碳纖維/不銹鋼的激光焊接與組織性能研究

丁全有

摘 要：為了發揮碳纖維和不銹鋼各自的性能優勢，對碳纖維/不銹鋼進行了激光焊接處理，研究了激光功率、焊接速度和離焦量對碳纖維/不銹鋼剪切性能的影響。結果表明，碳纖維/304不銹鋼適宜的激光焊接工藝：激光功率為400 W、焊接速度為600 mm/min、離焦量為+10 mm，此時碳纖維/304不銹鋼具有最大的剪切強度，約36.2 MPa。

關鍵詞：碳纖維;304不銹鋼;激光焊接;工藝;性能

中圖分類號：TG456.7?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0083-04

Study on laser welding and microstructure and properties of carbon fiber/stainless steel

DING Quanyou

（Shandong Microwell Chemical Technology Co.，Ltd.，Qingdao 266000，Shandong China）

Abstract：To give full play to the advantages of carbon fiber and stainless steel，the carbon fiber / stainless steel was welded by laser.The effects of laser power，welding speed and defocusing amount on the shear properties of carbon fiber / stainless steel were studied.The results showed that the suitable laser welding process for carbon fiber / 304 stainless steel was：laser power was 400 W，welding speed was 600 mm / min，defocusing amount is +10 mm.This is when the carbon fiber / 304 stainless steel has the maximum shear strength，which is about 36.2 MPa.

Key words：carbon fiber;304 stainless steel;laser welding;technology;performance

碳纖維是以腈綸和粘膠纖維為原料，含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維，由于具有耐高溫、輕質和可加工成織物等特性而被廣泛應用于航空航天、汽車、化工設備等領域;不銹鋼是一種含有17%～22%鉻的低碳鋼，由于具有良好的耐蝕性、韌性等特性而被廣泛應用于家用電器、工業建筑等領域。碳纖維/不銹鋼形成的復合結構可以發揮二者各自的性能優勢，從而提升復合結構的綜合性能，但是目前這方面的研究報道較少[1-3]。為了提升不銹鋼/碳纖維異種材料的綜合性能，本文嘗試采用激光焊接[4]的方法對碳纖維/304不銹鋼進行焊接處理，研究了焊接工藝參數對剪切強度的影響，其研究結果可為異種材料焊接提供參考。

1 試驗材料與方法

用于激光焊接的原材料包括304不銹鋼和碳纖維復合材料（PET），304不銹鋼的化學成分（質量分數）：0.08%C、1.02%Si、1.98%Mn、0.021%Fe、0.003%S、9.47%Ni、18.72%Cr，余量為Fe。304不銹鋼的抗拉強度為525 MPa、屈服強度為200 MPa、斷后伸長率為38%、斷面收縮率為58%、彈性模量為192 GPa、PET的彎曲強度為198 MPa、彈性模量為4 000 MPa。

將304不銹鋼加工成100 mm×25 mm×2 mm試件，PET加工成100 mm×25 mm×1.5 mm試件;采用Magic Wave-3000型氬弧焊接對碳纖維/不銹鋼復合材料進行激光焊接，焊接裝置如圖1所示;碳纖維/不銹鋼激光焊接見圖2。焊接采用平板搭接方式進行（保護氣為高純氬氣）[5];焊前需要對304不銹鋼和PET進行清潔處理，焊接完后去除余渣。

采用WDW-10型微機伺服萬能拉伸材料試驗機上進行室溫拉伸性能測試，拉伸速率為1 mm/min，測試結果為5根平行試樣的平均值，拉伸試樣尺寸如圖3所示;采用S-4800型掃描電鏡對拉伸斷口形貌進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 激光功率對焊接接頭剪切強度的影響

設置激光功率為300、400、500和600 W，焊接速度為600 mm/min，離焦量+10 mm，激光功率對焊接接頭剪切強度的影響如圖4所示。

由圖4可知，當激光功率為300 W時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度為18.2 MPa;隨著激光功率從300 W增加至600 W時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度呈現先增加后減小的趨勢，在激光功率為400 W時取得最大值，約為36.2 MPa。究其原因，這主要是因為當焊接功率超過400 W時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的焊接熱輸入增大，造成碳纖維溶解量增加，焊接接頭中的氣泡增多，剪切強度下降;尤其是當激光功率增加至600 W時，碳纖維燒損嚴重[6]，焊接接頭成型性較差，影響了焊接接頭的剪切強度。

2.2 激光焊接速度對焊接頭剪切強度影響

設置激光功率為400 W，焊接速度分別為360、420、480、540、600和660 mm/min，離焦量+10 mm，焊接速度對焊接接頭剪切強度的影響如圖5所示。

由圖5可知，當焊接速度為360 mm/min時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度為8.2 MPa;隨著焊接速度從360 mm/min增加至600 mm/min時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度呈現先增加后減小的趨勢;在焊接速度為600 mm/min時取得最大值，約為36.2 MPa。究其原因，這主要是因為在過小的焊接速度下，焊接熱輸入增大，焊接接頭出現嚴重燒損且氣泡較多[7]，剪切強度減小。焊接速度過大，焊接接頭成型質量較差，部分區域會出現未焊合現象，因此剪切強度也較低;當激光焊接速度為600 mm/min時，焊接接頭成型性較好，剪切強度取得最大值。

2.3 激光離焦量對焊接接頭剪切強度影響

設置激光功率為400 W，焊接速度為600 mm/min，離焦量分別為0、+10、+20、+30和+40 mm時，離焦量對焊接接頭剪切強度的影響如圖6所示。

由圖6可知，當離焦量為0 mm時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度為15.1 MPa;隨著離焦量從0 mm增至+40 mm，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度呈現先增加后減小的趨勢;在離焦量為+10 mm時剪切強度取得最大值，約為36.2 MPa。究其原因，這主要是因為在過小的離焦量下，焊接熱輸入更為集中，焊接接頭中燒損現象較為嚴重，焊接接頭剪切強度減小;離焦量過大，焊接接頭中單位面積的焊接熱輸入減少，焊接接頭中出現未焊合區域，焊接接頭成型質量較差[8]，因此剪切強度也較低;當離焦量為+10 mm時，焊接接頭成型性較好，剪切強度取得最大值。

2.4 焊接接頭的斷口形貌

激光功率為400 W，焊接速度為600 mm/min，離焦量為+10 mm時，碳纖維/不銹鋼激光焊接接頭的剪切強度為36.2 MPa，剪切斷口形貌如圖7所示。

由圖7可見，碳纖維/不銹鋼界面處存在局部微米級的氣泡，這是在激光焊接過程中氣體釋放和壓力共同作用的結果[9];局部放大可以發現，碳纖維/不銹鋼界面處可見熱塑鉚釘結構，在一定程度上能增加碳纖維和不銹鋼的鉚接效果[10]。因此，在優化的激光焊接工藝下，碳纖維/不銹鋼具有較高的剪切強度。

3 結語

（1）隨著激光功率從300 W增至600 W，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度呈現先增加后減小的趨勢;在激光功率為400 W時剪切強度取得最大值，約為36.2 MPa;

（2）隨著焊接速度從360 mm/min增加至600 mm/min時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度呈現先增加后減小的趨勢，在焊接速度為600 mm/min時取得最大值;

（3）隨著離焦量從0 mm增至+40 mm時，碳纖維/不銹鋼焊接接頭的剪切強度呈現先增加后減小的趨勢，在離焦量為+10 mm時取得最大值;

（4）碳纖維/304不銹鋼適宜的激光焊接工藝：激光功率為400 W、焊接速度為600 mm/min，離焦量為+10 mm。

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