CN115091039A

CN115091039A - 一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法

Info

Publication number: CN115091039A
Application number: CN202210692778.8A
Authority: CN
Inventors: 陈佳雨; 杨上陆; 白瑾瑜
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2042-06-17
Also published as: CN115091039B

Abstract

一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，包括提供金属与表层含有单向碳纤维的碳纤维增强热塑性复合材料；在金属表面制备至少包含单向微槽的微纳结构；将金属及CFRP进行搭接形成搭接结构；提供一激光束，使其光斑整体辐照金属表面，对所述搭接结构进行激光焊接。本发明焊接过程中界面处的碳纤维能够随树脂嵌入金属单向微槽中，形成碳纤维增强的机械锚固结构，理论最高强度与CFRP母材一致，依据接头主承载力的方向设计金属微槽与CFRP表层纤维的取向及搭接方式，使得接头中的机械锚固结构垂直于负载方向，剪切应力充分分布在机械锚固结构上，阻碍接头破坏的作用，接头强度提升效果显著。

Description

一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法

技术领域

本发明属于异种材料焊接领域，具体涉及一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，应用于金属与碳纤维增强型热塑性树脂基复合材料之间的搭接。

背景技术

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(有时称为CFRP)具有高比强度、高韧性等优异性能，是重要的新型轻量化材料，已在汽车、飞机、航天器、建筑、工业设备等领域的先进制造逐渐实现广泛的应用。在结构件的某些部位中使用CFRP替代传统材料能够使结构在保持较高性能的同时降低结构的质量，减少能源消耗和成本。但由于CFRP在承受复杂、巨大、多变载荷时易发生刚度降低及其自身的高昂成本问题，目前仍采用与金属材料结合构成多材料结构的方式。随之而来的是如何实现CFRP和金属材料之间高强连接的新问题。

激光焊接具有工艺简单、效率高、非破坏性等优势。但由于金属与CFRP之间的热胀系数差异较大，接头界面分布着严重的残余应力，造成激光焊接金属/CFRP接头强度较低。现有强化金属/CFRP接头连接的方法主要是通过对金属表面进行预处理得到凹凸不平的微观结构，并在焊接过程中对接头施加压力，使得接头界面附近的CFRP熔融树脂渗入金属侧的微结构中，形成机械锚固结构，进而提高接头强度。但上述方法仍然存在局限性。例如，熔融树脂的量可能不足以完全填充金属表面的微观结构，造成微结构内部存在孔隙，这些孔隙不仅降低了实际的界面结合面积，还将引起应力集中。通过在连接界面添加树脂夹层能够有效增加界面处树脂的量，有利于促进树脂填满金属表面微结构从而抑制孔隙的形成，但接头强度仍然受到CFRP树脂基体强度的限制，因为在接头负载情况下，渗入到金属表面微结构中的树脂作为应力集中点，也是接头最薄弱的部分，接头容易在此处断裂。因此，需要一种能够突破这种限制的方法，有效提高金属/CFRP的连接强度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种金属/CFRP激光焊接强化方法。该方法通过在金属表面制备与CFRP表层碳纤维取向一致的微槽结构，实现焊接过程中CFRP碳纤维随熔融树脂嵌入微槽结构中形成碳纤维增强的机械锚固结构，大幅提高金属/CFRP连接强度，具有良好的应用前景。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种基于碳纤维的金属/CFRP激光连接强化方法，包括以下步骤：

步骤一：提供一种金属与表层含有单向碳纤维的CFRP；

步骤二：在金属表面制备至少包含单向微槽的微纳结构；

步骤三：按照所述单向微槽取向与CFRP表层纤维取向一致的原则将金属及CFRP进行搭接形成搭接结构，其中带有表面结构的金属一侧与CFRP接触；

步骤四：提供一激光束，使其光斑整体辐照金属表面，对所述搭接结构进行激光焊接，其中所述激光束在金属表面的辐照功率密度不超过50W/mm²。

进一步地，所述金属为不锈钢、高强钢、铝合金、镁合金或钛合金等，金属材料厚度1mm～3mm；

进一步地，所述CFRP采用两种取向相互垂直的单向纤维的预浸料热压成型，表层含有单向碳纤维，树脂基体为聚醚醚酮、尼龙、环氧热塑性树脂等热塑性树脂，碳纤维面密度50～500g/mm²，CFRP表层树脂厚度低于10μm，碳纤维直径小于8μm，CFRP总厚度1mm～3mm；

进一步地，所述金属表面微纳结构包含单向微槽结构，单向微槽结构间距为0.05mm～0.5mm，微槽开口处宽度25μm～250μm，深度20μm～200μm，微槽结构截面轮廓为近V形、矩形或倒梯形等；

