基于FSW原理的金属/聚合物连接工艺及发展*

2022-05-24朱善清韩梦洁高吉成

机械工程与自动化 2022年2期

朱善清，韩梦洁，高吉成

(扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127)

0 引言

随着新型制造业的迅速崛起，节能减排、绿色环保的发展理念受到越来越多的重视。工程轻量化是实现绿色制造的重要手段之一，如在汽车制造业，当车身重量减轻100 kg时，CO2排放量可以降低8.5 g/km[1]。同时工程轻量化还会带来一定的经济效益，如地面车辆的经济效益为2.5 $/kg，波音747的经济效益为450 $/kg，航天飞机的经济效益可达30 000 $/kg[2]。

金属/聚合物复合结构的设计可为工程轻量化提供新的思路，但是金属与聚合物材料在物理化学性质方面的巨大差异使其连接依然是一个难题。金属/聚合物的连接形式有机械连接、胶接和焊接。机械连接如螺栓连接或铆接通常存在应力集中和容易松动等问题；胶接工艺较复杂、加工周期长且接头抗疲劳等动态性能较差；焊接是一种高效的连接技术，但是传统焊接工艺很难实现两者的高效连接。近年来，搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding, FSW)技术在金属与聚合物异种材料连接方面越来越受到重视[3，4]。FSW过程中，摩擦热可以软化焊接界面的材料，焊接过程中轴肩的顶锻力也可以将聚酰亚胺受热产生的气泡挤出，同时塑性变形可以增加金属与聚合物的机械咬合作用。基于此，本文结合连接机理对FSW技术用于金属/聚合物复合结构设计的现状进行了分析并展望。

1 机械互锁连接机制

国内最早将FSW技术用于金属/聚合物连接的是李建萍等[5-7]，研究发现FSW技术可以使得金属变为塑性流动状态，冷却后嵌入聚合物中，且聚合物受热后在压力作用下与金属之间会产生粘附力。王希靖等[8]利用搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding, FSSW)技术对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料与6082-T6铝合金连接时发现在焊接界面处存在犬牙交错的焊接结构。耿正等[9]通过在碳纤维增强复合材料与铝合金FSSW研究中发现连接机制为机械嵌合。陈科等[10]利用摩擦点焊成功将TC4多孔钛合金与超高分子量聚乙烯连接在一起，并指出钛合金的多孔结构是形成高强度界面粘结的关键因素。Sun等[11]在连接铝合金与聚碳酸酯时通过添加热源提高了两种材料在焊接区域的流动性，从而提高了接头的性能。在国外，Yusof等[12]对A5052铝合金与聚对苯二甲酸乙二醇酯焊接机理进行了研究，实验表明熔融的聚合物可以在界面处形成良好的机械咬合。Liu等[13]通过FSW技术连接AA6061铝合金和聚酰胺6时发现聚合物熔化层的厚度与R2/v(R为旋转速度，v为焊接速度)呈线性关系。Ratanathavorn等[14]利用FSW技术对AA6111铝合金和聚苯硫醚焊接时发现接头的连接机制为机械互锁，其连接机理如图1所示。Ogawa等[15]通过FSSW技术连接了AA5082铝合金与碳纤维增强聚丙烯复合材料，研究表明增加焊接时间可以增大焊接面积和熔化树脂的体积，从而提高接头的疲劳强度。MirHashemi等[16]在低密度聚乙烯一侧添加SiC颗粒，在后续与铝合金FSW过程中，SiC颗粒被引入焊核中，从而提高了接头的性能。

