【技术帖】碳纤维增强复合材料（CFRP）与铝合金的搅拌摩擦点焊

摘要：在航空航天、汽车等领域中，轻金属-复合材料混合结构的应用逐渐增加，碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Poly，CFRP）与铝合金的焊接是亟待解决的难题之一。搅拌摩擦点焊（FrictionSpot Welding，FSpW）是一种新型的可用于焊接金属与复合材料的焊接方法。综述近年来关于CFRP 与铝合金搅拌摩擦点焊的可行性、影响因素、焊接性能以及接头断裂机理等方面的研究进展，最后展望了未来关于CFRP 与铝合金搅拌摩擦点焊的研究热点。

　　关键词：碳纤维增强复合材料；铝合金；搅拌摩擦点焊

1前言

　　随着人类社会的发展，能源消耗和环境污染已成为世界性难题。在航空航天、汽车等领域中，采用轻金属-复合材料混合结构可以有效地减轻自身重量，从而降低燃料消耗和二氧化碳等气体的排放碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Poly，CFRP）具有强度高、质量轻、热容量小、相对密度小、抗冲击性和能量吸收率高等出众的优点，是设计金属—复合材料混合结构的理想材料。例如，波音787 客机大量使用碳纤维增强复合材料，与传统的铝结构相比，总质量减轻了20%；奥迪R8 采用铝合金-碳纤维增强复合材料，车身结构质量减轻了15%；宝马电动汽车i3 和i8 用碳纤维增强复合材料代替钢，不仅减轻了车重，而且在生产过程中可节约50%能源和70%水消耗。宝马新一代7 系730Li领先型采用了由碳纤维增强复合材料、铝以及钢构成的创新复合材料车身，车重只有1 830 kg。

　　由于理化性能差异巨大，CFRP 与金属的焊接非常困难，成为制造金属—复合材料混合结构亟需解决的难题之一。目前，胶接和机械焊接是CFRP 与金属的主要焊接方式。胶接需要对CFRP 进行表面处理以提高润湿性和表面张力，而且需要很长的固化时间。机械焊接容易产生应力集中等问题，有报道表明空客A380 的机翼上CFRP 筋与铝合金采用机械焊接时产生了裂纹，可能导致整个组件失效。这些问题限制了机械焊接和胶接的应用和发展。对于热塑性CFRP，研究者们探索了许多焊接方法，如超声焊、激光焊、电阻焊、感应焊和摩擦焊等，然而，诸如存在较长的焊接周期，昂贵的设备和难以自动化等问题，使得这些焊接方法的应用有待进一步研究。

　　搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所于20 世纪90 年代开发和发展起来的特别适合于板材焊接的一种固相连接方法，具有焊缝成形好、生产率高以及绿色无污染等优点。搅拌摩擦点焊（Friction SpotWelding，FSpW）是在FSW 基础上发展的一种固相点连接技术。本研究针对CFRP 与铝合金搅拌摩擦点焊FSpW 的可行性、影响因素、焊接性能以及接头断裂机理等方面的研究进行归纳总结，在对国内外已有的研究现状和存在的问题进行相应分析的基础上，对CFRP 与铝合金FSpW 研究中亟待解决的问题和发展趋势提出了预测和展望。

2CFRP 与铝合金的搅拌摩擦点焊可行性

　　碳纤维增强复合材料分为热固性和热塑性。焊接方法只限于热塑性碳纤维增强复合材料。热固性碳纤维增强复合材料无法通过焊接的方法与金属连接。

　　南昌航空航天大学谢一鸣等人用直插式搅拌摩擦点焊方法对短碳纤维增强聚醚醚酮（CF-PEEK）与铝合金进行了焊接试验。CF-PEEK 与铝合金进行搅拌摩擦焊对接试验表明，未能得到成形良好、实现有效连接的接头。与铝合金进行搅拌摩擦焊搭接试验表明，当铝合金为下板时，接头成形较差，未能得到有效连接；当铝合金为上板时，能够得到成形美观，形成有效连接的搭接接头。

　　德国HZG（原GKSS）研究中心在回填式搅拌摩擦电焊的基础上发明了可用于焊接轻金属合金和复合材料的工艺方法，实现MgAZ31、AA2024或AA6181和玻璃或者碳纤维增强热塑性复合材料的搭接点连接。

