考虑时间-温度协同效应的焊接过程中CFRP热分解定量预测模型

《Journal of Materials Research and Technology》：aA quantitative prediction model for the thermal decomposition of CFRP in welding process with consideration of time-temperature cooperative effect

　　

设计了一种定量模型，用于预测CFRP（碳纤维增强聚合物，Carbon Fiber Reinforced Polymer）在焊接过程中的热分解过程；CFRP的热分解受温度和时间协同影响；建立了物理信息神经网络（PINN，Physics-Informed Neural Network）以推断关键参数；不同加热模式下TGA（热重分析，Thermogravimetric Analysis）结果的预测误差在5.5%以内。

论文围绕考虑时间-温度协同效应的焊接过程中CFRP（碳纤维增强聚合物，Carbon Fiber Reinforced Polymer）热分解定量预测模型展开。研究背景方面，金属-CFRP混合结构在车身轻量化中具有较大应用潜力，但金属与复合材料物理性能差异给异种材料连接带来挑战。传统机械紧固和胶接的轻量化能力受紧固件和胶粘剂额外重量限制，因此热连接技术被提出并得到研究。连接强度是评价结构可靠性和安全性的关键问题，与金属-金属接头不同，金属与CFRP之间连接质量更取决于材料界面行为。已有研究如Xia et al.、He et al.、Geng et al.、Ito et al.、Lionetto、Arkhurst et al.等表明，CFRP树脂基体热分解会生成界面孔隙，降低金属与氧的成键原子比例，削弱树脂基体内聚强度，并可能成为主要断裂位置。因此，普遍观点认为CFRP分解对金属-CFRP热连接强度不利，但现有研究多停留在定性分析。工程中常以TGA（热重分析，Thermogravimetric Analysis）中5%质量损失定义CFRP起始分解温度，并据此判断过热和连接强度下降。然而，塑料热降解是非线性过程，起始温度触发后随温度升高持续加速；TGA实验室加热速率通常不高于100°C/min，而实际焊接条件可超过1000°C/s，且CFRP导热性差，高加热速率可能放大样品温度与测量值之间的系统偏差，影响热降解行为和动力学。因此，有必要提出聚合物热分解程度的定量预测方法，以支持金属与CFRP异种材料连接质量评价。

研究人员开展了平行TGA测试以明确CFRP热降解行为，基于Arrhenius方程和反应模型建立数学模型，将分解速率与温度关联；借助PINN（物理信息神经网络，Physics-Informed Neural Network）反演关键参数；再根据热循环以增量方式定量预测CFRP分解程度，从而综合考虑时间和温度对动态过程的影响。总体结论是：CFRP热分解受温度和时间协同影响，可用Arrhenius方程和反应模型描述；较高加热速率下TGA曲线右移，实际焊接中的分解行为难以在实验室条件下直接实验分析；所建模型对不同加热模式下TGA结果的预测误差在5.5%以内；在600 W激光圆焊接中，CFRP分解度预测约为2.39 wt%，界面附近平均孔隙率约为7.97 vol%；分解生成孔隙和海绵结构，为载荷条件下断裂提供薄弱点。该研究为焊接过程中CFRP热分解程度提供了定量评价手段，对金属-CFRP连接质量评估具有重要意义。

关键技术方法方面，研究对象为80 wt% PA6（聚酰胺6，Polyamide 6）与20 wt%短切CFs（碳纤维，Carbon Fibers）组成的CFRP，样品由Genius Advanced Material Company, Hefei, China提供。采用连续升温TGA（8个加热速率，5-100°C/min，目标700°C）和加热-保温TGA（320-460°C，保温60 min）。建立Arrhenius方程和反应模型描述分解过程；采用KAS（Kissinger-Akahira-Sunose）、FWO（Flynn-Wall-Ozawa）和Starink三种无模型方法计算活化能；采用不变动力学参数法确定指前因子。构建PINN，基于PyTorch平台，网络结构为2-32-32-1，采用Tanh激活函数和MSE（均方误差，Mean Squared Error）损失，通过自动微分求解ODE（常微分方程，Ordinary Differential Equation），反演反应模型系数。结合DP980-CFRP激光圆焊接热历史预测分解。

研究结果如下。4.1 连续加热过程中的分解行为：连续升温TGA结果显示，CFRP分解可分为水分蒸发、分解触发并加速、减速三个阶段；最终大部分树脂基体降解，少量CFs在空气中烧失，残余质量可能低于20%。随加热速率升高，TGA曲线右移；按5%质量损失定义，起始分解温度在5°C/min时约为375°C，在100°C/min时约为410°C，说明传统分解判定不够精确和科学。慢加热速率使CFRP在分解温度区间停留更久，加速阶段在更低温度完成，5°C/min时尤为显著。实际焊接过程中热历史不足以支持CFRP完全热降解，质量损失主要来自树脂基体而非CFs烧失，因此模型只考虑前者，并提取80%质量损失内TGA数据计算转化度。4.2 加热-保温过程中的分解行为：加热-保温TGA结果显示，质量损失初期呈线性，斜率随保温温度升高而增大，说明CFRP分解受温度和时间协同影响；反应速率由温度决定，分解程度随时间累积。320°C时CFRP总质量几乎不变，说明热降解需更高温度触发。初始线性阶段分解速率随温度升高而加速更显著；但转化度较充分后，分解速率迅速下降，在440°C和460°C尤为明显，说明仅将分解速率视为温度函数不足以准确预测CFRP分解。

