本發(fā)明涉及金屬和非金屬?gòu)?fù)合材料激光連接，尤其是涉及一種提升金屬與cfrp激光焊接接頭耐老化性能的方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料(cfrp)具有高比強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)異性能，是重要的新型輕量化材料，已在汽車(chē)、飛機(jī)、航天器、建筑、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域的先進(jìn)制造逐漸實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)件的某些部位中使用cfrp替代傳統(tǒng)材料能夠使結(jié)構(gòu)在保持較高性能的同時(shí)降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，減少能源消耗和成本。

2、由于cfrp在承受復(fù)雜、巨大、多變載荷時(shí)易發(fā)生剛度降低及其自身的高昂成本問(wèn)題，目前仍采用與金屬材料結(jié)合構(gòu)成多材料結(jié)構(gòu)的方式。隨之而來(lái)的是如何實(shí)現(xiàn)cfrp和金屬材料之間高強(qiáng)連接的新問(wèn)題。激光焊接具有工藝簡(jiǎn)單、效率高、非破壞性等優(yōu)勢(shì)，但是金屬與cfrp的熔點(diǎn)及組織特性差異較大，同時(shí)接頭界面的微觀(guān)組織和材料特性存在極大過(guò)渡，這是目前實(shí)現(xiàn)兩種材料焊接結(jié)合的難點(diǎn)，同時(shí)對(duì)老化環(huán)境下界面結(jié)合的可靠性是巨大的考驗(yàn)?，F(xiàn)有強(qiáng)化金屬/cfrp接頭連接的方法主要是通過(guò)對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理得到凹凸不平的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，并在焊接過(guò)程中對(duì)接頭施加壓力，使得接頭界面附近的cfrp熔融樹(shù)脂滲入金屬側(cè)的微結(jié)構(gòu)中，形成機(jī)械錨固結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高接頭強(qiáng)度。但上述方法仍然存在局限性。例如，熔融樹(shù)脂的量可能不足以完全填充金屬表面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，造成微結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在孔隙，這些孔隙不僅降低了實(shí)際的界面結(jié)合面積，還將引起應(yīng)力集中。通過(guò)在連接界面添加樹(shù)脂夾層能夠有效增加界面處樹(shù)脂的量，有利于促進(jìn)樹(shù)脂填滿(mǎn)金屬表面微結(jié)構(gòu)從而抑制孔隙的形成，但接頭強(qiáng)度仍然受到cfrp樹(shù)脂基體強(qiáng)度的限制，因?yàn)樵诮宇^負(fù)載情況下，滲入到金屬表面微結(jié)構(gòu)中的樹(shù)脂作為應(yīng)力集中點(diǎn)，也是接頭最薄弱的部分，接頭容易在此處斷裂。此外激光焊接過(guò)程中需要待界面處熔化的cfrp冷卻到凝固溫度以下來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者結(jié)合，在焊接過(guò)程中界面溫度場(chǎng)分布與溫度瞬態(tài)變化較復(fù)雜，使得界面結(jié)合力存在不均勻性，不均勻的界面結(jié)合力對(duì)接頭的老化穩(wěn)定性將產(chǎn)生一定影響。

3、因此，需要一種能夠突破這種限制的方法，有效提高金屬/cfrp的連接強(qiáng)度，提高長(zhǎng)期工程應(yīng)用條件下金屬/cfrp接頭的力學(xué)可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的問(wèn)題針對(duì)金屬與cfrp的熔點(diǎn)及組織特性差異較大，同時(shí)接頭界面的微觀(guān)組織和材料特性存在極大過(guò)渡的特性，現(xiàn)有強(qiáng)化金屬/cfrp焊接接頭連接的方法仍然存在局限性，如在接頭負(fù)載情況下，滲入到金屬表面微結(jié)構(gòu)中的樹(shù)脂作為應(yīng)力集中點(diǎn)，也是接頭最薄弱的部分，接頭容易在此處斷裂；在焊接過(guò)程中界面溫度場(chǎng)分布與溫度瞬態(tài)變化較復(fù)雜，使得界面結(jié)合力存在不均勻性，影響接頭的老化穩(wěn)定性。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本技術(shù)一方面提供了一種提升金屬與cfrp激光焊接接頭耐老化性能的方法，包括下列步驟：

3、s1:預(yù)處理金屬板材：采用線(xiàn)切割機(jī)器將金屬板材切割成與cfrp板材規(guī)格一致的金屬板試樣，并在金屬板試樣的寬度邊緣加工一個(gè)孔洞，然后打磨平整金屬板試樣，超聲清洗，吹干，裝袋備用；

4、s2:微弧氧化：配置微弧氧化電解液，對(duì)金屬板試樣在恒壓模式下進(jìn)行微弧氧化，微弧氧化結(jié)束后將金屬板試樣先用去離子水清洗，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行超聲清洗，最后使用吹風(fēng)機(jī)干燥后裝袋備用；

5、s3:搭接：將金屬板試樣放置于cfrp板材上，金屬板試樣無(wú)打孔一側(cè)與cfrp板材進(jìn)行搭接，形成搭接區(qū)域，搭接區(qū)域兩側(cè)采用夾具裝置進(jìn)行固定；

