工艺参数对 Al/CFRTP 激光焊接头微观结构的影响

工艺参数对 Al/CFRTP 激光焊接头微观结构的影响

陆宜灵   王 毅  刘杰   郭家维   苑京城

长春工程学院机电学院  吉林 长春 130012

摘要：采用激光焊连接的方法，研究工艺参数对Al/CFRTP焊接接头微观结构及性能的影响。结果表明： 当激光功率为400 W，焊接速度为0.004m/s，离焦量为15mm时，Al/CFRTP激光焊接头有较好的机械嵌合， 界面结合效果较好， 强度为18MPa。

关键词：工艺参数；激光焊；碳纤维复合材料

基金项目：吉林省教育厅项目，碳纤维复合材料与铝合金异质材料连接关键技术研究（JJKH20220631KJ） 大创项目，碳纤维复合材料与铝合金连接关键技术研究（S202311437087）

作者简介：陆宜灵2001-5男汉广西长春工程学院 。王毅1980-3女汉长春博士长春工程学院主要研究先进材料连接

随着汽车制造﹑船舶、航空航天等领域的不断发展，人们对减轻结构质量、节约经 济成本、保证产品安全性能的要求越来越高,这使得“轻质轻量化”的概念应运而生[1-2]。 碳纤维热塑性复合材料( CarbonFiber Reinforced Thermoplastic,CFRTP)，作为一种 质量轻、强度高、耐疲劳、耐腐蚀的高性能复合材料， 具有良好的应用前景。铝合金材 料由于其低密度、高强度的特点，已成为轻量化制造的重要材料。因此，实现 CFRTP 和铝合金的高质量连接对新能源汽车、轨道交通、航空航天等领域具有重要意义[3-4]。

碳纤维复合材料与铝合金物理化学性能差异较大，因此二者很难实现可靠连接[5-7]。 本文采用高效、节能的激光焊方法连接碳纤维增强复合材料(CFRTP) 和铝合金，研究了 激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数对焊接接头微观结构及力学性能的影响。

1试验材料及方法

试验选用PPS为基体的50mm×25mm×2mm碳纤维增强复合材料与50mm×25mm×1mm 的6系铝合金，二者搭接进行激光焊接。焊前采用砂纸将铝合金表面打磨、清洗、 吹干，并设置激光头偏角 10°以防止激光对铝合金的高返问题。研究激光功率、焊接速度、离焦量等工艺参数对焊接接头结构与性能的影响，工艺参数如表1所示。

表1    激光焊接工艺参数

2试验结果与分析

2.1 工艺参数对Al/CFRTP接头的微观结构的影响

图1是激光功率对Al/CFRTP接头界面微观结构的影响。由图可见，当激光功率达 到 500 W 时，熔深较深，树脂基体被熔化，焊接时产生大量气体、烟尘、甚至产生的 热量焊穿试件。当激光功率为 300 W 时，产生的热输入量较少，铝合金未焊透，热量未传导至碳纤维复合材料。当激光功率为 400W 时，它的焊缝成形较美观，界面平直， 且有微小的机械嵌合，可以得到良好的焊接效果。同时，也需要注意过高的功率可能会 导致焊缝内部的晶粒过大，以及热影响区的组织形态变化等问题。

图2是焊接速度对 Al/CFRTP 接头界面微观结构的影响。当焊接速度为 0.003m/s时，因为焊接速度过慢，导致焊缝熔深较深，界面处产生各种缺陷。焊接速度为0.005m/s 时，焊缝熔深最浅。当焊接速度为0.004m/s时，焊接效果较好，焊接界面平直且连接 效果较好。另外，随着焊接速度的减小，热影响区周围的组织也逐渐变粗。

当焊接功率为400W，焊接速度为0.004m/s时，改变离焦量观察到焊接熔深先增加 后减小。 随着离焦量的增加，热影响区和焊缝晶粒变小。通过单一变量的 方法对试样进行焊接，在不同参数条件下，对试样焊缝微观结构的分析可以得出，在焊 接功率为400W，焊接速度为0.004m/s，离焦量为15mm时，焊缝微观结构较好，界面连 接较好。

(a)300 W                            (b) 400W                          (c)500 W

图1  激光功率对Al/CFRTP接头界面微观结构的影响

(a) 0.003 m/s(b) 0.004m/s(c)0.005m/s

图2  焊接速度对Al/CFRTP接头界面微观结构的影响

2.2 Al/CFRTP激光焊接接头性能

铝合金激光焊接时，具有热导率高、对激光反射率高、熔池吸氢能力强等特性，因 此极易出现裂纹、气孔等缺陷，气孔、裂纹等缺陷的存在会显著降低焊缝的力学性能。在激光功率为400W、焊接速度为0.004m/s、离焦量为15mm工艺参数下，碳纤维复 合材料与铝合金激光焊接头的剪切强度为 18Mpa。由断口形貌观察，铝合金表面 粘有少量树脂，这是因为焊接时树脂熔融，流入铝合金粗糙表面划痕间。

CFRTP表面被 大量树脂覆盖，且有少量铝合金，断口呈撕裂状，这是由于激光焊时，接头界面处产生 少量气孔， 在剪切力作用下，延界面气孔处断裂，形成撕裂状断口形貌。这与剪切试验 中接头的应力应变曲线所得的结论相吻合。

3结论

（1）不同的焊接工艺参数对于两者接头强度的影响不同，可以通过不断优化焊接 工艺参数的手段，来进一步提高两者焊接接头的强度。

（2）在激光功率为400W，焊接速度为0.004m/s，离焦量为15mm时，两者焊接接 头的连接强度较好。

参考文献：

[1]RenS ,Ma Y,Saeki S , et al.Numericalanalysisoncoaxialone-side resistancespot weldingofAl5052 and CFRP dissimilar materials[J].Materials Design,2020,188

[2] Guixin Y,Zhukun Z ,Xiang L ,et al.Blue laser weldingof7075-T6aluminumalloyandcarbonfiber reinforced polyetheretherketone[J].Optics and Laser Technology,2022,155

[3]张晓虎，孟宇，张炜。碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势[J].纤维复合材料，2014(1)：50-53. [4]叶逸云.CFRTP-铝合金的激光对接焊工艺研究[D].宁波大学,2021.

[5]周 利，秦志伟，刘 杉，等.热塑性树脂基复合材料连接技术的研究进展［J］.材料导报，2019，33（19）：3177－3183.

[6]张增焕，刘红兵.  航空领域热塑性纤维复合材料焊接技术发展研究［J］.  航空制造技术，2015 （14）：72－75.

[7]Chang L ,Suresh V ,FengzhenS , et al.EffectofCFRPsurfacetopographyontheadhesionandstrength ofcomposite-compositeandcomposite-metaljoints[J].CompositesPartA,2023,164