碳纤热塑复合材料激光连接技术研究进展.pdf

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1、碳纤热塑复合材料激光连接技术研究进展米焦俊科，王强，昝少平，张文武(中国科学院宁波材料技术与工程研究所，宁波315201)[摘要1碳纤热塑复合材料在航空航天、无人机制造、新能源汽车等领域应用前景广阔，高质量的连接是其产业化应用的关键技术之一。介绍了几种碳纤热塑复合材料激光焊接／连接方法的研究现状，分析了当前研究存在的问题，以及未来研究的发展趋势。关键词：碳纤热塑复合材料；激光连接；激光穿透焊接；激光直接连接DOI：10．16080巧．issnl671-833x．2016．19．024焦俊科博士，高级工程师。中科院青促会会员．中国机械工程学会特种JJpT分会激光加

2、工技术委员会委员，主要从事激光焊接、激光精密加工方面的研究工作。发表科研论文30余篇。+基金项目：宁波市自然科学基金项目(2015A610078)；深圳市基础研究布局项目(JCYJ20150529162228734)；中国科学院装备研制项目(YZ201535)；中国科学院青年创新促进会资助。24航空制造技术·2016年第19期碳纤热塑复合材料(CarbonFiberReinforcedThermalPolymers，CFRTP)具有比强度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐热性好等特点”】，在无人机制造、航空航天、国防、军工、汽车轻量化上有着良好的应用前景。纤维增强热塑性复合

3、材料的用量已成为飞机先进性的一个重要标志，也是我国航空工业发展的迫切需求[2】。目前国内外新研制的飞机不但在水平安定面、副翼、垂尾等结构采用了复合材料，而且机身、机翼翼盒等主结构也采用复合材料，使得结构一体化程度提高，系统安装较为简单，减少了零部件数，缩短了总装时间pJ。在全球最大飞机A380的机身上，22％质量的部件采用了碳纤维复合材料(见图1)，燃油的经济性直接比其竞争机型降低了13％左右14-5]o无人机上复合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的，复合材料直接应用于无人机结构上对减轻空机身质量、增加有效载荷、提高安全性和隐身性具有重要的作用陋1。国外无人

4、机(包括中、高空无人侦察机、无人作战飞机等)，无一例外地大量使用了复合材料结构，有些甚至是全复合材料结构(见图2)；在汽车轻量化制造领域，这也是能源汽车轻量化的必由之路，用CFRTP取代钢体车身，汽车将减重60％，燃油利用率将超过30％【7l。由于受到成型模具的限制，复杂CFRTP构件一般通过多个零部件连接而成，而接连接头部位又往往是整个结构件最薄弱的部分，接头的质量将直接决定CFRTP构件的疲劳强度和使用寿命。实现CFRTP材料高质量的连接是其工程化应用的关键技术之一。当前CFRTP最常用的连接方法有机械连接、胶结、焊接等。其中，焊接利用了CFRTP基体材料热

5、塑性树脂二次熔融的特点，通过加热熔融连热嘲陀rI{l，机樊前缘图1复合材料在A380上的应用Fig．1ApplicationofCFRPinA380图2复合材料制造的无人机Fig．2CFRPunmannedaerialvehicles接界面，使树脂分子扩散完成连接。该方法连接界面与基体材料有良好的相容性，连接强度和环境适应性优于胶结方法，连接件的应力分布比机械连接更均匀，不会产生应力集中，而且焊接工艺时间短，便于实现自动化喁】。当前，CFRTP最常用的焊接方式有电阻植人焊、电磁感应焊、超声焊接等，国内外的学者在这3种焊接技术上进行了大量的研究[9-161。电阻植

6、入焊工艺简单、设备灵活、不需要表面处理，但焊接头引入额外的物质降低了疲劳性能和电气性能的均匀性，边缘热效应问题限制了一次可焊面积；电磁感应焊可以进行连续的焊接，不足的是植人材料成本高，填充材料影响焊接强度，而且难以焊接具有复杂焊接面的结构；超声焊效率高、接头强度高，但是存在导能筋制作困难和一次可焊面积小的局限。近年来，激光加工技术得到了长足的发展，已经在半导体电子、汽车制造、冶金、材料加工等工业领域得到了广泛应用，被誉为“未来制造业的共同加工手段”。作为一种非接触式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接强度高、振动应力小、适合焊接复杂结构件等优势，在CFRTP

7、的焊接上具有良好的应用前景。近年来，国内外学者对CFRTP激光焊接技术开展了一些探索性研究，主要包括激光穿透焊接技术、激光直接连接技术及其他创新型方法。激光穿透焊接技术激光穿透焊接的原理如图3fi7

8、所示，红外激光(波长一般为800。1020nm)穿过一个透明树脂，被另一个待焊接树脂吸收，吸收的激光能量转化为热能使结合面树脂材料熔融，进而扩散结合形成焊接接头。这种方法适合进行CFRTP与透明材料之间的焊接／连接，如玻璃纤维复合材料、透明热塑性塑料、玻璃等。针对这种焊接方法，国内外学者在焊接理论和工艺优化方面进行了一系列研究。Mayboudi等¨71在对树脂激光穿

9、透焊接机理进行分析的基础