朱嘉鑫，陳光磊，張子靖，葉云霞

（ 江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇大學(xué)微納光電子與太赫茲技術(shù)研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013 ）

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料 （carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因比強度高和耐蝕性優(yōu)良等優(yōu)異性能，成為了一種重要的戰(zhàn)略材料，在工業(yè)、國防等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。 CFRP 在應(yīng)用過程中，不可避免需要與金屬發(fā)生連接[2]，而傳統(tǒng)的膠接、鉚接等方式存在工序繁瑣、應(yīng)力集中等問題[3-5]。激光焊接是一種高度可控、高度柔性的焊接方法，具有能量集中、熱影響區(qū)窄、焊后變形小、易于自動化等優(yōu)點[6]，本質(zhì)上是一種基于“熱”的加工過程。 在激光焊接CFRP 與金屬的過程中， 由于它們之間存在很大的熱物理性能差異， 容易在連接界面處形成缺陷，從而影響連接強度，這種缺陷主要表現(xiàn)為氣泡。

國內(nèi)外學(xué)者在研究熱塑性復(fù)合材料與金屬材料的激光連接上取得了一系列進展。 譚向虎等[7]采用光纖激光器對鋼板和碳纖維增強復(fù)合材料進行連接， 發(fā)現(xiàn)拉伸時剪切破壞主要發(fā)生在接頭處氣泡集中區(qū)域。 Li 等[8]使用激光器連接6061 鋁合金與碳纖維增強復(fù)合材料， 通過表面成分分析與接頭處斷口形貌觀察，發(fā)現(xiàn)焊接接頭處存在氣泡，這是影響連接強度的重要因素。Feng 等[9]研究了激光功率、移動速度和離焦距離等對鋁合金與碳纖維增強復(fù)合材料接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)在低熱輸入的情況下樹脂的流動性差，高熱輸入下樹脂又會熱分解產(chǎn)生氣泡，均會導(dǎo)致界面上留有氣孔。 Yang 等[10]在接頭橫截面上觀察到大量亞毫米大小的氣泡，這些氣泡的成核方式大致分為均相成核和非均相成核，與氣泡形核位置有關(guān)。 為了減少氣泡和提升焊接強度，焦俊科等[11-12]通過引入高速旋轉(zhuǎn)激光焊接技術(shù)，增加熔池寬度，減少氣孔缺陷；結(jié)合強度測試的結(jié)果表明，離散態(tài)氣泡能給熔融的樹脂帶來高壓，有助于熔融的樹脂粘接到金屬表面上。 馬晨晨等[13-14]通過時效處理的方式對焊接后接頭進行時效處理，在焊縫處觀察到大小不一的氣泡并認為氣泡在一定程度上加強了連接強度。 王濤等[15]采用激光焊接將連續(xù)纖維增強熱塑性塑料與TC4 合金連接起來，通過調(diào)節(jié)和控制焊接參數(shù)來控制樹脂的分解，減少了連接界面處形成的氣泡。Tan 等[16-18]通過采用不同掃描速度對碳纖維增強塑料與鈦合金進行激光搭接連接，在掃描速度較高的條件下，可以得到較好的連接狀態(tài)。

由此可見，在異種材料或者非均質(zhì)材料的激光焊接過程中，不同材料之間的熱物理性質(zhì)的差異極易引起氣泡缺陷的產(chǎn)生。 目前的研究仍停留在定性分析氣泡產(chǎn)生的機理及對接頭強度的影響規(guī)律上，而關(guān)于控制氣泡的方法、抑制氣泡產(chǎn)生的工藝參數(shù)則缺少定量的深入研究。 本文以CFRP 和不銹鋼連接為研究對象， 在CFRP 和不銹鋼之間添加填充樹脂層，通過仿真方法研究了激光參數(shù)、填充樹脂的熱物性對焊接接頭附近溫度場的演化規(guī)律，并以填充樹脂的氣化點為依據(jù)，定量分析了氣泡形成的參數(shù)條件，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了抑制氣泡形成的工藝參數(shù)窗口并驗證了仿真結(jié)果。

