纤维增强树脂基复合材料/金属异质结构激光连接技术及机理

The key problems remain weld thermal cyle, physical/chemical properties of fiber reinforced resin matrix composites (FRP) and interface properties for joining FRP and metals. The thermal injury to FRP by weld heat cycle and the interface connection mechanism between FRP and metal are studied. The thermal injury is controlled by using heat-precisely-adjustable laser power source; the micro properties of dissimilar interfaces is adjusted by surface activation technologies like laser texture, surface modification and intermediate lay in order to promote the physical and chemical bond of interface connection; finally, the reliable joint between FRP and metal is achieved. With utilizing methods such as interface and fracture micro analysis, mechanics property analysis, temperature field simulation, additional pressure and cooling device, etc.,the effect of characteristic of FRP matrix and reinforced phase, chemical composition and crystal structure of metals, interface status, laser processing parameters, stress distribution on the joint properties are focused. Both joining mechanism and failure mechanism of FRP-metal dissimilar joint are understood in this research, which provides the theoretical basis and responding technologies to join FRP and metals, thus, exhibits important scientific significance and engineering value for expanding the application of advanced FRP materials.

焊接热循环、纤维增强树脂基复合材料（FRP）的物化特性以及界面状态是决定FRP和金属异质结构连接性能的核心问题。本项目针对焊接热循环对FRP损伤机制以及FRP与金属界面连接机理进行研究，通过采用可精确调控的激光热源减小热损伤；通过采用激光毛化、表面改性、添加中间层等界面活化技术调节异质结构连接界面的微观状态，促进界面的物理连接及化学键合，最终实现FRP与金属的可靠连接。采用界面和断口微观分析、力学性能分析、温度场数值模拟、附加加压和冷却装置等手段，重点研究FRP基体及其增强相特性、金属化学成分及晶体结构、FRP与金属的界面状态、激光焊接工艺参数、应力分布状态等对接头性能的影响规律，明晰FRP与金属异质接头的连接机理以及失效机制，为FRP与金属的异质连接提供理论依据和相应的技术手段，对扩展FRP的应用具有重要的科学意义和工程应用价值。

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料（CFRP）与金属异质结构的连接强度远未达到工业应用水平。连接界面结合强度低和树脂基体热损伤是亟待解决的关键科学问题。. 系统研究了CFRP与低碳钢、铝合金激光连接界面的结合行为和增强原理，提出了增强策略并验证了可行性。低碳钢、铝合金与CFRP直接连接界面存在机械结合和物理结合，不存在化学键合。通过化学热力学计算与实验研究，获得了化学键合热力学条件，即金属与CFRP中标准状态的O发生反应的吉布斯函变小于-116.15kcal/mol。据此提出了利用Cr作为过渡层的界面增强策略，揭示了连接界面增强原理，即Cr与PA6中的活性官能团酰胺键中的C=O形成Cr-O-C化学键。提出了铝合金阳极氧化预处理工艺策略，形成的多孔纳米结构氧化铝，有利于连接界面处形成Al-O-C化学键合，显著提高接头强度。采用紫外线辐照方法在CFRP接枝上含有C=C、COOH官能团的丙烯酸单体，极大地增强了界面结合强度。. 深入分析了CFRP与低碳钢激光连接时CFRP的热损伤规律及机理，提出了防止策略。CFRP中产生三种典型热损伤缺陷是热烧蚀、气孔及缩孔。CFRP发生交联和水解生成CO2、NH3、CH2基团、H2O等气体，导致气孔；碳钢导热系数大于CFRP，连接界面附近的CFRP先凝固，远离连接界面的CFRP后凝固，形成了难以补缩的毛细通道和热节，导致缩孔。CFRP热分解、残炭氧化及碳纤维氧化导致热烧蚀。提出了通过控制热参数抑制热烧蚀和气孔的技术策略，通过高速激光毛化微凸起调控CFRP凝固顺序或者采用随焊局部加压补偿CFRP熔体收缩和凝固收缩抑制缩孔缺陷的技术策略。. 设计并实现了“低碳钢表面镀铬后随焊局部加压激光连接”及“低碳钢表面高速激光毛化后镀铬再进行激光连接”两种具有实用价值的激光连接新工艺方法，系统研究了工艺控制原则。两种方法均显著提高了连接界面结合强度并有效抑制了CFRP热损伤，剪切强度分别达到34.3MPa和37.5MPa，与工业应用水平相当。针对铝合金，设计并实现了“阳极氧化后的铝合金和改性后的CFRP进行激光连接”的激光连接工艺新方法，最大剪切强度可达48MPa，超过了工业应用水平要求。