表面微结构对铝合金与PA66 激光焊性能影响

张功达，朱琦，刘亚运，王传洋

(苏州大学,苏州,215137)

0 序言

金属与高分子材料的结合使用可以实现结构件的轻量化.轻量化设计是目前研究的热点，涉及交通运输、民用基础设施、工业制造以及清洁能源技术等方向[1-5]，例如在汽车生产中，随着现代社会汽车保有量的快速增长，汽车使用带来的环境污染和能源消耗问题日益严重[6-8]；金属与高分子材料的结合使用对汽车的轻量化设计具有重要意义，轻量化设计可以有效减轻车身重量，提高汽车的动力性能，降低能源消耗以及CO2排放[9-10].

金属与塑料的连接方法有机械连接、粘接、超声波焊接、激光焊等.机械连接加工时间长、加工成本高、易受形状和尺寸的限制，机械连接大多需要借助外部紧固件，外部紧固件的加入使得构件整体重量增加，同时机械连接过程易出现应力集中现象[11]；粘接剂连接对环境要求较高、抗冲击抗疲劳性能较差、长期稳定性差，同时在粘接过程中会产生有害物质，对环境造成污染[12-14]；超声波焊接噪声过大，对人体产生严重危害[15-16]；激光焊作为一种无接触、高效、环保的焊接技术，被广泛应用于工业生产中[17-19]，激光焊技术可以实现两种材料的直接连接，无需添加额外的材料和连接配件.

国内外针对金属与塑料激光焊接头强度的提升开展了大量的研究.Amend 等人[20]研究了热输入量对PA6 和不锈钢激光焊接头中气孔的影响，发现热输入较低时，金属与塑料接触界面无法形成有效接头，热输入较高时塑料产生分解、烧蚀，导致连接强度下降；Jung 等人[21]采用连续波二极管激光器对碳纤维增强塑料(CFRP) 和铝合金进行焊接，研究了激光工艺参数对接头强度的影响，发现了材料间产生了分子间的紧密结合；Liu 等人[22]为提高316L 不锈钢与PET 材料的激光焊接头强度，在焊接前对316L 不锈钢表面进行微结构加工，同时焊接过程加入超声波装置，试验结果表明机械结合以及化学结合是连接强度提高的主要原因.

金属与塑料的物理、化学差异导致焊接接头强度较低是目前金属与塑料激光焊的主要问题.目前提高金属与塑料激光焊接头强度的方法大多是针对激光焊工艺对金属与塑料焊接接头强度的影响进行研究，同时一些学者在焊接前对金属表面进行微结构加工，以实现接头强度的提升，结果表明金属表面微结构对金属与塑料焊接接头强度的提升具有重要作用，但针对金属表面微结构的金属与塑料激光焊接头强度的影响研究较少，没有形成较为完整的研究体系.

1 试验方法

1.1 表面微结构制备

采用5182 铝合金、30% 玻纤增强PA66 作为激光焊试验材料.铝合金板尺寸为80 mm × 20 mm ×2 mm，PA66 板尺寸为80 mm × 25 mm × 2 mm，采用飞秒激光器在铝合金板指定区域进行表面微结构加工，加工区域如图1 所示.微结构具有一定的深度，激光需要在微结构加工位置累计加工一定时间才能使得加工深度达到要求，单次扫描停留时间过长，易导致微结构孔洞入口处热量集聚使得微孔闭合；微结构加工采用多次重复扫描的方式，减少微结构入口处热量集聚.随着烧蚀深度的增加，飞秒激光受材料表面等离子体屏蔽以及材料喷蚀不完全导致的能量耦合影响，烧蚀率会逐渐下降，这使得微结构的横截面形貌趋近于梯形.

