采用往复进给方法的大规模CFRTP-Al合金堆叠激光辅助连接

《Optics & Laser Technology》：Large-scale CFRTP-Al alloy stacks laser assisted joining with a reciprocating feed method

研究激光融合连接中Al/CFRTP叠层结构的温度分布与缺陷形成机理，提出激光往复进给方法调控界面温度，建立接头质量评估标准与优化模型，实验验证参数优化使温度均匀性提升47%，接头强度达20MPa以上。

　　在航空航天和自动化领域，无螺栓连接铝合金与碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）正成为热门研究方向。激光融合连接因其高质量和高效率而受到广泛关注。然而，高能激光输入以及材料性质的差异通常会导致接合界面温度难以控制，从而引发热缺陷问题。这些问题在堆叠结构尺寸增加时变得更加复杂。本文研究了在激光加热条件下，铝/CFRTP搭接界面的温度分布及热缺陷形成情况，基于不同材料之间的一维传热特性，提出了一种通过激光往复送料方法来调节搭接界面温度的新策略。为了实现高质量的连接，建立了一套基于搭接界面温度特征的定量评估标准，并利用该标准开发了一个经验模型以优化工艺参数，从而提供了一个优化的参数组合和一个融合连接强度的预测模型。实验结果显示，优化后的工艺参数显著提高了搭接界面的温度均匀性，平均提升了47%。同时，高强度区域的接合强度超过了20 MPa，为铝/CFRTP堆叠结构的激光融合连接提供了有效的指导。

碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）由于其轻质和高强度的特性，在航空航天和汽车工业中得到了越来越多的应用。为了承受多方向载荷，许多由CFRTP和常用轻质金属如铝合金组成的堆叠结构需要在先进设备制造中进行组装和连接。实现CFRTP与铝合金之间的高质量连接是先进设备制造中的关键技术挑战之一。与传统的机械紧固和粘接技术相比，融合连接利用了热塑性基体在热和压力条件下的熔化和固化能力。通过将热量施加到金属上，提高接合界面的温度，从而通过传导使热塑性树脂熔化。在热和压力的作用下，熔化的树脂渗透到金属表面的微观结构中，冷却后固化，形成金属-聚合物结合。该过程具有较短的周期时间和较高的接合强度等优势。在用于铝/CFRTP堆叠结构的融合连接方法中，包括超声波融合连接、摩擦融合连接和激光融合连接等。激光融合连接通过在金属表面照射激光，并利用热传导来熔化热塑性树脂基体，从而在激光照射结束后，树脂固化，形成金属与热塑性复合材料之间的连接。激光融合连接因其高能量密度、效率和易于自动化而成为连接铝/CFRTP堆叠结构的首选技术之一。

在激光技术中，激光可以分为点激光和线激光两种类型。点激光技术已经发展出一套较为完善的系统，包括温度场仿真模型、搭接界面温度控制研究以及工艺参数优化技术。早在2018年，Lambiase就利用有限元仿真模型预测了聚碳酸酯和AISI 304不锈钢在激光融合连接过程中的温度分布，并建议通过控制峰值温度来避免树脂的降解。Wang在研究中使用高斯热源函数模拟了激光点，并建立了考虑材料温度依赖特性的有限元仿真模型，包括基于PEEK的CFRTP和6061铝合金。基于温度预测结果，Wang提出了一个受金属表面峰值温度、搭接界面峰值温度和熔深限制的优化工艺参数范围。为了提高接合的机械性能，Zhan提出了在金属表面制造微纹理的方法，以通过机械锚定增强接合的剪切强度。Zhan进一步利用温度仿真模型分析了搭接界面温度对树脂填充微纹理过程的影响。此外，过高的搭接界面温度可能导致树脂降解，显著影响接合的机械性能，这突显了搭接界面温度在激光融合连接过程中的关键作用，直接决定了焊接的质量。早期关于搭接界面温度的研究主要集中在峰值温度和熔接过程中的热积累上。研究人员也从激光路径优化的角度提出了多种工艺方法，旨在减少在金属激光加热过程中搭接界面的热积累，并防止树脂在接合界面处的热降解等热缺陷问题。例如，一些研究者提出了通过高速往复扫描优化激光扫描路径，从而通过提高扫描速度来减少激光热输入密度，而Jiao则引入了一种高速激光旋转送料技术，以防止高能量密度输入导致的金属热损伤，并避免搭接界面处的树脂热降解。Wang针对大规模的铝/CFRTP堆叠结构，提出了一种基于分段激光路径规划的新型界面温度控制方法，该方法以搭接界面经历和将经历的最大温度作为路径规划的基础。随着研究的深入，研究重点逐渐从熔接过程中搭接界面的峰值温度转向熔接过程中温度分布的均匀性以及熔化时间的影响。

