無錫不銹鋼與碳纖維增強(qiáng)塑料的激光焊接

由于碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）具有很高的強(qiáng)度對(duì)重量比（strength-to-weight ratio）、出色的抗腐蝕性能和優(yōu)良的疲勞性能，因而受到了極大的關(guān)注，上述特點(diǎn)讓這種材料適合用在飛機(jī)、汽車和其他產(chǎn)品中。汽車工業(yè)對(duì)熱塑性碳纖維增強(qiáng)塑料尤其感興趣，因?yàn)樗型s短生產(chǎn)時(shí)間。

　　將塑料或碳纖維增強(qiáng)塑料與金屬接合在一起，通常需要使用膠粘劑或螺栓、鉚釘?shù)葯C(jī)械工具。然而，這些接合工藝有幾種不足之處，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放的環(huán)境限制、粘合時(shí)間較長(zhǎng)，螺釘或鉚釘也會(huì)增加重量。因此，Seiji Katayama教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出激光輔助直接焊接金屬和塑料（LAMP）的技術(shù)。通過使用連續(xù)波（CW）Nd：YAG激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器或碟片激光器等，該技術(shù)能迅速而牢固地將諸如鋼、無錫不銹鋼、鋁合金在內(nèi)的金屬與工程熱塑性塑料（例如聚酰胺PA、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC）接合起來。

　　LAMP焊接技術(shù)可以牢固地將碳纖維增強(qiáng)塑料片材和304不銹鋼板焊接在一起，其中使用CW碟片激光器在金屬上生成不焊透焊縫。圖1顯示了聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強(qiáng)塑料片材與304不銹鋼板之間的激光搭接接頭在做拉伸剪切試驗(yàn)前、后的情況。其中，碳纖維增強(qiáng)塑料片材厚度為3mm、寬度為20mm，具有較長(zhǎng)的碳纖維，無錫不銹鋼板厚度為3mm、寬度為30mm。橫截面的照片（見圖1中的插圖）顯示了不銹鋼中淺層小孔形成的激光焊道。此外，熔化區(qū)廣泛分布在碳纖維增強(qiáng)塑料片材中靠近接合面的區(qū)域。在圖1b中，我們可以觀察到黑色的碳纖維增強(qiáng)塑料片材粘結(jié)在304不銹鋼板的底表面。特別是，粘結(jié)的碳纖維增強(qiáng)塑料部分主要根據(jù)激光焊道下的無錫不銹鋼板而識(shí)別出來。在碳纖維增強(qiáng)塑料片材的接合面中也能看到不銹鋼的部分。上述事實(shí)表明形成牢固的焊接接頭是可行的。

　　圖2顯示了在不同碟片激光輻照條件下對(duì)接頭進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)的結(jié)果。結(jié)果表明，接頭的最大拉伸剪切負(fù)荷（強(qiáng)度）約為4800N（20mm寬的碳纖維增強(qiáng)塑料），這一結(jié)果是在功率為2kW和5mm/s的試驗(yàn)速度的情況下得出，高于碳纖維增強(qiáng)塑料板的拉伸剪切負(fù)荷的一半。30mm寬、3mm厚的PA塑料片材與304不銹鋼板之間接頭的拉伸剪切負(fù)荷最大約為3400N。從中我們可以判斷，20mm寬的碳纖維增強(qiáng)塑料和304不銹鋼板之間接頭的最大負(fù)荷要遠(yuǎn)高于30mm寬的PA塑料片材與鋼板間的接頭。因此，通過在具有更長(zhǎng)碳纖維的聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強(qiáng)塑料片材和304不銹鋼板之間形成搭接接頭，可以得到最高的負(fù)荷。

　　圖3為碳纖維增強(qiáng)塑料片材和304不銹鋼板之間接頭接合面的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。許多亞毫米大小的氣泡不規(guī)則地分布在碳纖維周圍的塑料基體中，這是由激光焊接過程中溶池的高溫引起的熱傳導(dǎo)造成的。據(jù)證實(shí)，碳纖維增強(qiáng)塑料中氣泡的幾何特征主要取決于塑料和碳纖維的疊合形狀，以及傳導(dǎo)熱量的水平和碳纖維的長(zhǎng)度。據(jù)悉，與普通塑料相比，碳纖維增強(qiáng)塑料中更容易形成氣泡。對(duì)普通塑料來說，氣泡只形成在界面附近；而在碳纖維增強(qiáng)塑料中，由于纖維表面與基體之間的不穩(wěn)定以及碳纖維具有較高的熱導(dǎo)率，所以氣泡廣泛分布在塑料基體中。

　　圖4是接頭界面附近的透射電子顯微鏡（TEM）照片，從PA基體、不銹鋼上的氧化膜、不銹鋼基體中分別選取典型的點(diǎn)來進(jìn)行透射電鏡能譜分析（TEM-EDS）。我們可以觀察到，碳纖維增強(qiáng)塑料從原子或分子尺度上被連接在304不銹鋼的10納米厚的鉻鐵（Cr-Fe）氧化層上。這表明，化學(xué)鍵合和物理（范德華力）粘結(jié)的可能性很高。因此，碳纖維增強(qiáng)塑料和304不銹鋼能被牢固地接合在一起形成強(qiáng)而有力的接頭。

　　進(jìn)一步地，在7×10^-6帕的高壓下，從碳纖維增強(qiáng)塑料片材向不銹鋼板鉆一個(gè)2mm的孔，并測(cè)量鉆孔過程中揮發(fā)氣體的壓力水平和質(zhì)譜，再通過Q-質(zhì)譜儀來分析氣泡中的氣體成分。結(jié)果表明，氣泡內(nèi)的氣體成分為氮?dú)?、氫氣和碳纖維增強(qiáng)塑料的PA基體裂解產(chǎn)生的烴類氣體。由于裂解后產(chǎn)生氣泡并迅速擴(kuò)張，高壓迫使熔化的塑料進(jìn)行移動(dòng)并流入金屬表面的坡口或晶界。從所有試驗(yàn)中我們可以推斷出接合機(jī)制（見圖5），即，碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料與不銹鋼直接接合，是通過化學(xué)或物理地粘結(jié)熔化的塑料和覆蓋在不銹鋼上的氧化膜來實(shí)現(xiàn)的，此外還要考慮塑料流動(dòng)到坡口或晶界而引起的機(jī)械錨固效應(yīng)。

　　這種激光焊接碳纖維增強(qiáng)塑料和金屬的技術(shù)預(yù)計(jì)將在行業(yè)內(nèi)得到應(yīng)用。這種方法也成功用于焊接碳纖維增強(qiáng)塑料和鋁合金或帶有鋅涂層的鋼，并且它被證實(shí)能形成強(qiáng)而有力的接合。