图1 微结构加工区域(mm)Fig.1 Area of microtexture processing

飞秒激光加工后金属表面与微结构内部存在残渣，将加工后的金属板置于丙酮溶液中，采用超声波清洗设备将金属样品清洗 20 min，去除表面残渣和油污，玻纤增强 PA66 板采用酒精清洗.PA66材料吸水性强，为避免塑料板内部水分对焊接效果产生不影响，焊接前对 PA66 板进行干燥处理.

1.2 焊接方法

使用光纤激光器(WFSC-2000C) 进行焊接，激光器型号WFSC-2000C，输出功率200～ 2 000 W，中心波长1 070～ 1 090 nm，调制频率20 kHz，将激光表面处理后的铝合金样板与30% 玻纤增强PA66 采用夹具以搭接的方式固定在焊接工作台上，采用激光热传导焊接的方式进行铝合金与PA66 的激光连接.激光作用于铝合金板上表面，由于铝合金板对激光的反射率高，为防止激光反射损坏设备，将激光头进行一定角度偏转，使得激光束与竖直方向夹角为15°，如图2 所示.

图2 激光焊接方式Fig.2 Mode of laser welding

1.3 拉伸剪切试验方法

采用拉伸试验设备对焊接件的连接强度进行测试.拉伸剪切试验参数设定为：拉伸力5 kN，拉伸速度2 mm/min;为减少剥离应力的影响，在拉伸剪切试样两端添加等厚的垫片，焊接件拉伸剪切测试过程如图3 所示.

图3 焊接件拉伸剪切测试方式Fig.3 Test method for tensile shear of welding parts

2 试验设计

为探究微结构参数对5182 铝合金和PA66 激光焊接头强度的影响，根据前期探索发现交错排列的微结构阵列能够承受更大的拉伸剪切载荷，同时根据试验确定微结构参数的选取范围.激光焊参数采用激光功率1 200 W，焊接速度为2 mm/s，离焦量为+20 mm，单因素试验设计如表1 所示，不同微结构大小及间隔距离的阵列微结构激光共聚焦观测结果如图4 所示.

表 1 微结构参数单因素试验设计表Table 1 Single factor experimental design of microtexture

图4 不同微结构3D 形貌Fig.4 3D morphology of different microtextures.(a)different texture size; (b) different texture spacing

3 结果与分析

3.1 不同微结构参数焊接件拉伸剪切测试

3.1.1 微结构深度对焊接接头强度的影响

微结构宽度为200 μm，间隔距离为250 μm，具有不同深度微结构的焊接件抗拉载荷变化曲线如图5 所示，随着微结构深度的增加，焊接件的抗拉载荷呈先增加后减小的趋势;当微结构深度为100～300 μm 时，随着微结构深度的增加金属与塑料焊接件的抗拉载荷持续增加；当微结构深度为300 μm时，金属与塑料焊接件的抗拉载荷达到峰值，继续增加微结构深度，金属与塑料焊接件的抗拉载荷持续减小.

图5 微结构深度对焊接件抗拉载荷的影响Fig.5 Effect of microtexture depth on tensile load of weld parts

3.1.2 微结构宽度对焊接接头强度的影响

微结构深度为200 μm，间隔距离为250 μm，具有不同微结构宽度的焊接件抗拉载荷变化曲线如图6 所示.随着微结构宽度增加，焊接件的抗拉载荷呈先增加后减小的趋势.微结构宽度为200～300 μm 时，随着微结构宽度增加，金属与塑料焊接件的抗拉载荷增加；当微结构宽度为300 μm，焊接件抗拉载荷达到峰值，继续增加微结构宽度，金属与塑料焊接件的抗拉载荷持续减小.

图6 微结构宽度对焊接件抗拉载荷的影响Fig.6 Effect of microtexture width on tensile load of weld parts

3.1.3 微结构间隔距离对焊接接头强度的影响

微结构深度为200 μm，宽度为200 μm，具有不同微结构的间隔距离焊接件抗拉载荷变化曲线如图7 所示.随着微结构间隔距离的增加，5182 铝合金与PA66 焊接件的抗拉载荷持续减小.