与点激光相比，Kitayama的研究表明线激光在连接效率和接合强度方面具有更高的表现。在最佳工艺参数下，接合的剪切断裂强度接近基材的强度，同时接合也表现出良好的热冲击性能。这证明了线激光融合连接在不同材料连接中的工业应用潜力。Su-Jin Lee观察到，随着堆叠结构尺寸的增加，金属热积累会导致激光扫描过程中初始加热温度不一致，从而在激光送料方向上产生不均匀的搭接界面温度，使得实现一致的接合质量变得困难。Omura提出了一种线激光点形技术，通过形状化的激光点提供更均匀的加热效果，以改善搭接界面的温度均匀性，从而避免热缺陷并提高焊接质量。这一技术标志着激光融合连接技术从实验室研究向工业应用的转变。例如，Fiat公司利用线激光融合连接技术制造了由DC06钢和基于PA6的碳纤维复合材料组成的车顶横梁。激光融合连接技术在连接不同材料时具有良好的适应性，并且在较小的接合尺寸下能够提高生产效率。然而，它仍然面临诸如金属表面烧蚀和树脂热降解等热缺陷问题，这些问题会影响接合的质量。

在工业应用中，铝/CFRTP堆叠结构正朝着单向大规模连续搭接方向发展。与小规模堆叠结构相比，单向大规模连续搭接结构的搭接区域显著更大，热散失面积也更广。这导致搭接界面温度在时间上的变化更加明显，使得温度均匀性的控制变得更加困难，并增加了局部过热或温度不足的可能性。同时，较长的搭接长度使得激光往复扫描方法的适用性降低，因为通过多次往复扫描来改善界面温度均匀性变得困难。为了应对这一挑战，本文提出了一种将连续长搭接区域划分为多个较小单元的方法，并在每个单元上应用激光往复扫描，模拟一种准静态加热过程。因此，有必要研究单元长度（即激光往复距离）与界面温度之间的关系，以防止由于温度不均匀性引起的热缺陷。此外，还需要建立搭接界面温度与单向大规模连续搭接结构整体融合连接质量之间的关系，从而进一步指导参数优化和工艺策略设计。本文重点探讨了在单向大规模连续搭接结构的线激光融合连接过程中，如何实现搭接界面的温度控制。基于一维传热分析，提出了一种激光往复送料的温度控制工艺，并根据温度约束建立了工艺参数优化组合，引入了一种适用于大规模铝/CFRTP堆叠结构的质量评估方法，验证了往复工艺的有效性。

本文研究的核心在于解决大规模铝/CFRTP堆叠结构在激光融合连接过程中出现的温度控制难题。由于铝合金与CFRTP之间热物理性质的显著差异，控制沿堆叠方向的温度梯度对于实现搭接界面的均匀温度分布至关重要，这不仅能够确保树脂充分熔化，还能提升融合连接的整体质量。因此，本文提出了一种基于瞬态一维传热分析的激光往复送料工艺。往复距离的确定是基于对材料热传导特性的深入理解，以及对不同工艺参数对温度分布影响的系统研究。为了更精确地计算融合连接过程中的温度分布，本文选择了6061铝合金作为金属材料，基于PEEK的连续碳纤维层压板作为热塑性复合材料。材料的选择和温度依赖的热物理性质详见表1。热塑性复合材料的热导率和比热容是根据Wang的方法进行计算的，而潜热等参数则基于实验数据进行估算。这些参数对于准确预测温度分布至关重要，也为后续的工艺参数优化提供了基础。