进一步地，所述金属表面结构除单向微槽外，还包括在单向微槽上添加纳米结构、其他阵列或不规则图案等构成的金属表面结构。

进一步地，所述金属表面微纳结构是通过包括通过激光刻蚀、机加工、化学腐蚀等其中一种或多种方法来制备；

进一步地，所述激光刻蚀方法采用的激光器为短脉冲激光器，包括纳秒、皮秒及飞秒激光器，所述激光功率为0～100W，重复频率0.1kHz～5000kHz；

进一步地，所述搭接过程中包含通过夹具对搭接区域施加不小于0.2MPa的压力保证搭接结构接触界面紧密接触；

进一步地，所述激光热导焊接过程中，激光束光斑功率密度10W/mm²～50W/mm²，激光功率为300W～1000W，扫描速度为0.3m/min～2m/min，激光束在工件表面形成的光斑直径为0.8mm。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

现有技术中的机械锚固结构仅由树脂基体构成，强度低于CFRP母材，接头容易从机械锚固结构处断裂。本发明中CFRP的选型与金属表面微槽结构设计相匹配，CFRP采用包含两种取向相互垂直的单向纤维的预浸料热压成型，搭接过程中保证CFRP表层纤维与金属表面单向微槽取向一致，且CFRP表面树脂层厚度小于设计的单向微槽深度、纤维直径小于设计的单向微槽宽度，因此焊接过程中界面处的碳纤维能够随树脂嵌入金属单向微槽中，形成碳纤维增强的机械锚固结构，该结构的理论最高强度与CFRP母材一致。更进一步，依据接头主承载力的方向设计金属微槽与CFRP表层纤维的取向及搭接方式，使得接头中的机械锚固结构垂直于负载方向，因此剪切应力充分分布在机械锚固结构上，充分发挥其阻碍接头破坏的作用。

附图说明

图1为本发明步骤；

图2为金属表面结构制备及激光热导焊接过程示意图；

图3为包含单向微槽的金属表面结构特征示例示意图；

图4为金属单向微槽轮廓示意图；

图5为金属表面近V形微槽结构的光学显微图像及3D形貌图；

图6为在金属/CFRP接头横截面处观测的光学显微图像，发现界面处存在由树脂基体、碳纤维和金属表面微槽构成的机械锚固结构。

附图标记：

1-金属；2-短脉冲激光头；3-短脉冲激光束；4-金属表面微纳结构；5-CFRP；6-CFRP局部切块；7-与金属单向微槽取向相同的碳纤维；8-与金属单向微槽取向垂直的碳纤维；9-CFRP树脂；10-焊接激光头；11-焊接激光束；12-金属/CFRP结合界面；13-金属单向微槽；s-金属单向微槽间距；w-金属单向微槽开口处宽度；d-金属单向微槽深度

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1及图2，本发明的方法包括以下步骤：

步骤一：提供一种金属与表层含有单向碳纤维的CFRP；

步骤二：在金属表面制备至少包含单向微槽的微纳结构(图2a)；

步骤三：按照所述单向微槽取向与CFRP表层纤维取向一致的原则将金属及CFRP进行搭接形成搭接结构，其中带有表面结构的金属一侧与CFRP接触(图2b、图2c)；

步骤四：提供一激光束，使其光斑整体辐照金属表面，对所述搭接结构进行激光焊接，其中所述激光束在金属表面的辐照功率密度不超过50W/mm²(图2d)。

参照图2d，本发明所涉及焊接过程为，焊接激光头10将激光束11聚焦于金属1上表面，金属1受辐照区域吸收激光能量并升温，热量由金属1上表面传导至接头界面12处，界面12的CFRP树脂9熔化，在夹具压力作用下渗入金属表面微槽13中。在此过程中由于熔化的树脂包裹着CFRP表层碳纤维7，碳纤维(7直径b小于设计的单向微槽13的开口宽度w且二者取向一致，因此碳纤维7也随树脂9嵌入微槽中；一般地凹槽宽度是不小于10倍碳纤维直径，优选地为w≥8b。接头冷却后，界面12处的树脂9、碳纤维7与金属单向微槽13共同构成界面机械锚固结构，如图2e所示。

参照图2b、图2c，所提供的金属1为不锈钢、高强钢、铝合金、镁合金或钛合金等，厚度1mm～3mm，一般地金属表面可以是具有诸如锌镀层、铝镀层、锡镀层等一种或多种合金组成的镀层。提供的CFRP5一般是采用两种取向相互垂直的单向纤维7,8的预浸料热压成型，表层含有单向碳纤维7，树脂基体9为聚醚醚酮、尼龙、环氧热塑性树脂等热塑性树脂，碳纤维面密度50g/mm²～500g/mm²，表层树脂厚度低于10μm，碳纤维直径小于8μm，材料总厚度1mm～3mm；