图7 微结构间隔距离对焊接件抗拉载荷的影响Fig.7 Effect of microtexture spacing on tensile load of weld parts

3.2 焊接件微观形貌观测与机理分析

3.2.1 不同深度微结构

对具有不同深度微结构的焊接件拉伸剪切过程中受力方式进行分析，如图8 所示.由于飞秒激光的加工机制，微结构内壁具有一定倾斜度，当焊接件受到拉伸载荷时产生弯矩；当微结构深度较小时，微结构内部金属与塑料的连接区域面积较小，拉伸剪切过程中微结构内部填充塑料易被拉出，焊接接头强度较低；随着微结构深度的增加，金属与塑料的连接区域面积增加，填充塑料不易从微结构内部被拉出，焊接接头强度提高，同时焊接件在拉伸剪切载荷下，应力集中在填充塑料根部，填充塑料根部易发生断裂.

图8 不同深度微结构焊接件微观受力分析Fig.8 Microscopic stress analysis of welded parts with different depth microstructure

具有不同深度微结构的焊接件连接界面微观观测结果如图9 所示.显微观测结果表明，当微结构深度小于等于300 μm 时，微结构内部体积较小，熔融塑料能够将微结构充分填充，如图9a，9b 所示.在此深度区间内，随着微结构深度的增加，金属与塑料连接区域面积增加，焊接接头强度随之增加；当微结构深度为400 μm 时，熔融塑料体积有限，无法完全填充微结构，产生孔洞等未填充缺陷，金属与塑料的有效连接面积减少，如图9c 所示，在拉伸剪切过程中缺陷区域易在拉伸剪切应力下发生断裂，导致金属与塑料的焊接接头强度减小；继续增加微结构深度，熔融塑料对微结构的填充效果继续下降，微结构内部缺陷扩大，如图9d 所示，铝合金与PA66 的焊接接头强度继续减小.

图9 不同深度微结构焊接件连接界面SEMFig.9 SEM images of the interface of welded microtextures with different depths.(a) 200 μm;(b) 300 μm;(c) 400 μm;(d) 500 μm

为进一步分析微结构深度对焊接接头强度的影响机制，对焊接件拉伸剪切断面进行分析，具有不同深度微结构的焊接件拉伸剪切断面微观观测结果如图10 所示.无微结构区域塑料残留较少，拉伸剪切过程中塑料易从金属表面剥落,微结构内部区域残留塑料较多，填充塑料内部产生断裂即内聚断裂，内聚断裂大多发生在微结构内部区域,内聚断裂比例越高，金属与塑料的焊接接头强度越高.

图10 不同深度微结构焊接件拉伸断面SEMFig.10 SEM images of tensile fracture section of welded parts with microstructure at different depths.(a) 200 μm;(b) 300 μm;(c) 400 μm;(d)500 μm

当微结构深度为200 μm 时，微结构深度较小，金属与塑料连接面积较小，微结构内部填充塑料易被拉出；当微结构深度为300 μm 时，金属与塑料的连接面积增加，填充塑料不易从微结构内部被拉出，断面观测结果显示填充塑料断裂部位主要位于根部区域，内聚断裂比例增加，焊接接头强度增加；当微结构深度增加到400 μm 时，熔融塑料无法对微结构进行充分填充，从而会产生未填充缺陷，缺陷处在拉伸剪切过程中易发生断裂，导致焊接接头强度减小，断面结果显示填充塑料根部出现大量孔洞，内聚断裂比例下降；随着微结构深度继续增加，熔融塑料对微结构的填充效果继续下降，未填充缺陷扩大，金属与塑料的焊接接头强度继续减小，断面处孔洞大小和深度明显增加，内聚断裂比例继续下降.