　　以下研究所用铝合金为2 mm 厚的A2024-T3板，主要理化性质如表1 所示。CFRP 板为2.17 mm厚的碳纤维增强聚苯硫醚（CF-PPS）板，主要理化性质如表2 所示。

3焊接过程中的温度变化

　　FSpW 焊接过程中的温度变化可用红外照相机进行监测，如图1 所示（焊接参数：转速1 900 r/min；压入深度0.8 mm；时间4 s；压力0.2 MPa）。黑色框内为热成像范围，其中峰值温度定义为焊接温度。

　　FSpW 过程中温度的变化如图2 所示，焊接过程中（焊接参数L：转速1900r/min， 0.8mm，4 s，0.2 MPa；焊接参数H：2 900 r/min，0.8 mm，4 s，0.3 MPa）铝板表面最高温度先快速上升到达峰值，后缓慢下降。FSpW 焊接温度应低于金属的熔点，低于CFRP 基体的热降解温度，而高于CFRP 基体的熔点。

　　虽然用红外照相机可以监测FSpW 焊接过程中的温度变化，但受周围环境影响较大，导致监测精度不够高。可考虑采用热电偶进行监测，但需要对试样进行特别的设计。

4工艺参数对焊点大小和力学性能的影响

　　FSpW 主要有四个工艺参数：焊接压力（Joining Pressure，JP），转速（Rotational Speed，RS），套筒压入深度（Plunge Depth，PD），焊接搅拌时间（Joining Time，JT）。

　　Goushegir SM 等人采用DOE 实验设计方法，研究焊接压力（JP）、转速（RS）、套筒压入深度（PD）、焊接时间（JT）对PDZ 区大小和接头力学性能的影响。

　　4.1 工艺参数对PDZ 区大小的影响

　　主要工艺参数对PDZ 区大小的影响如图3 所示。在图3中，斜率越大，影响越大。RS，JT 和JP 对PDZ区域大小影响显著；而PD 的影响微不足道。PDZ区域的大小与热输入相关。FSpW 和FSSW 的工艺类似，可以用FSSW 的热输入模型来解释:

　　式中Q为接合过程中产生的热量；M为扭矩（单位：N·m）；ω为转速（单位：Arc/s）；Δt 是焊接时间；n为实验次数。从方程可知，RS和JT与热输入成正比。

　　PDZ区域的大小还与PPS熔融层流动性和粘性有关。PPS熔融层流动性除了与RS 相关，还与JP相关，JP越大，流动性越大。在旋转焊接和超声振动焊接热塑性材料研究中也有同样的结论，焊接压力增大导致流动性增大。而JP 降低会导致流动性降低，熔融层的散热加快，粘性增大。当PPS 粘度增大，高粘度的熔融层中的空气无法逃脱，导致TZ区变大而PDZ 区域变小。

　　因此，JP越大，PPS熔融层流动性越大且粘性越小，TZ区越小，PDZ区越大。

　　4.2 工艺参数对焊点力学性能的影响

　　RS，PD 和JP 与接头的拉剪强度（ULSF）成正相关，而JT 与ULSF 成负相关，如图4 所示。对比图3 和图4 可知，RS 和JP 与PDZ 和ULSF 都成正相关，而JT 与PDZ 成正相关，与ULSF 成负相关。PD对PDZ 基本无影响，而对ULSF 影响很大。

　　RS 与ULSF 成正相关。RS 增加，焊接的热输入增大，PDZ 区增大。因为PDZ 区是焊点中强度最高的区域，因此RS 增加，焊点ULSF 增大。

　　Esteves 等人在CFRP 与铝合金6181 的FSpW研究中发现，接头的拉剪强度随RS 的增加而增加，直到RS 达到一个临界值时开始下降。这是因为RS值过大时，铝合金出现滑移现象，导致了接头强度降低。

　　JT 与PDZ 成正相关，与ULSF 成负相关。用FSSW的热输入模型可以解释JT 与PDZ 成正相关。而JT 与ULSF 成负相关的解释尚未有文献给出，有待进一步研究。

　　JP 与ULSF 成正相关。上一节分析到，JP 越大，PPS 熔融层流动性越大且粘性越小，TZ 区越小，PDZ 区越大，ULSF 因此也越大。还有一个解释，JP越大，有利于熔融层填充铝表面的孔隙，增加了机械连锁，ULSF 增大。