1 研究方法

1.1 仿真部分

如圖1 所示， 采用搭接焊的方式對除膠后的CFRP 與304 不銹鋼進行焊接，為了提高連接質(zhì)量，在兩種材料之間加入一層填充樹脂。 圖中上部為不銹鋼，尺寸為25 mm×50 mm×2 mm；中間為填充樹脂層，尺寸為25 mm×25 mm×0.2 mm；底部為除膠后的碳纖維板，尺寸為25 mm×50 mm×2 mm。 構(gòu)建仿真模型時，利用高斯熱源函數(shù)模擬激光束，使其加載在不銹鋼的上表面。

圖1 CFRP/304 不銹鋼激光焊接原理

為研究不同填充樹脂對焊接接頭性能的影響，焊接過程中選用了304 不銹鋼、碳纖維及3 種填充樹脂，包括聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚酰胺66（PA66），其熱物理性能參數(shù)[19-25]見表1。

表1 三種填充樹脂的熱物理性能

激光作用于不銹鋼表面， 能量主要以熱傳導(dǎo)的方式傳遞至材料內(nèi)， 將高斯分布的激光熱源加載到不銹鋼上表面。 激光焊接誘導(dǎo)溫度場時空分布符合三維熱傳導(dǎo)方程：

式中：ρ 為材料密度；c 為材料比熱容；T 為溫度；t 為時間變量；K 為熱導(dǎo)率；Q（x，y，z，t）為內(nèi)熱源強度。

仿真過程中， 環(huán)境溫度T0設(shè)置為室溫298 K，邊界為空氣對流傳熱， 仿真過程中的模型網(wǎng)格劃分示意見圖2。

圖2 仿真模型網(wǎng)格劃分

1.2 試驗部分

為便于與數(shù)值研究結(jié)果對照驗證， 本文進行了激光焊接試驗（圖3）。 試樣制備中，由于碳纖維表面的熱固性樹脂會影響連接效果， 首先在焊接前通過激光清洗對碳纖維板表面進行除膠處理，采用Z 字形路線掃描；其次，為提高連接強度，對不銹鋼表面進行刻蝕處理；最后，用激光器對不銹鋼和碳纖維進行激光焊接。 激光清洗和激光刻蝕參數(shù)見表2。

圖3 激光焊接

表2 試樣表面預(yù)處理參數(shù)

利用萬能材料試驗機對焊接試樣進行拉伸性能測試，為獲得等厚拉伸樣品，拉伸過程中在不銹鋼和CFRP 上粘墊片。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭處氣泡產(chǎn)生機理

在激光焊接CFRP 與不銹鋼的過程中， 熱量以熱傳導(dǎo)的方式通過不銹鋼傳導(dǎo)到樹脂層，樹脂層通過吸收熱量使溫度逐漸升高達到熔點，熔融的樹脂將碳纖維板與不銹鋼連接起來。 如果在激光焊接過程中，填充樹脂上表面和下表面溫度均高于熔點、低于氣化點，則說明填充樹脂呈現(xiàn)液態(tài)，凝固后可連接金屬和CFRP；如果填充樹脂溫度低于熔點，說明樹脂未熔化，無法實現(xiàn)連接；如果填充樹脂溫度高于氣化點，則樹脂將氣化形成氣泡。 因此，激光焊接過程中監(jiān)測填充樹脂上下表面溫度是找到合適工藝參數(shù)窗口的關(guān)鍵。

在研究過程中仿真單點激光輻照于材料誘導(dǎo)的溫度場，通過改變單點輻照時間模擬激光掃描焊接時某點被激光輻照的連續(xù)照射時間，按照圖4 示意換算單點激光輻照時間與激光掃描速度。 以圖中A點為例，被激光輻照的時間與激光掃描速度可通過公式換算：

