無錫不銹鋼與碳纖維增強塑料的激光焊接

由于碳纖維增強塑料（CFRP）具有很高的強度對重量比（strength-to-weight ratio）、出色的抗腐蝕性能和優良的疲勞性能，因而受到了極大的關注，上述特點讓這種材料適合用在飛機、汽車和其他產品中。汽車工業對熱塑性碳纖維增強塑料尤其感興趣，因為它有望縮短生產時間。

　　將塑料或碳纖維增強塑料與金屬接合在一起，通常需要使用膠粘劑或螺栓、鉚釘等機械工具。然而，這些接合工藝有幾種不足之處，如揮發性有機化合物（VOC）排放的環境限制、粘合時間較長，螺釘或鉚釘也會增加重量。因此，Seiji Katayama教授帶領團隊開發出激光輔助直接焊接金屬和塑料（LAMP）的技術。通過使用連續波（CW）Nd：YAG激光器、半導體激光器、光纖激光器或碟片激光器等，該技術能迅速而牢固地將諸如鋼、無錫不銹鋼、鋁合金在內的金屬與工程熱塑性塑料（例如聚酰胺PA、聚對苯二甲酸乙二醇酯PET和聚碳酸酯PC）接合起來。

　　LAMP焊接技術可以牢固地將碳纖維增強塑料片材和304不銹鋼板焊接在一起，其中使用CW碟片激光器在金屬上生成不焊透焊縫。圖1顯示了聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強塑料片材與304不銹鋼板之間的激光搭接接頭在做拉伸剪切試驗前、后的情況。其中，碳纖維增強塑料片材厚度為3mm、寬度為20mm，具有較長的碳纖維，無錫不銹鋼板厚度為3mm、寬度為30mm。橫截面的照片（見圖1中的插圖）顯示了不銹鋼中淺層小孔形成的激光焊道。此外，熔化區廣泛分布在碳纖維增強塑料片材中靠近接合面的區域。在圖1b中，我們可以觀察到黑色的碳纖維增強塑料片材粘結在304不銹鋼板的底表面。特別是，粘結的碳纖維增強塑料部分主要根據激光焊道下的無錫不銹鋼板而識別出來。在碳纖維增強塑料片材的接合面中也能看到不銹鋼的部分。上述事實表明形成牢固的焊接接頭是可行的。

　　圖2顯示了在不同碟片激光輻照條件下對接頭進行拉伸剪切試驗的結果。結果表明，接頭的最大拉伸剪切負荷（強度）約為4800N（20mm寬的碳纖維增強塑料），這一結果是在功率為2kW和5mm/s的試驗速度的情況下得出，高于碳纖維增強塑料板的拉伸剪切負荷的一半。30mm寬、3mm厚的PA塑料片材與304不銹鋼板之間接頭的拉伸剪切負荷最大約為3400N。從中我們可以判斷，20mm寬的碳纖維增強塑料和304不銹鋼板之間接頭的最大負荷要遠高于30mm寬的PA塑料片材與鋼板間的接頭。因此，通過在具有更長碳纖維的聚丙烯腈（PAN）型PA基材碳纖維增強塑料片材和304不銹鋼板之間形成搭接接頭，可以得到最高的負荷。

　　圖3為碳纖維增強塑料片材和304不銹鋼板之間接頭接合面的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。許多亞毫米大小的氣泡不規則地分布在碳纖維周圍的塑料基體中，這是由激光焊接過程中溶池的高溫引起的熱傳導造成的。據證實，碳纖維增強塑料中氣泡的幾何特征主要取決于塑料和碳纖維的疊合形狀，以及傳導熱量的水平和碳纖維的長度。據悉，與普通塑料相比，碳纖維增強塑料中更容易形成氣泡。對普通塑料來說，氣泡只形成在界面附近；而在碳纖維增強塑料中，由于纖維表面與基體之間的不穩定以及碳纖維具有較高的熱導率，所以氣泡廣泛分布在塑料基體中。

　　圖4是接頭界面附近的透射電子顯微鏡（TEM）照片，從PA基體、不銹鋼上的氧化膜、不銹鋼基體中分別選取典型的點來進行透射電鏡能譜分析（TEM-EDS）。我們可以觀察到，碳纖維增強塑料從原子或分子尺度上被連接在304不銹鋼的10納米厚的鉻鐵（Cr-Fe）氧化層上。這表明，化學鍵合和物理（范德華力）粘結的可能性很高。因此，碳纖維增強塑料和304不銹鋼能被牢固地接合在一起形成強而有力的接頭。

　　進一步地，在7×10^-6帕的高壓下，從碳纖維增強塑料片材向不銹鋼板鉆一個2mm的孔，并測量鉆孔過程中揮發氣體的壓力水平和質譜，再通過Q-質譜儀來分析氣泡中的氣體成分。結果表明，氣泡內的氣體成分為氮氣、氫氣和碳纖維增強塑料的PA基體裂解產生的烴類氣體。由于裂解后產生氣泡并迅速擴張，高壓迫使熔化的塑料進行移動并流入金屬表面的坡口或晶界。從所有試驗中我們可以推斷出接合機制（見圖5），即，碳纖維增強塑料復合材料與不銹鋼直接接合，是通過化學或物理地粘結熔化的塑料和覆蓋在不銹鋼上的氧化膜來實現的，此外還要考慮塑料流動到坡口或晶界而引起的機械錨固效應。

　　這種激光焊接碳纖維增強塑料和金屬的技術預計將在行業內得到應用。這種方法也成功用于焊接碳纖維增強塑料和鋁合金或帶有鋅涂層的鋼，并且它被證實能形成強而有力的接合。