图1 金属/聚合物连接机理示意图

金属/聚合物FSW过程中，通过设计新型搅拌工具或改变焊接结构可以增加焊接过程中金属与聚合物的接触面积，从而提高焊接性能。Upadhyay等[17]首次将搅拌摩擦划线技术用于AA5182铝合金与聚酰胺66和高密度聚乙烯的焊接实验，研究发现在焊接界面可以产生类似于铆接的机械互锁结构。Pabandi等[18]通过螺纹孔摩擦点焊成功焊接了AA5052铝合金与碳纤维增强聚丙烯复合材料，整个焊接过程如图2所示，焊接过程中熔融的聚合物完全填充至螺纹孔内，螺纹孔与聚合物的机械互锁是主要连接形式。Rana等[19]对AA5052-H32/高密度聚乙烯/AA5052-H32夹芯板焊接时发现结构中出现两个“HOOK”，而双金属板中只有一个。Patel等[20]对AA6061铝合金和聚碳酸酯的FSW研究表明机械互锁是主要连接形式。Wang等[21]首先在铝合金表面通过激光烧结设计了微织构，然后通过FSW技术实现了AA6061铝合金与聚酰胺6的连接，研究发现连接机制为机械连锁与C-O-Al化学键的形成。Gagliardi等[22]通过在纯铝板与聚醚醚酮形成互锁结构提高了金属/聚合物复合结构的性能。Wang等[23]首先在纤维增强聚合物复合材料表面打孔植入AZ31镁合金锁扣，然后通过FSW技术实现了镁合金与聚合物复合材料的连接。

图2 金属/聚合物焊接过程示意图

2 物理/化学键合连接机制

FSW过程中，由于塑性变形严重，在热和压力的作用下，焊接界面处会形成物理或化学键。Shahmiri等[24]通过FSW连接AA5052铝合金与聚丙烯时发现在界面处存在主要元素为C、O、Al的交互层。Khodabakhshi等[25]在AA5059铝合金与聚丙烯FSW研究的基础上提出了界面化学反应连接机制，即界面处聚合物中嵌入了铝合金组织。2018年，中国科学院金属研究所的吴利辉等[26，27]首次报道了摩擦搭接技术用于Cu与碳纤维增强塑料(Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastic, CFRTP)的连接实验，并指出接头强度的提升主要源于铜表面的Cu2O与酰胺基团形成的氢键。哈尔滨工业大学的黄永宪等[28-30]研究了搅拌摩擦搭接用于6061-T6铝合金与聚醚醚酮以及2060-T8铝合金与碳纤维增强聚醚醚酮连接的可行性，并提出了聚合物与金属形性共控FSW技术，在此基础上将摩擦填充铆接技术用于6082-T6铝合金与聚丙烯的连接，研究发现在焊接界面处存在化学基团和范德华键。Xie等[31]通过在FSSW过程中引入聚酰胺夹层实现了纯铝与木材的连接，研究发现聚酰胺的存在降低了铝与木材之间的应力，界面形成了C-O-Al化学键。Derazkola等[32]利用FSW技术实现了304不锈钢与聚甲基丙烯酸甲酯的连接，X射线光电子能谱发现Fe、O、C之间可能存在化学键连接。

3 表面改性处理

近年来，有学者提出对金属表面改性处理后进行金属/聚合物FSW来提高接头性能。德国亥姆霍兹联合会材料研究所的Dos Santos等[33，34]设计了摩擦点连接技术用于金属与聚合物的连接，此后Goushegir[35]将其用于铝合金与碳纤维增强复合材料的连接，研究发现对材料表面进行特殊处理使其在焊接过程中形成化学键(如C-Al键)是获得高性能接头的关键因素。Aliasghari等[36]在连接AA5052铝合金和聚丙烯板材之前，对铝合金表面进行等离子体电解氧化处理，发现预处理后的铝合金表面生成粗糙多孔的陶瓷层，该陶瓷层可以将熔融的聚丙烯吸附在表面，使得接头的强度提高了3倍，其连接机制为机械互锁和共价键(C=O)连接。美国密歇根大学的Liu等[37]在Al表面通过物理气相沉积方法制备Al2O3涂层，然后与聚酰胺66进行焊接时发现焊接界面处形成了Al-O-C键。