3.2.2 不同宽度微结构

具有不同宽度微结构的焊接件连接界面微观观测结果如图11 所示.微观观测结果表明，当微结构宽度小于等于300 μm 时，塑料熔融后能够对微结构进行充分填充，在此区间内，随着微结构宽度的增加，填充塑料能够承受更大的拉伸剪切应力，焊接件的焊接接头强度随微结构宽度的增加而增加；当微结构宽度为400 μm 时，熔融塑料体积有限无法完全填充微结构，微结构内部出现孔洞等未填充缺陷，金属与塑料的有效连接面积减少，焊接件在拉伸剪切过程中缺陷处易产生断裂，金属与塑料的焊接接头强度减小；继续增加微结构宽度，熔融塑料对微结构的填充效果继续下降，缺陷尺寸继续增加，金属与塑料的焊接接头强度继续减小.

图11 不同宽度微结构焊接件连接界面SEMFig.11 SEM images of the interface of welded microtextures with different widths.(a) 300 μm;(b) 400 μm; (c) 500 μm; (d) 600 μm

为进一步分析微结构宽度对焊接接头强度的影响机制，对焊接件拉伸剪切断面进行分析，具有不同宽度微结构的焊接件拉伸剪切断面微观观测结果如图12 所示.当微结构宽度从200 μm 增加到300 μm 时，微结构内部填充塑料的抗剪强度增加，同时断面微观观测结果显示，断面微结构内部残留塑料增多，内聚断裂比例上升，金属与塑料的焊接接头强度增加；当微结构宽度为400 μm 时，熔融塑料无法对微结构进行充分填充，出现未填充缺陷，缺陷处易发生断裂，内聚断裂比例下降，焊接接头强度减小；随着微结构宽度继续增加，未填充缺陷扩大，内聚断裂比例继续下降，金属与塑料的焊接接头强度继续减小.

图12 不同宽度微结构焊接件拉伸断面SEMFig.12 SEM images of tensile fracture section of welded parts with microstructure at different widths.(a) 200 μm；(b) 300 μm；(c) 400 μm；(d)600 μm

3.2.3 不同间隔距离微结构

由图7 可以看到随着微结构间隔距离的增加，5182 铝合金与PA66 焊接件的抗拉载荷持续减小.为进一步探究微结构间隔距离对5182 铝合金与PA66 焊接接头强度的影响机制，引入微结构加工区域覆盖率计算，结合覆盖率对金属与塑料的焊接接头强度进行分析，覆盖率计算式为

式中：θ为加工区域微结构的覆盖率；D为单个微结构的宽度(μm)；N为加工区域微结构的数量；S为微结构加工区域面积(μm)，经计算不同间隔距离微结构焊接件的微结构覆盖率如表2 所示.

表 2 焊件上不同微结构间隔对应的微结构覆盖率Table 2 Microstructure coverage corresponding to different spacing on the weldment

加工区域微结构覆盖率随微结构间隔距离变化曲线如图13 所示.随着微结构间隔距离的增加，加工区域内覆盖率逐渐降低，微结构覆盖率的下降导致金属与塑料连接区域面积减少，金属与塑料的焊接接头强度随间隔距离的增加持续减小.

图13 加工区域微结构覆盖率随微结构间隔距离变化曲线Fig.13 Microstructure coverage of machining are a varies with the microstructure spacing

4 结论

(1) 金属与塑料的焊接接头强度随微结构深度和宽度的增加呈先增加后下降的趋势，焊接接头强度随微结构间隔距离的增加持续减小.

(2) 金属与塑料的焊接接头强度与微结构的填充效果有关，当微结构尺寸较小时，熔融塑料能够对微结构进行充分填充；随着微结构尺寸的增加，金属与塑料的焊接接头强度增加.当熔融塑料无法对微结构进行充分填充时，产生未填充缺陷，缺陷处易发生断裂，导致焊接接头强度减小.

(3) 金属与塑料的连接强度与连接面积有关，随着微结构间隔距离的增加，微结构覆盖率下降，金属与塑料的连接面积减少，金属与塑料的焊接接头强度随间隔距离的增加持续减小.