讨论部分如下。5.1 Arrhenius方程中的参数确定：采用KAS、FWO和Starink三种无模型方法计算空气中CFRP分解活化能。转化度在0.1～0.8时三种方法曲线斜率相似，说明主分解反应及相关活化能稳定；转化度达到0.9时斜率变化方向相反，反应更复杂，偏离前期主反应。研究仅采用0.1-0.8转化度数据计算活化能，并简化为平均值，最终E_a确定为234.89 kJ/mol。指前因子A通过不变动力学参数法确定，利用不同反应模型拟合得到参数对并考虑补偿效应，A估计为37.42 min^-1。5.2 反应模型的参数反演：PINN训练中总损失受ODE损失显著影响，在物理控制方程约束下约2000个训练轮次快速收敛，最终总损失、数据损失和ODE损失分别约为7.37×10^-4、7.33×10^-4和4.24×10^-6。反应模型参数m和n初值设为1.0，约18000训练轮次后收敛于-0.97和1.17。用A1-A4较低加热速率数据按全部数据划分训练集80%和验证集20%，A5-A8较高加热速率数据作为测试集；各案例RMSE（均方根误差，Root Mean Square Error）通常在5%以内，说明PINN对连续加热转化过程预测有效，关键参数反演可接受。5.3 定量模型的变化：关键参数确定后，CFRP（80 wt% PA6+20 wt% CFs）分解定量模型可表达。为避免发散并保证计算精度，初始转化度预设为1.0×10^-5，时间步为0.001 s。用加热-保温TGA验证：320°C时总质量几乎不变；温度更高时开始分解但质量变化有限，呈线性下降；保温温度超过420°C后呈现倒S形曲线，说明树脂过热加速热降解，残余质量超过20%，分解未完成。所有案例RMSE在5.5%以内，表明模型能考虑温度和时间影响有效预测分解；高保温温度案例误差出现在减速阶段而非加速阶段，实际焊接短时高温类似TGA初始阶段，因此该误差不应影响焊接条件下模型性能。5.4 焊接条件下CFRP的分解：基于已验证的DP980-CFRP激光圆焊接界面最大温度分布和热历史，采用动力学公式计算分解场。尽管焊接热输入可使金属-CFRP界面高温，但持续时间不足以产生显著分解；界面最大分解度约2.4 wt%。450 W时最大界面温度约376°C，分解度仅0.263 wt%；600 W时峰值温度约449°C，分解度约2.4 wt%。分解在低温时缓慢、高温时快速，冷却初期仍连续。由于激光束圆形振荡且能量分布呈谷型，热循环存在高温平台而非尖峰，可将热历史分为加热、保温和冷却阶段；加热阶段贡献约一半分解，保温阶段约20%，冷却阶段约30%。5.5 CFRP分解对接头强度的影响：工业CT（计算机断层扫描，Computed Tomography）显示，450 W时CFRP片致密，界面附近孔隙少；600 W时分解更显著，出现大量尺寸差异明显的孔隙，小孔倾向位于熔区底部。450 W时孔隙仅在0.1 mm深度出现，0.25 mm和0.35 mm深度消失。600 W时熔区更大更深，熔区内大量孔隙，较小孔隙倾向在边缘聚集，可能由CFRP凝固收缩而非分解引起；热效应和气泡生成使熔融塑料体积膨胀，溢流塑料可填充搭接区中心甚至挤出边缘。气泡被溢流塑料推动或分散，孔隙分布无序但呈流线，使致密树脂基体转为海绵结构，可能影响连接强度。Avizo软件分析界面附近薄层平均孔隙率约0.35 vol%（450 W）和7.97 vol%（600 W）；孔隙率为体积分数，而分解预测为局部质量分数，不能直接验证。分解和孔隙生成过程为：加热阶段CFRP先熔化，热效应引起体积膨胀但溢流有限；继续加热时树脂分解生成气泡并显著膨胀，溢流塑料填充搭接区并向约束较弱方向移动，气泡在黏性熔体中推动分散；冷却阶段继续分解产生更多孔隙，溢流塑料从搭接区挤出，CFRP导热远低于钢，熔区底部塑料最后凝固，形成小收缩孔。界面断裂机制中，孔隙分三类：Type A与DP980直接相连，Type B靠近DP980但有薄塑料层，Type C为熔区底部收缩孔。界面结合强度通常弱于树脂基体，除非界面被机械互锁增强，否则断裂不易出现在熔区边界；气泡在焊接时被黏性熔融树脂包裹，Type A也不太可能；Type B在焊接接头中常见。CFRP显著分解时，孔隙在界面附近累积形成海绵结构，削弱CFRP基体强度，加载时部分表层优先断裂，SEM验证该现象。

结论翻译：1. CFRP热分解受温度和时间协同影响，可用Arrhenius方程和反应模型描述。2. 较高加热速率下TGA曲线右移，说明实际焊接中CFRP的分解行为不能在实验室条件下通过实验分析。3. 对于80 wt% PA6和20 wt% CFs的CFRP，指前因子、活化能、反应模型系数m和n分别确定为（原文该处未列出指前因子数值；讨论部分给出A为37.42 min^-1）、234.89 kJ/mol、-0.97和1.17。TGA测试中CFRP分解预测误差在5.5%以内。4. 600 W激光功率激光圆焊接中CFRP分解度预测约2.39 wt%；界面附近平均孔隙率分析为7.97 vol%。5. CFRP分解在界面产生孔隙和海绵结构，为载荷条件下断裂提供薄弱点。