　　PD 对ULSF 的影响也很大。PD 主要影响金属结的形状，而金属结与金属和CFRP 之间的宏观机械连锁相关，从而影响接头ULSF 的大小。

　　通过DOE 实验可以比较全面地研究各工艺参数对焊点大小和力学性能的影响，并找出最佳参数。但对于不同材料，最佳参数应该不同。可进一步采用模拟实验方法，建立数值模型研究不同材料FSpW的最佳参数。

5接头连接机理、失效分析和断裂机理

　　5.1 连接机理

　　由于金属和CFRP 的理化性能差异巨大，FSpW接头处金属和CFRP 无法形成混合物，如图5 所示。

　　CFRP 与铝合金FSpW 接头形成机理主要有两方面因素，分别是机械嵌合和粘附力。在搅拌头旋转产生摩擦热和机械力的作用下，金属变成塑性流动状态，冷却后形成金属结，微微嵌入CFRP 中，形成宏观的机械嵌合。同时，CFRP 受热熔化，在压力下凝固，在金属和CFRP 之间形成粘附力。

　　CFRP 与铝合金FSpW 接头可分为三个区（见图6）：粘附区Adhesion Zone（AZ）、过渡区TransitionZone（TZ）和塑性变形区Plastically Deformed Zone（PDZ）。PDZ 区是焊点中强度最高的区域，相比PDZ区，AZ 和TZ 区的粘附力和机械嵌合要弱得多。

　　5.2 失效分析

　　如图7 所示，FSpW 接头断裂属于界面内聚混合断裂模式（mixed adhesive-cohesive failure），和金属与CFRP 感应焊接和超声焊接接头断裂模式相同。

　　裂纹在粘附区外围（AZ）萌生，随后扩展到过渡区（TZ）和塑性变形区（PDZ）。AZ 区为界面处断裂，TZ 区会为混合断裂，PDZ 区为内聚断裂。

　　一个典型的FSpW 接头载荷-位移曲线如图8所示。FSpW 接头拉伸变形呈弹性行为，曲线可分为四个区域。

　　区域1显示了一个高刚度的线性弹性行为。本区时间较短，结束时径向裂纹在AZ 的外围萌生。

　　区域2对应的是径向裂纹扩展到TZ区，这时AZ区已经彻底断裂。由于裂纹扩展和AZ 断裂，区域2刚度低于区域1。

　　区域3包括裂纹从TZ区扩展PDZ区。在该区域，接头受二次弯曲现象的影响（secondary bending phenomenon）。Olmedo 等人也发现复合材料的螺栓单搭接接头的刚度同样受二次弯曲现象的影响很大。

　　区域4 接头完全断裂，拉剪力急速下降。

　　5.3 断裂机理

　　扫描电镜拍摄的FSpW 接头断口界面形貌如图9 所示。铝侧和CFRP 侧的AZ 区（见图9a 和9b）都非常光滑，CFRP 的碳纤维矩阵无任何变形，类似于脆性断裂。铝侧的TZ 区（见图9c）有一些CFRP基体残留。CFRP 侧的TZ 区（见图9d）由细长的纤维状区域（见图9e）和平滑的脉型区域（见图9f）组成，既有韧性又有脆性断裂，属于混合断裂。

　　FSpW 接头断裂界面PDZ 区微观形貌如图10所示。接头断裂后，CFRP 中部分基体和碳纤维残留在铝板表面（见图10a），CFRP 基体发生塑性变形甚至撕裂（见图10b）。CFRP 板中一些纤维断裂并被拔出（见图10c），产生纤维-基体脱粘现象（见图10d）。这些特征表明PDZ 区为韧性断裂。

　　金属复合FSpW 接头失效的微观机理表现出韧性和脆性断裂的混合断裂模式，但整体破坏行为更多地受脆性断裂影响。

6改善FSpW 接头性能的方法

　　6.1 表面处理

　　FSpW 接头形成的主要机理是机械嵌合和粘附作用，因此金属表面的结构、形貌、化学成分和组织形态等方面的变化均会对接头性能产生较大的影响。表面处理就是使用一种或者联合使用多种方法来改变材料表面形貌、物理结构、化学性质等，以改善材料的表面状况。

　　Goushegir S M 等人使用磷酸阳极氧化法和转化膜法对铝合金进行表面预处理，并利用XPS 方法分析研究CFRP 与AA2024 铝合金FSpW 接头的界面。