圖4 單點輻照時間與激光掃描速度的關(guān)系

式中：d為光斑直徑；v為激光掃描速度。 因此，單點激光輻照時間可以體現(xiàn)激光掃描焊接過程中的激光束掃描速度。

通過對焊接接頭處的溫度場進行仿真模擬，并提取填充樹脂層的頂部溫度TU（金屬與填充樹脂的界面峰值溫度）和填充樹脂層底部溫度TD（CFRP 與填充樹脂的界面峰值溫度）隨時間變化的曲線。 圖5給出激光功率為400 W、 填充樹脂為聚苯硫醚，TU和TD隨加熱時間的演化規(guī)律；圖中t1是樹脂層剛開始熔化的時刻，t2是樹脂層完全熔化的時刻，t3是樹脂層達到熱分解溫度的時刻，t2、t3分別代表焊接工藝的起始時刻和終止時刻。

由圖5 可見，隨著激光輻照時間延長，填充樹脂的上表面和下表面溫度均逐漸上升。 當輻照時間到達t1時，上表面溫度TU達到熔點，下表面溫度低于熔點，此時填充樹脂無法實現(xiàn)連接金屬和CFRP；當輻照時間達到t2時，下表面溫度達到熔點，上表面溫度低于氣化點高于熔點，表明填充樹脂此時全厚度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液態(tài)，具備很好的流動性，凝固后能夠起到連接金屬和CFRP 的效果； 當激光輻照時間達到t3時，上表面溫度達到氣化點，此時樹脂開始氣化，如果氣化的介質(zhì)不能及時排出，就會在接頭處形成氣泡，影響接頭連接性能。 因此，在t2～t3時間段，上表面和下表面溫度均低于氣化點而高于熔點，填充樹脂具有很好的連接性能。 由此可見，在一定的激光功率作用下， 激光輻照于某點的時間必須在t2和t3之間，才能獲得良好的連接性能。 根據(jù)公式（2）可推算出特定功率下的激光器掃描速度參數(shù)，圖中t2=2.7 s、t3=5.5 s、光斑直徑d=1 mm，可計算出激光功率400 W 下掃描速度窗口為0.18～0.37 mm/s；同時， 結(jié)合圖5b 中樹脂層熔化后形成的熔池寬度來看，t3時刻熔池寬度范圍更大。

2.2 激光功率對參數(shù)窗口的影響

圖6 是功率分別為600、800 W 時聚苯硫醚樹脂層頂部和底部溫度隨著時間演化的規(guī)律。 功率為400 W 時的演化規(guī)律見圖5a。 可以根據(jù)演化走勢獲得不同功率條件下樹脂達到熔點、氣化點的時間t2、t3，進而計算出相應(yīng)的激光掃描速度v2和v3，及其差值Δv。

圖6 PPS 在不同功率的溫度場

表3 是根據(jù)圖5a、圖6 計算得到不同激光功率下的焊接掃描速度窗口?？煽闯?，隨著激光功率的增加，v2、v3和Δv都在增加，這意味著隨著激光功率的增加， 能夠抑制氣泡產(chǎn)生的激光掃描速度窗口逐漸變大，可供選擇的工藝參數(shù)范圍更大，更有利于提高焊接過程可控性與穩(wěn)定性。

表3 不同激光功率下的焊接掃描速度窗口

2.3 填充樹脂對參數(shù)窗口的影響規(guī)律

填充樹脂的熱物理性能是影響接頭性能的重要因素。 圖7 是聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰胺66 三種填充樹脂在不同功率下的v2、v3及其差值Δv， 可見對于這三種樹脂， 掃描速度v2、v3和Δv都隨著激光功率的增加而增大，這個結(jié)論與表3 類似。尤其從圖7c 的Δv走勢中可發(fā)現(xiàn)，當激光功率為400 W 時焊接速度參數(shù)窗口較窄，激光功率為800 W 時焊接的工藝窗口相對較寬。也就是說，精確控制掃描速度是必要的，否則會因參數(shù)窗口窄而易形成氣泡。