实验装置和材料的选择是本文研究的重要组成部分。激光融合连接的基本原理是利用热塑性树脂在高温下熔化并在低温下固化的特性。激光照射并加热铝合金表面，通过热传导使树脂熔化。熔化的树脂随后润湿铝合金表面，并在冷却后固化，形成连接。为了增强不同材料之间的连接强度，铝合金表面通常需要进行预处理。常见的预处理方法包括表面打磨、涂层处理以及微结构加工等。这些预处理步骤能够有效提高树脂与金属之间的结合力，从而增强接合的机械性能。本文实验中采用的材料包括6061铝合金和基于PEEK的连续碳纤维层压板，这些材料的选择基于其在工业应用中的广泛性和可靠性。通过精确控制激光的输入参数，如功率、扫描速度和脉冲频率，可以实现对搭接界面温度的有效调控。此外，实验中还考虑了不同预处理方法对温度分布和接合质量的影响，以寻找最优的工艺组合。

为了进一步分析工艺参数对融合连接质量的影响，本文采用响应面法（RSM）对实验数据进行处理，并建立了融合连接质量与工艺参数之间的回归预测模型。该模型的预测准确性得到了实验数据的验证。通过进行接合剪切强度测试并观察断裂形态，进一步证明了所提出的“高强度区比例”可以用于定量评估整体接合质量。这一评估方法不仅有助于理解不同工艺参数对温度分布和接合质量的影响，还为后续的参数优化提供了依据。此外，本文还探讨了如何通过优化激光路径设计来改善温度分布的均匀性，从而减少热缺陷的发生。实验结果表明，优化后的工艺参数显著提高了搭接界面的温度均匀性，平均提升了47%。同时，高强度区域的接合强度超过了20 MPa，为大规模铝/CFRTP堆叠结构的激光融合连接提供了有效的指导。这些结果表明，通过合理的工艺参数优化和温度控制策略，可以有效提升融合连接的质量和可靠性，从而满足工业应用中对高强度和高稳定性的需求。

本文的研究成果不仅在理论层面具有重要意义，而且在实际应用中也展现出良好的前景。通过将连续长搭接区域划分为多个较小单元，并在每个单元上应用激光往复扫描，可以模拟一种准静态加热过程，从而更有效地控制温度分布。这一方法为解决大规模结构在激光融合连接过程中出现的温度不均匀性问题提供了新的思路。同时，本文提出的“高强度区比例”评估方法为工业界提供了一种定量化的质量评价标准，有助于更科学地制定工艺参数优化方案。此外，实验中采用的响应面法和回归预测模型也为后续的工艺参数优化提供了有力的工具。这些方法能够系统地分析不同工艺参数对温度分布和接合质量的影响，从而实现更精准的控制。本文的研究结果表明，通过合理的工艺参数优化和温度控制策略，可以有效提升融合连接的质量和可靠性，从而满足工业应用中对高强度和高稳定性的需求。

本文的研究不仅限于理论分析和实验验证，还结合了实际应用案例，进一步验证了所提出方法的有效性。例如，Fiat公司利用线激光融合连接技术制造了由DC06钢和基于PA6的碳纤维复合材料组成的车顶横梁。这一应用案例表明，线激光融合连接技术在工业生产中具有较高的可行性和应用价值。然而，该技术仍然面临一些挑战，如金属表面烧蚀和树脂热降解等热缺陷问题，这些问题可能会影响接合的质量和使用寿命。因此，本文提出了一种基于分段激光路径规划的温度控制方法，旨在通过优化激光路径设计，减少热缺陷的发生。实验结果表明，优化后的工艺参数能够显著提高搭接界面的温度均匀性，并提升接合强度。这为大规模铝/CFRTP堆叠结构的激光融合连接提供了切实可行的解决方案。

本文的研究成果对于推动激光融合连接技术在工业领域的应用具有重要意义。通过深入分析铝/CFRTP材料的热物理性质，并结合实验数据，本文提出了一种基于温度分布和均匀性的优化方法，为实现高质量的接合提供了理论支持和实践指导。此外，本文还探讨了如何通过改进激光路径设计和优化工艺参数来提升接合质量，这些方法不仅适用于当前的工业应用，也为未来的技术发展提供了方向。研究结果表明，通过合理的工艺参数优化和温度控制策略，可以有效提升融合连接的质量和可靠性，从而满足工业应用中对高强度和高稳定性的需求。本文的研究为相关领域的研究人员和工程师提供了一个新的视角，有助于进一步推动激光融合连接技术的发展和应用。