　　图11a 是未处理的铝板表面的XPS 光谱图，其中铝和氧的含量很高，是因为铝表面的氧化铝，此外，铝板表面也有一些铜和镁。

　　图11b 是CC 处理的铝板表面的XPS 光谱图。与未处理的铝相比，CC 处理的铝板表面含有更多的元素如F，Zr，B 和P 等。转化膜层很薄，大概只有几纳米厚度。Chidambaram等人研究发现铝板表面形成一层低界面张力的Al-Zr-O-F 复合物层，提高了铝表面的活化和润湿性，有利于增强和熔融PPS 层之间的粘附力。

　　图11c 表明铝板表面经过PAA 处理试样获得的谱图。除了Cu，Mg 和氧化铝，铝的表面上还存在P 元素，P 元素以纳米AlPO4 层的形式存在铝板表面上，提高了铝的耐腐蚀性。

　　XPS 分析接头铝侧的断裂表面，接头粘附力主要是由Al-C 键产生。经过CC 预处理的铝板表面存在其他元素，可与C 形成化学键，如C-Zr 键。

　　Goushegir S M 等人还对比研究了不同表面处理方法对FSpW 接头的力学性能的影响，如图12所示。MG 和SB 属于机械预处理，AP 和CC 属于化学预处理，SAA 和PAA 属于电化学预处理，PAA-P属于电化学预处理后再底涂。SB 和PAA 改变了铝合金板表面的形貌，增强了接头的微观机械嵌合。CC 和PAA-P 改变了铝合金板表面的化学成分，增强了接头的粘附力。PAA-P 预处理后，铝表面底涂层中的碳与复合材料中的碳形成碳碳键，大大提高了接头的强度。

　　上述研究已证明对铝板表面处理能够提高接头强度，但未涉及对CFRP 板表面处理，是否可以提高接头强度有待进一步研究。

　　6.2 附加中间层

　　André N M 等人在铝合金2024-T3 和CF-PPS板之间附加PPS 中间层进行搅拌摩擦点焊，研究了接头的微观结构、机械强度和失效机理。接头断裂界面形貌如图13 所示，在铝板表面PDZ 区有碳纤维和CFRP 基体存在（见图13a），在CFRP 板AZ 区有大量的中间层残留（见图13b），在中间层中有碳纤维和CFRP 基体的存在（见图13c）。具有中间层的接头拉剪强度比没有中间层接头的强度提高了55%，疲劳寿命提高了3倍。这是因为中间层的存在一方面大大提高了接头的粘附面积，使得应力分布均匀；另一方面，中间层和铝板、中间层和CFRP板之间形成了微观机械嵌合，显著提高了接头强度。

7搅拌摩擦点焊与其他焊接方法比较

　　接头的拉剪强度是评价接头力学性能的重要指标。图14总结了现有文献中采用不同焊接方法焊接碳纤维增强复合材料与金属的接头拉剪强度，表3为具体的被焊材料、表面处理方法、工艺参数和力学测试方法。

8结论与展望

　　在航空航天、汽车等领域中实现碳纤维增强复合材料与铝合金的有效焊接需求越来越强。FSpW是一种新型的可用于焊接金属与复合材料的固态焊接方法，国外学者已经验证了碳纤维增强复合材料与铝合金FSpW 的可行性。FSpW 主要工艺参数包括焊接压力、转速、套筒压入深度、焊接搅拌时间。焊点的断裂界面可分为三个区：粘附区、过渡区和塑性变形区。接头焊接机理主要包括粘附力和机械嵌合。对铝合金板进行表面处理和添加中间层可以提高接头的强度。但是目前研究的碳纤维增强复合材料种类太少，接头强度还达不到实际生产应用的水平。

　　为了拓展FSpW 在碳纤维增强复合材料与铝合金焊接中的应用，未来仍需要深入、系统地开展以下方面研究：（1）采用数值模拟方法，预测FSpW 接头的疲劳裂纹扩展模式、温度分布、抗剪强度和热量输入，优化FSpW的工艺参数。（2）不同表面处理方法（激光预处理、等离子预处理、底涂等）和中间层对接头性能的影响。（3）混合焊接（FSpW+胶接，FSpW+超声等）可行性及焊接性能和机理。（4）研究FSpW与机器人相结合的技术，开发出灵活、多用、可靠的FSpW 设备，以便将FSpW 技术更好地应用于工业生产中。

来源：期刊-电焊机