碳纤维复合材料与钛合金激光焊工艺研究

[作者：杨峰骅（2005-），男，辽宁。长春工程学院，焊接技术与工程。通讯作者：王毅（1980-），女，长春。

主要研究先进材料的连接。基金项目： 大创项目（S202411437087）吉林省教育厅项目（JJKH20220631KJ）]

摘要：本文研究了不同工艺参数下激光焊碳纤维复合材料与钛合金接头微观组织，经研究发现当焊接功率530W，焊接速度3mm/s，离焦量15mm时，焊缝表面成形好，焊接缺陷较少，同时剪切强度较高。

关键词：碳纤维复合材料；钛合金；连接技术；微观组织；激光焊接

1.引言

碳纤维复合材料是一种以树脂为基体，碳纤维为增强体的材料，具有密度小、刚度高和耐蚀性优良等优异性能[1-2]。钛合金具有抗拉强度和疲劳强度高、比强度和比刚度高以及耐腐蚀性能好、低温性能好等特点，已成航空航天工业中极其重要的结构材料[3-4]。但由于二者之间物理化学性质差距较大，传统的胶接和铆接存在老化和应力集中的问题[5-6]。近年来，Hengchang Bu等[7-8]人采用激光焊连接6061铝合金和碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP），降低了接头的失效载荷；邹鹏远等人[9]研究并分析了CFRP与金属激光焊接的焊接工艺、组织结构优化以及焊前金属表面处理对接头成形的调控；邹祺等人[10]通过不同激光清洗工艺参数下CFRTS的表面形貌、PA树脂填充情况、接头断口形貌的对比分析，结果发现：激光清洗CFRTS可以显著增强CFRTS-TC4钛合金接头的强度。从以上的分析可以看出，碳纤维和钛合金连接是一个复杂且具有挑战性的任务，本文采用激光焊接对碳纤维复合材料与钛合金进行连接，通过改变激光功率、焊接速度、离焦量工艺参数对碳纤维复合材料与钛合金激光焊接头成形质量的影响规律进行研究。

2.试验材料与方法

试验采用50mm25mm2mm碳纤维增强的热塑性复合材料（CFRTP）与50mm25mm1mm的钛合金进行连接。试验装配示意图如图1，焊接工艺实施方案如表1所示。

3.试验结果与分析

3.1激光功率的影响

图2是焊接速度为3mm/s，离焦量为15mm，不同激光功率下，碳纤维复合材料与钛合金接头微观组织形貌。由图可见，激光功率为500W时，钛合金和碳纤维复合材料（CFRTP）界面处产生熔合，但熔合厚度非常小，同时还存在少量的气孔和裂纹；随着激光功率的增加，当激光功率增加至525W时，异质材料界面处熔合物质增加，而且熔合物质在界面处分布均匀，同时观察不到焊接缺陷；当激光功率增加至550W时，异质材料界面处熔合物质虽然增加，但分布不均匀，同时可以观察到有少量的裂纹。可见，激光功率为525W时，异质材料界面处的连接情况较好。

3.2焊接速度的影响

图3是不同焊接速度下，碳纤维复合材料与钛合金接头微观组织形貌。当焊接速度为2mm/s时，此时焊缝产生了大量的气孔，如图3（a）所示；钛合金主要由颗粒状的马氏体α'相和α相组成，碳纤维复合材料材料中含有少量的钛合金组织，但分布不均匀；当焊接速度增加至3mm/s时，异质材料界面处生成了钛合金板与碳纤维复合材料材料的熔合物质，该熔合物质在焊缝界面处分布均匀；当焊接速度增至4mm/s时，异质材料界面处产生的熔合物质减少，而且在界面处分布不均匀，可见当焊接速度为3mm/s时，异质材料界面的连接情况较好。

3.3离焦量的影响

图4是激光功率为530W，焊接速度为3mm/s时，不同离焦量异质材料界面微观组织形貌。由图可见，离焦量为5mm时，异质材料界面处熔合物质较多，分布不均匀，由于此时焊接热输入较大，最高温度高于马氏体转变温度，界面处钛合金侧生成针状马氏体α'相和块状α相，碳纤维复合材料侧夹杂着大量熔化的树脂，分布不均匀；随着离焦量的增加，当离焦量增加至10mm时，界面处熔合物质较少，而且该熔合物质在异质材料界面处分布不均匀；离焦量增加至15mm时，界面处熔化物质分布均匀；当离焦量增加至20mm时，离焦量较大，焊接热输入较小，界面熔合物质较少且分布不均匀，界面处碳纤维复合材料发生熔化，产生极其少量熔化树脂。

4.结论

本文通过单一变量法，研究了工艺参数对接头界面微观组织的影响。当焊接功率为530W，焊接速度3mm/s，离焦量15mm时，接头界面处产生适量的熔合物质，且分布均匀，界面处钛合金侧显微组织主要是由针状马氏体α'相和块状α相组成。

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