碳纤维/不锈钢的激光焊接与组织性能研究

丁全有

摘 要：为了发挥碳纤维和不锈钢各自的性能优势，对碳纤维/不锈钢进行了激光焊接处理，研究了激光功率、焊接速度和离焦量对碳纤维/不锈钢剪切性能的影响。结果表明，碳纤维/304不锈钢适宜的激光焊接工艺：激光功率为400 W、焊接速度为600 mm/min、离焦量为+10 mm，此时碳纤维/304不锈钢具有最大的剪切强度，约36.2 MPa。

关键词：碳纤维;304不锈钢;激光焊接;工艺;性能

中图分类号：TG456.7       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）01-0083-04

Study on laser welding and microstructure and properties of carbon fiber/stainless steel

DING Quanyou

（Shandong Microwell Chemical Technology Co.，Ltd.，Qingdao 266000，Shandong China）

Abstract：To give full play to the advantages of carbon fiber and stainless steel，the carbon fiber / stainless steel was welded by laser.The effects of laser power，welding speed and defocusing amount on the shear properties of carbon fiber / stainless steel were studied.The results showed that the suitable laser welding process for carbon fiber / 304 stainless steel was：laser power was 400 W，welding speed was 600 mm / min，defocusing amount is +10 mm.This is when the carbon fiber / 304 stainless steel has the maximum shear strength，which is about 36.2 MPa.

Key words：carbon fiber;304 stainless steel;laser welding;technology;performance

碳纤维是以腈纶和粘胶纤维为原料，含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维，由于具有耐高温、轻质和可加工成织物等特性而被广泛应用于航空航天、汽车、化工设备等领域;不锈钢是一种含有17%～22%铬的低碳钢，由于具有良好的耐蚀性、韧性等特性而被广泛应用于家用电器、工业建筑等领域。碳纤维/不锈钢形成的复合结构可以发挥二者各自的性能优势，从而提升复合结构的综合性能，但是目前这方面的研究报道较少[1-3]。为了提升不锈钢/碳纤维异种材料的综合性能，本文尝试采用激光焊接[4]的方法对碳纤维/304不锈钢进行焊接处理，研究了焊接工艺参数对剪切强度的影响，其研究結果可为异种材料焊接提供参考。

1 试验材料与方法

用于激光焊接的原材料包括304不锈钢和碳纤维复合材料（PET），304不锈钢的化学成分（质量分数）：0.08%C、1.02%Si、1.98%Mn、0.021%Fe、0.003%S、9.47%Ni、18.72%Cr，余量为Fe。304不锈钢的抗拉强度为525 MPa、屈服强度为200 MPa、断后伸长率为38%、断面收缩率为58%、弹性模量为192 GPa、PET的弯曲强度为198 MPa、弹性模量为4 000 MPa。

将304不锈钢加工成100 mm×25 mm×2 mm试件，PET加工成100 mm×25 mm×1.5 mm试件;采用Magic Wave-3000型氩弧焊接对碳纤维/不锈钢复合材料进行激光焊接，焊接装置如图1所示;碳纤维/不锈钢激光焊接见图2。焊接采用平板搭接方式进行（保护气为高纯氩气）[5];焊前需要对304不锈钢和PET进行清洁处理，焊接完后去除余渣。

采用WDW-10型微机伺服万能拉伸材料试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速率为1 mm/min，测试结果为5根平行试样的平均值，拉伸试样尺寸如图3所示;采用S-4800型扫描电镜对拉伸断口形貌进行观察。

2 试验结果与分析

2.1 激光功率对焊接接头剪切强度的影响

设置激光功率为300、400、500和600 W，焊接速度为600 mm/min，离焦量+10 mm，激光功率对焊接接头剪切强度的影响如图4所示。

由图4可知，当激光功率为300 W时，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度为18.2 MPa;随着激光功率从300 W增加至600 W时，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度呈现先增加后减小的趋势，在激光功率为400 W时取得最大值，约为36.2 MPa。究其原因，这主要是因为当焊接功率超过400 W时，碳纤维/不锈钢焊接接头的焊接热输入增大，造成碳纤维溶解量增加，焊接接头中的气泡增多，剪切强度下降;尤其是当激光功率增加至600 W时，碳纤维烧损严重[6]，焊接接头成型性较差，影响了焊接接头的剪切强度。

2.2 激光焊接速度对焊接头剪切强度影响

设置激光功率为400 W，焊接速度分别为360、420、480、540、600和660 mm/min，离焦量+10 mm，焊接速度对焊接接头剪切强度的影响如图5所示。

由图5可知，当焊接速度为360 mm/min时，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度为8.2 MPa;随着焊接速度从360 mm/min增加至600 mm/min时，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度呈现先增加后减小的趋势;在焊接速度为600 mm/min时取得最大值，约为36.2 MPa。究其原因，这主要是因为在过小的焊接速度下，焊接热输入增大，焊接接头出现严重烧损且气泡较多[7]，剪切强度减小。焊接速度过大，焊接接头成型质量较差，部分区域会出现未焊合现象，因此剪切强度也较低;当激光焊接速度为600 mm/min时，焊接接头成型性较好，剪切强度取得最大值。

2.3 激光离焦量对焊接接头剪切强度影响

设置激光功率为400 W，焊接速度為600 mm/min，离焦量分别为0、+10、+20、+30和+40 mm时，离焦量对焊接接头剪切强度的影响如图6所示。

由图6可知，当离焦量为0 mm时，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度为15.1 MPa;随着离焦量从0 mm增至+40 mm，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度呈现先增加后减小的趋势;在离焦量为+10 mm时剪切强度取得最大值，约为36.2 MPa。究其原因，这主要是因为在过小的离焦量下，焊接热输入更为集中，焊接接头中烧损现象较为严重，焊接接头剪切强度减小;离焦量过大，焊接接头中单位面积的焊接热输入减少，焊接接头中出现未焊合区域，焊接接头成型质量较差[8]，因此剪切强度也较低;当离焦量为+10 mm时，焊接接头成型性较好，剪切强度取得最大值。

2.4 焊接接头的断口形貌

激光功率为400 W，焊接速度为600 mm/min，离焦量为+10 mm时，碳纤维/不锈钢激光焊接接头的剪切强度为36.2 MPa，剪切断口形貌如图7所示。

由图7可见，碳纤维/不锈钢界面处存在局部微米级的气泡，这是在激光焊接过程中气体释放和压力共同作用的结果[9];局部放大可以发现，碳纤维/不锈钢界面处可见热塑铆钉结构，在一定程度上能增加碳纤维和不锈钢的铆接效果[10]。因此，在优化的激光焊接工艺下，碳纤维/不锈钢具有较高的剪切强度。

3 结语

（1）随着激光功率从300 W增至600 W，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度呈现先增加后减小的趋势;在激光功率为400 W时剪切强度取得最大值，约为36.2 MPa;

（2）随着焊接速度从360 mm/min增加至600 mm/min时，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度呈现先增加后减小的趋势，在焊接速度为600 mm/min时取得最大值;

（3）随着离焦量从0 mm增至+40 mm时，碳纤维/不锈钢焊接接头的剪切强度呈现先增加后减小的趋势，在离焦量为+10 mm时取得最大值;

（4）碳纤维/304不锈钢适宜的激光焊接工艺：激光功率为400 W、焊接速度为600 mm/min，离焦量为+10 mm。

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