所述激光束11波长为0.3μm～10μm，特别是0.5μm～3μm的红外激光器发射，这在激光加工中是常见的。而其发射的激光器可以对应于多种类型，包括但不限于固态激光器、直接二极管激光器、光子晶体激光器、半导体激光器、气体激光器、化学激光器、准分子激光器或自由电子激光器等。激光器可以是连续激光或脉冲激光，一般其峰值功率为50W～10000W，特别地为100W～5000W。激光束11一般是通过激光器发射的初始激光束经过光纤或光学元件等传输。特别地本发明中，激光焊接是通过热传导实现的，优选地为采用半导体激光器，而激光束在金属表面辐照区域的形状可以是圆形、矩形或其他形状，当其为圆形时其直径范围一般为0.8mm～5mm；激光束在辐照区域的功率密度为不超过50W/mm²,优选地为10W/mm²～50W/mm²；其分布形式可以是高斯形的亦或是诸如平顶分布、环形分布等其他形式的，其具体的分布形式可以根据实际应用来确定。在焊接过程过一般地扫描速度为0.3m/min～2m/min。

参照图3，所述金属表面结构至少包含单向微槽结构(图3a)，可在单向微槽结构上附加不破坏单向微槽结构的其他结构，例如添加纳米尺度的结构、添加其他取向的单向微槽构成网格状结构(图3b)、添加点阵(图3c)、添加其他阵列或杂乱无章的表面结构(图3d)，这都不影响本发明内容；参照图4，所述单向微槽结构间距为s为0.05mm～0.5mm，微槽开口处宽度w为25μm～250μm，深度d为20μm～200μm，微槽结构截面轮廓为近V形(图4a)、矩形(图4b)或倒梯形(图4c)等；上述不破坏单向微槽结构指的是，附加其他结构后，所有单向微槽的几何特征仍在上述限定范围之内；而所述金属表面结构可通过激光蚀刻、机加工、化学蚀刻等一种或多种方法制备；当所述微槽是通过激光加工时，上述激光蚀刻方法使用的激光器为短脉冲激光器，包括纳秒、皮秒及飞秒激光器，所述激光功率为0～100W，优选地为1W～50W，重复频率0.1kHz～5000kHz，优选地为250kHz～1000kHz。

当凹槽为通过激光加工形成时，采用激光蚀刻方法金属表面结构制备过程一般为：将金属置于短脉冲激光加工平台上，其中，根据金属表面结构图案刻蚀方法的不同，激光头2中带有振镜或干涉元件。振镜扫描法通过振镜实时控制激光束3的聚焦位置，因此可实现激光束3在金属1表面的快速扫描，扫描路径上的材料被烧蚀，最终得到所需表面结构4，如图2a所示。一般地，激光干涉法为通过激光头2中的干涉元件，在金属1表面上得到干涉图案，材料在最大干涉位置(对应于最高激光强度)局部烧蚀，最终得到所需表面结构4。通过改变激光束3能量分布、功率(0～100W)，重复频率(0.1kHz～5000kHz)、扫描路径、扫描速度及次数或激光辐照时间得到设计的单向微槽结构间距、微槽轮廓、开口处宽度及最大深度；

在本发明中主要涉及金属表面凹槽的加工，而碳纤维复合材料一般是通过相互垂直的两个方向的纤维搭接编织而成，所以在本发明中加工凹槽时需先确定碳纤维不同厚度层的纤维方向。其具体确定方法可以是通过例如切割金相观察法、预标定法、射线检测法等，只要能确定其表层碳纤维方向即可，在此不做限定；例如通过金相截面观察时，首先将CFRP5切下一块(参照图3b)，在切块6上可观察到取向相互垂直的碳纤维7,8及树脂9，如图3c所示，与截面垂直的纤维被切断，因此可观察到圆形的纤维截面，与之相对，与截面平行的纤维一般呈现为条形。由于碳纤维几乎均匀分布在CFRP中，表面树脂层很薄，因此可以看到CFRP表面的条状纹理，纹理取向即表层碳纤维取向。