理論上，填充樹脂的熔點與氣化點的差值越大，越有利于在激光焊接過程中獲得較大的速度參數(shù)窗口。 由表1 可知，PPS 的熔點與熱分解點的溫差最大， 這也就體現(xiàn)在圖7c 中PPS 的速度參數(shù)窗口相當大。 當激光功率為800 W 時，PA66 的速度參數(shù)窗口最大，但由于其熔點與氣化點的溫差最小，這可能是由于其比熱容最大， 注入同等能量獲得的溫升最小，溫度的升高對激光掃描速度的變化不敏感。

圖7 填充樹脂對速度窗口的影響規(guī)律

2.4 激光焊接接頭微觀形貌

為了進一步驗證激光功率對氣泡的影響規(guī)律，進行了填充樹脂為PPS 的激光焊接試驗，使用掃描電鏡觀察了典型參數(shù)的連接界面形貌，結(jié)果見圖8。可看出， 在激光功率分別為400、600、800 W 時，通過優(yōu)化激光掃描速度可得到質(zhì)量相對較好的接頭，如圖8a、圖8d、圖8g 所示。在相同激光功率下，低掃描速度的接頭內(nèi)部會出現(xiàn)直徑10 μm 左右的小孔，即焊接過程中該處溫度最接近樹脂的熱分解溫度；隨著掃描速度繼續(xù)降低，孔的尺寸變大，意味著樹脂的氣化更加嚴重。

圖8 不同參數(shù)條件下PPS 的微觀連接界面形貌

2.5 激光焊接接頭力學(xué)性能

為了進一步驗證不同激光功率下產(chǎn)生的氣泡對接頭結(jié)合強度的影響，采用萬能材料試驗機在室溫條件下對各試樣進行了拉伸強度測試，拉伸速度為2 mm/min，預(yù)載荷為0.5 MPa，結(jié)果見表4。

表4 不同激光功率下接頭拉伸強度隨掃描速度的變化單位：MPa

由表4 可見，在各功率條件下，接頭的結(jié)合強度均隨著掃描速度的增加先增大后減小。 結(jié)合圖8a、圖8b 可知，在400 W 功率條件下，掃描速度7 mm/s時樹脂層處于剛剛?cè)刍癄顟B(tài)，掃描速度5 mm/s 時雖然在焊接時有小氣泡形成， 但是樹脂層處于完全熔化的狀態(tài)而擁有更好的流動性， 在壓力的作用下進入凹槽，形成連接質(zhì)量更好的焊接接頭。當接頭內(nèi)部出現(xiàn)尺寸較小的氣泡時， 樹脂層的溫度越接近它的氣化溫度， 樹脂層就越能夠充分熔化并在壓力的作用下與織構(gòu)凹槽充分結(jié)合形成質(zhì)量良好的接頭；但是，結(jié)合圖8c、圖8f、圖8i 可知，隨著氣泡尺寸的變大，接頭的結(jié)合強度出現(xiàn)了明顯的下降，大氣泡的存在影響了接頭強度。

3 結(jié)論

本文針對激光焊接CFRP 和金屬材料過程中焊接接頭處常出現(xiàn)的氣泡缺陷， 以激光焊接CFRP 和不銹鋼為例建立溫度場仿真模型，并研究激光功率、掃描速度、填充樹脂等參數(shù)對氣泡形成的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）激光掃描速度參數(shù)窗口是焊接質(zhì)量和可操作性的關(guān)鍵指標，仿真結(jié)果表明，激光功率、掃描速度和樹脂本身的熱物理性能對于參數(shù)窗口有著重要影響。

（2）激光掃描速度參數(shù)窗口隨著激光功率的增大而增大，隨著填充樹脂熔點與氣化點的溫度差值增大而增大。 因此，在低功率范圍更需要精準控制激光掃描速度，以控制焊接接頭處氣泡形成。

（3）焊接接頭的連接強度隨著接頭內(nèi)部氣泡的尺寸變大而降低，氣泡尺寸越小焊接接頭的力學(xué)性能越好。