋁合金–聚醚醚酮接頭的最大抗拉剪破壞力為2825N（試樣11）、2510N（試樣15），均破壞于連接界面。破壞后的界面如圖9所示，鋁合金一側可見粘連的塑料，塑料一側可見近似高斯形的粘連區域。黏結區域寬度起焊處最小，隨著焊接行進，粘連寬度迅速增大，然后保持相對穩定，在結尾處由于端面散熱條件變差和熱積累等情況，寬度有一定的增加。磷酸陽極氧化處理的2195–PEEK接頭試樣編號21、25，抗拉剪切破壞力分別為3744N和3520N，失效于連接界面。破壞后的連接界面如圖10（a）所示，鋁合金表面僅在起頭和結尾處有少量塑料粘連，連接區域輪廓呈高斯形，與未處理接頭的連接區域形狀一致。編號22、23、24、26試樣斷裂在塑料一側，界面未失效，從斷裂走向來看，近似高斯形狀的一側輪廓（圖10（b）和（c））。因此認為，拉剪破壞的位置接近連接區域的邊緣。試樣22、23、24、26接頭抗拉剪破壞力差別較大，最大為4479N（試樣24∶1400W、3mm/min），最小為2100N（試樣23∶1300W、5mm/min），存在較大波動。若通過塑料母材的橫截面積計算，抗拉強度為23.33～49.77MPa，遠小于母材抗拉強度（115MPa）。

圖8 不同參數條件下接頭抗拉剪破壞力Fig.8 Tensile shear force of joints under different parameters

圖9 破壞后的鋁合金（表面未處理）-聚醚醚酮連接接頭Fig.9 Joints of Al (surface untreated) and PEEK after tension test

圖10 磷酸陽極氧化鋁合金-聚醚醚酮接頭破壞情況Fig.10 Joints of Al (surface phosphoric acid oxidation) and PEEK after tension test

磷酸陽極氧化處理2195鋁鋰合金–聚醚醚酮接頭抗拉剪切破壞力波動，一方面是由于焊接裝配時塑料與鋁合金的裝配不平行；另一方面則可能是拉剪切破壞試驗方法的局限性導致。若鋁合金與聚醚醚酮焊接裝配時存在一定的不平行度（圖11），拉伸時施加的平行載荷，那么A點受載情況更為惡劣，導致提前失效。復核了試樣23、22，的確存在裝配不平行問題，破壞力分別為2100N、2750N低于其他試樣。在試樣焊接時平行度較好的情況下，連接界面有效連接強度較高時，接頭的失效示意圖如圖12所示。接頭連接區域邊緣的A、B兩點是應力集中點，但A點承力的基體為樹脂材料，B點承力的基體為鋁合金材料，由于樹脂基體強度遠低于鋁合金基體，因此A點成了失效的高風險點。由于有效連接區域的存在限制了A點（有效連接區域的邊緣）左側的PEEK的變形，導致A點存在應力集中和彎曲載荷，因此失效時的載荷遠遠低于塑料母材抗拉強度。有效連接區域的輪廓因工藝參數的不同而不同，從而導致了塑料應力集中的情況不一致，因此接頭抗拉剪切破壞力存在一定的波動。從失效的試樣24、試樣26斷裂位置來看，失效的位置與有效連接區域的邊緣基本吻合，基本呈高斯形狀輪廓，從而證實了上述分析的準確性。

圖11 2195–PEEK裝配不平行的連接試樣示意圖Fig.11 Schematic diagram of 2195–PEEK joints nonparallel assembled

圖12 拉伸剪切失效示意圖Fig.12 Schematic diagram of tensile shear failure in 2195–PEEK joints

4 異質界面連接機理

圖13為2195–PEEK激光連接接頭橫截面微觀形貌與元素分析。磷酸陽極氧化處理2195–PEEK接頭界面間隙已經完全消除，連接界面處存在波浪形的過渡區，樹脂與鋁合金相互咬合。鋁合金磷酸陽極氧化后表面呈凸凹不平的多孔結構，據有關研究表明表面磷酸陽極氧化處理可大幅降低表面能[22]，因此改善了熔融的PEEK樹脂的潤濕性。部分PEEK樹脂進入了氧化膜的空隙內，從而形成界面相互“咬合”的效果。界面附近可見顏色漸變的過渡層，Al和C元素濃度梯度變化，趨勢正好相反（圖13（c））。過渡區的厚度為4μm，與磷酸陽極氧化膜的厚度基本一致。過渡區內磷酸陽極氧化膜層與樹脂形成了結合，Al和C化學成分發生梯度變化。由于鋁合金磷酸陽極氧化處理后，表面生成了極性的氧化物γ–Al2O3，極性的氧化物可以提高其在角接界面上與樹脂的色散力和范德華力，同時可與聚合物中的極性團形成共價鍵[23]，因此推測本文中的Al–PEEK中形成類似“Al–O–PEEK”的共價鍵。同樣，在已有文獻中發現鋁合金表面陽極氧化膜可與PA6形成“Al–O–PA6”化學鍵[17]。而表面未處理的2195–PEEK連接界面上存在鋸齒狀的間隙，Al、C元素發生濃度有斷層現象，未形成有效連接。一方面由于2195鋁合金表面能高，熔融樹脂在其表面無法良好潤濕鋪展；另一方面，樹脂材料在熱力作用下，與2195鋁合金表面互相貼合，兩者之間存在范德華力、氫鍵的吸附力，結合強度低，在后期磨拋試樣時吸附界面失效，形成鋸齒間隙。

圖13 磷酸陽極氧化Al–PEEK連接界面微觀形貌與元素分布Fig.13 Microstructure and element distribution of joints of Al–PEEK

結論

（1）2195–PEEK激光連接接頭的樹脂一側形成弧形熔融區。磷酸陽極氧化處理的接頭區域內可見大小不一、分散狀氣孔，中心位置氣孔尺寸更大、更為密集，界面處未發現間隙。表面未處理2195–PEEK激光連接接頭區域內未見氣孔、界面處存在間隙。

（2）磷酸陽極氧化處理2195–PEEK激光連接接頭最大破壞力達到4479N，抗拉剪破壞失效位置在塑料一側。表面未處理2195–PEEK接頭最大抗拉剪破壞力達到2825N，失效于連接界面。鋁合金表面磷酸陽極氧化處理可提高2195–PEEK激光連接接頭強度至少58%以上。

（3）不同參數條件下磷酸陽極氧化處理2195–PEEK激光連接接頭抗拉剪破壞力存在波動性，與試樣裝配平行度以及連接接頭應力集中有關。裝配平行度較差時，可導致低應力下失效；在裝配平行度良好的情況下，接頭失效于連接區域邊緣的PEEK基體一側，與異質接頭拉剪試驗方法條件下低強度材料一側應力集中有關。

（4）磷酸陽極氧化處理2195–PEEK激光直連接頭界面處存在約4μm的過渡層，與磷酸陽極氧化膜厚度一致，推測過渡層存在Al–O–PEEK化學鍵，對提高接頭的連接強度有重要作用。