在本发明中，金属与CFRP搭接进行搭接时，参照如图2b，将金属1搭接在CFRP5表面上，金属带有表面微纳结构的一侧与CFRP接触，使单向微槽取向与CFRP表层纤维取向一致，通过夹具对搭接区域施加压力保证连接界面紧密接触，所述压力不小于0.2MPa，优选地为不小于0.5MPa。通过将金属表面微结构取向与碳纤维取向一致可使在焊接过程中，碳纤维更好、更便捷地嵌入微结构中，从而扩大接头有效连接面积，减少气孔等缺陷形成，提升接头性能；特别地，当接头主承载力与凹槽取向垂直，具有更优异的接头性能。

实施例

一种基于碳纤维的金属/CFRP激光连接强化方法，包括如下步骤：

1.提供厚度2mm的QP980高强钢与厚度2mm的环氧热塑性树脂基CFRP作为待连接材料，CFRP由两种取向相互垂直的单向纤维的预浸料热压成型，表层含有单向碳纤维200g/mm²，表层树脂厚度低于10μm，碳纤维直径小于8μm；

2.利用砂纸、无水乙醇处理QP980表面，利用砂纸去除CFRP表面的脱模剂随后用无水乙醇擦拭；

3.利用皮秒激光器，以振镜扫描的方式，在QP980表面的待连接区域制备仅包含近V形单向微槽的表面结构(波长1064nm，脉宽15ps，重频250kHz，平均功率16W，扫描速度80mm/s，扫描次数15)。制备的微槽间距150μm，开口处宽度约60μm，深度约30μm，随后清除金属表面结构中的粉尘、氧化物等污染物，表面结构光学显微图像及3D形貌如图4所示。

4.把QP980置于CFRP上，QP980带有表面微槽结构的一侧与CFRP表面接触，QP980表面单向微槽与CFRP表层碳纤维的取向一致并垂直于主承载力方向，利用夹具对搭接区域施加0.5MPa压力；

5.利用传统的激光热传导焊接方法，对CFRP与QP980进行连接，其方法是600W的半导体激光束(波长900nm～1080nm)聚焦在QP980上表面(离焦量25mm)，激光束沿着表面以12mm/s的恒定速度扫描。参照图5，连接界面处CFRP(5)的树脂熔融并带动碳纤维(7)嵌入金属(1)表面微槽内，界面紧密结合，冷却后形成金属/CFRP接头，接头界面含有碳纤维增强的机械锚固结构。

6.凹槽取向与碳纤维取向一致时，其接头拉剪性能达到了29MPa，而当凹槽取向与碳纤维取向不一致时其接头性能只有24.34MPa，特别地，当拉剪载荷方向垂直与凹槽取向时，接头性能更高，达到了44.54MPa。由以上对比可得出，本发明方法可以大幅提升碳纤维复合材料与金属搭接激光连接的强度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：提供表层含有单向碳纤维的CFRP和金属；

步骤二：在所述金属表面制备至少包含单向微槽的微纳结构；

步骤三：将金属与CFRP搭接形成搭接结构，使金属表面具有微纳结构的一侧与CFRP的树脂层接触，并确保金属表面的单向微槽与CFRP表层碳纤维(7)取向一致；

步骤四：提供一激光束，使其光斑辐照所述金属表面，对所述搭接结构进行激光焊接，且所述激光束的辐照功率密度不超过50W/mm²。

2.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述金属为不锈钢、高强钢、铝合金、镁合金或钛合金，金属的厚度1mm～3mm。

3.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述CFRP采用两种取向相互垂直的单向纤维的预浸料热压成型，树脂基体为聚醚醚酮、尼龙、环氧热塑性树脂，所述碳纤维面密度为50～500g/mm²，树脂层的厚度低于10μm，碳纤维的直径小于8μm，CFRP的总厚度为1mm～3mm。

4.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述单向微槽的间距为0.05mm～0.5mm，微槽开口处宽度25μm～250μm，深度20μm～200μm，微槽截面轮廓为V形、矩形或倒梯形。

5.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述金属表面微纳结构是通过激光刻蚀、机加工、化学腐蚀其中一种或多种方法来制备。

6.根据权利要求5所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述激光刻蚀采用的激光器为短脉冲激光器，包括纳秒、皮秒及飞秒激光器，所述激光功率为0～100W，重复频率0.1kHz～5000kHz。

7.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述搭接过程中通过夹具对搭接区域施加不小于0.2MPa的压力，以确保金属与碳纤维增强复合材料界面紧密接触。

8.根据权利要求1所述的金属与碳纤维增强复合材料激光焊接强化方法，其特征在于，所述激光热导焊接过程中，激光束光斑功率密度10W/mm²～50W/mm²，激光功率为300W～1000W，扫描速度为0.3m/min～2m/min，激光束在工件表面形成的光斑直径为0.8mm。