6、s4:激光焊接：調(diào)整激光器光斑位置，保證光斑中心與搭接區(qū)域的中心線(xiàn)在同一軸線(xiàn)上，設(shè)定激光焊接工藝參數(shù)，將金屬板試樣與cfrp板材焊接連接在一起；

7、s5:焊接結(jié)束后，將工件置于室溫條件下冷卻到50℃以下進(jìn)行卸載，形成金屬板試樣與cfrp板材的焊接接頭。

8、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，金屬板材選自鈦合金、不銹鋼、鋁合金、鎂合金中的至少一種，金屬板材厚度為1-5mm；cfrp板材為20％?t300碳纖維增強(qiáng)pa6樹(shù)脂。

9、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，步驟s2包括以下具體步驟：

10、s21:將80g硅酸鈉、4g氟化鈉、8g氫氧化鈉和8l去離子水加入不銹鋼桶中，利用玻璃棒攪拌均勻至全部溶解無(wú)沉淀物，隨后靜置1h待電解液穩(wěn)定；

11、s22:電解工藝參數(shù)設(shè)定為脈沖頻率100hz、占空比20％、電壓460v、時(shí)間10min，工作時(shí)電解液溫度保持在40℃以下；

12、s23:金屬板試樣浸入電解液中并由夾持裝置固定，金屬板試樣作為陽(yáng)極通過(guò)鋁線(xiàn)與微弧氧化電源正極連接，不銹鋼桶作為陰極連接微弧氧化電源負(fù)極，通電后在金屬板試樣表面形成陶瓷氧化膜；

13、s24:氧化結(jié)束后，將金屬板試樣取出，用去離子水清洗，再用無(wú)水乙醇超聲清洗3min，最后使用吹風(fēng)機(jī)干燥后裝袋備用。

14、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，鋁線(xiàn)采用熱塑管包裹，鋁線(xiàn)穿過(guò)孔洞與金屬板試樣連接，鋁線(xiàn)的粗細(xì)與孔洞直徑相適配。

15、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，不銹鋼桶設(shè)有夾層，夾層通過(guò)水泵連通冷卻水池。

16、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，步驟s3中，金屬板試樣的尺寸為長(zhǎng)75mm、寬30mm、厚2mm，cfrp板材的尺寸為長(zhǎng)75mm、寬30mm、厚3mm，搭接區(qū)域尺寸面積為30mm×30mm。

17、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，步驟s4中激光焊接工藝參數(shù)為：離焦0mm，偏轉(zhuǎn)2mm，速度2mm/s，功率320w-640w。

18、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，步驟s1具體包括步驟：將切割好的金屬板試樣表面使用320#-2000#的sic砂紙打磨平整，去除表面缺陷，隨后使用無(wú)水乙醇超聲清洗3min，最后吹干試樣并裝袋備用。

19、根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，夾具裝置包括固定板，固定板包括中部橫向凹槽和凹槽上下側(cè)的凸起部，凹槽的上方假設(shè)有一對(duì)縱向相平行的壓桿，壓桿的兩端分別可滑動(dòng)地安裝在凸起部設(shè)有的滑槽中；凹槽的寬度與金屬試樣板、cfrp板材的寬度相適配；金屬試樣板和cfrp板材上下搭接并置放在凹槽中，一對(duì)壓板分別滑動(dòng)至搭接區(qū)域的兩側(cè)，對(duì)搭接區(qū)域進(jìn)行固定，壓桿的高度與搭接區(qū)域的高度相適配。

20、本技術(shù)的另一方面公開(kāi)了如上所述的一種提升金屬與cfrp激光焊接接頭耐老化性能的方法在制備金屬和非金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用。

21、本發(fā)明技術(shù)方案相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

22、1.本技術(shù)的方法包括對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理過(guò)后的金屬進(jìn)行微弧氧化處理，使其表面形成一層致密的陶瓷氧化膜，而后將微弧氧化過(guò)后的金屬單搭接在cfrp上用激光進(jìn)行加熱使金屬與cfrp連接。而后進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，微弧氧化后的金屬與cfrp接頭耐老化性能顯著提升，因?yàn)槲⒒⊙趸男越缑嬗捎谔沾蓪拥臒嵴献饔?，顯著細(xì)化了焊接時(shí)的峰值溫度，cfrp熔化層的寬深比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)改性界面，最終獲得較為均勻的界面結(jié)合強(qiáng)度分布，接頭力學(xué)穩(wěn)定性較好，同時(shí)微弧氧化界面的機(jī)械鎖合增強(qiáng)作用與化學(xué)鍵增強(qiáng)，可以在微尺度上抑制界面的老化脫落擴(kuò)展，在老化環(huán)境中可以較為有效地抵抗快速溫變所引起的界面失效。

23、2.本技術(shù)的金屬板材進(jìn)行微弧氧化處理，使其表面形成一層致密的氧化膜，不受金屬表面微織構(gòu)尺寸和深度影響，即便是低熱輸入下，該工藝依舊可以避免焊后空氣缺陷問(wèn)題。

24、3.采用壓桿固定搭接區(qū)域，從壓力影響界面熱傳導(dǎo)的角度，接觸壓力的增加能夠提升界面?zhèn)鳠幔梢源龠M(jìn)熔融層與金屬表面物理粘附力，促進(jìn)殘留空氣排出，改善界面應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)一步提升結(jié)合強(qiáng)度。