无锡不锈钢与碳纤维增强塑料的激光焊接

由于碳纤维增强塑料（CFRP）具有很高的强度对重量比（strength-to-weight ratio）、出色的抗腐蚀性能和优良的疲劳性能，因而受到了极大的关注，上述特点让这种材料适合用在飞机、汽车和其他产品中。汽车工业对热塑性碳纤维增强塑料尤其感兴趣，因为它有望缩短生产时间。

　　将塑料或碳纤维增强塑料与金属接合在一起，通常需要使用胶粘剂或螺栓、铆钉等机械工具。然而，这些接合工艺有几种不足之处，如挥发性有机化合物（VOC）排放的环境限制、粘合时间较长，螺钉或铆钉也会增加重量。因此，Seiji Katayama教授带领团队开发出激光辅助直接焊接金属和塑料（LAMP）的技术。通过使用连续波（CW）Nd：YAG激光器、半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器等，该技术能迅速而牢固地将诸如钢、无锡不锈钢、铝合金在内的金属与工程热塑性塑料（例如聚酰胺PA、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC）接合起来。

　　LAMP焊接技术可以牢固地将碳纤维增强塑料片材和304不锈钢板焊接在一起，其中使用CW碟片激光器在金属上生成不焊透焊缝。图1显示了聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纤维增强塑料片材与304不锈钢板之间的激光搭接接头在做拉伸剪切试验前、后的情况。其中，碳纤维增强塑料片材厚度为3mm、宽度为20mm，具有较长的碳纤维，无锡不锈钢板厚度为3mm、宽度为30mm。横截面的照片（见图1中的插图）显示了不锈钢中浅层小孔形成的激光焊道。此外，熔化区广泛分布在碳纤维增强塑料片材中靠近接合面的区域。在图1b中，我们可以观察到黑色的碳纤维增强塑料片材粘结在304不锈钢板的底表面。特别是，粘结的碳纤维增强塑料部分主要根据激光焊道下的无锡不锈钢板而识别出来。在碳纤维增强塑料片材的接合面中也能看到不锈钢的部分。上述事实表明形成牢固的焊接接头是可行的。

　　图2显示了在不同碟片激光辐照条件下对接头进行拉伸剪切试验的结果。结果表明，接头的最大拉伸剪切负荷（强度）约为4800N（20mm宽的碳纤维增强塑料），这一结果是在功率为2kW和5mm/s的试验速度的情况下得出，高于碳纤维增强塑料板的拉伸剪切负荷的一半。30mm宽、3mm厚的PA塑料片材与304不锈钢板之间接头的拉伸剪切负荷最大约为3400N。从中我们可以判断，20mm宽的碳纤维增强塑料和304不锈钢板之间接头的最大负荷要远高于30mm宽的PA塑料片材与钢板间的接头。因此，通过在具有更长碳纤维的聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纤维增强塑料片材和304不锈钢板之间形成搭接接头，可以得到最高的负荷。

　　图3为碳纤维增强塑料片材和304不锈钢板之间接头接合面的扫描电子显微镜（SEM）照片。许多亚毫米大小的气泡不规则地分布在碳纤维周围的塑料基体中，这是由激光焊接过程中溶池的高温引起的热传导造成的。据证实，碳纤维增强塑料中气泡的几何特征主要取决于塑料和碳纤维的叠合形状，以及传导热量的水平和碳纤维的长度。据悉，与普通塑料相比，碳纤维增强塑料中更容易形成气泡。对普通塑料来说，气泡只形成在界面附近；而在碳纤维增强塑料中，由于纤维表面与基体之间的不稳定以及碳纤维具有较高的热导率，所以气泡广泛分布在塑料基体中。

　　图4是接头界面附近的透射电子显微镜（TEM）照片，从PA基体、不锈钢上的氧化膜、不锈钢基体中分别选取典型的点来进行透射电镜能谱分析（TEM-EDS）。我们可以观察到，碳纤维增强塑料从原子或分子尺度上被连接在304不锈钢的10纳米厚的铬铁（Cr-Fe）氧化层上。这表明，化学键合和物理（范德华力）粘结的可能性很高。因此，碳纤维增强塑料和304不锈钢能被牢固地接合在一起形成强而有力的接头。

　　进一步地，在7×10^-6帕的高压下，从碳纤维增强塑料片材向不锈钢板钻一个2mm的孔，并测量钻孔过程中挥发气体的压力水平和质谱，再通过Q-质谱仪来分析气泡中的气体成分。结果表明，气泡内的气体成分为氮气、氢气和碳纤维增强塑料的PA基体裂解产生的烃类气体。由于裂解后产生气泡并迅速扩张，高压迫使熔化的塑料进行移动并流入金属表面的坡口或晶界。从所有试验中我们可以推断出接合机制（见图5），即，碳纤维增强塑料复合材料与不锈钢直接接合，是通过化学或物理地粘结熔化的塑料和覆盖在不锈钢上的氧化膜来实现的，此外还要考虑塑料流动到坡口或晶界而引起的机械锚固效应。

　　这种激光焊接碳纤维增强塑料和金属的技术预计将在行业内得到应用。这种方法也成功用于焊接碳纤维增强塑料和铝合金或带有锌涂层的钢，并且它被证实能形成强而有力的接合。