表麵織構對1060Al-PET焊接接頭抗拉剪切強度的影響

金屬與塑料結合可以減輕產品重量，降低能耗。然而，金屬與塑料之間的高強度焊接是很難實現的。針對這一問題，提出了表麵紋理預處理和激光輻照焊接的方法，以實現金屬與塑料的高強度連接。在不同的激光功率和織構形貌參數下，采用激光從金屬側照射焊接的方法將表麵織構處理過的1060 Al與聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)進行了連接。研究表明，隨著激光功率的增大，接頭的抗拉剪切強度先增大後減小。拉剪試驗表明，表麵織構形成的機械錨固增強了節理的機械力。織構溝槽的深寬比影響接頭的拉剪過程。溫度模擬結果表明，織構槽的存在降低了熱傳導效率，阻礙了激光焊接過程中界麵的散熱。1060Al-PET接頭的最大抗拉強度達到48.4 MPa，與PET基體強度接近。1060Al-PET接頭的連接機理分為機械連接和化學連接兩種。 This study proposes an effective method to join metal to plastic which achieved high-strength connection between metal and plastic.

新材料、新能源的應用為現代工業注入了強勁的動力。近年來，金屬與高分子材料的連接在輕量化方麵有著廣闊的應用前景。高分子材料(聚合物)廣泛應用於許多工業，以實現製造部件的減重、電絕緣和良好的耐腐蝕性能[1,2］．特別是聚合物之一的PET，憑借其輕量化和顯著的力學性能，被應用於數字產品、汽車等結構材料[3.,4,5］．此外，纖維增強熱塑性複合材料是一種新型輕質結構材料。因其比強度高、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好，廣泛應用於新能源設備、航空航天、汽車製造等領域[6,7］．因此，研究纖維增強熱塑性複合材料與金屬的連接具有良好的工程應用價值。由於纖維增強熱塑性複合材料的主體部分是由熱塑性樹脂構成的。當它與金屬連接時，接觸麵實際上可以被認為是金屬和塑料之間的連接。金屬是工業生產中使用的最重要的工程材料。特別是鋁合金在汽車工業和航空航天領域的廣泛應用[8,9]，因其密度較低，耐腐蝕性好，強度較高，成型性好[10,11,12］．不同材料如金屬和塑料的連接具有獲得更好的結構性能的優點。因此，大多數工程結構都是由金屬和塑料製成的。然而，塑料與金屬材料的定向連接是困難的，因為它們的化學和物理性質根本不同。

塑料與金屬直接連接的方法有摩擦點焊(FSW)和激光連接等。岡田俊彌[13和彭軍[14]對鋁合金和塑料進行攪拌摩擦焊。他們成功地實現了鋁合金與ABS和PET的連接。但是FSW技術也有它自己的缺點。如攪拌摩擦焊要求攪拌焊頭剛度高，材料表麵質量高。因此，該技術應用成本較高。激光焊接是連接金屬和塑料材料的另一種方法。為了獲得性能良好的金屬-塑料搭接接頭，研究人員開發了金屬和塑料的激光直接連接工藝[15,16,17,18］．在這個過程中，激光束隻是從金屬麵照射。該技術通過在塑料和不同金屬材料(如不鏽鋼、鎂合金和鋁合金)之間生產性能良好的接頭，改善了其前景。但金屬-塑料結合部不能同時承受高拉剪載荷。

為解決這一問題，將表麵預處理技術應用於金屬-塑料焊接中。研究人員提出了許多處理金屬零件表麵的方法，包括噴砂、噴丸強化和化學處理。但這些方法都存在著缺乏靈活性和環境汙染等共同缺點。相反，激光表麵處理可以避免這些問題。Grujicic回顧了以往聚合物-金屬連接的不同方法，指出基於微尺度機械聯鎖的方法是最有前途的方法[19］．赫克特和紮伊[20.據報道，激光處理的表麵結構可用於鋁與纖維增強熱塑性塑料的熱連接。榮格等人[21,22]進行了碳纖維增強塑料(CFRTP)與不同金屬材料的激光焊接。研究發現，由於塑料表麵存在微孔，金屬-塑料接頭的抗拉剪切強度有一定的提高。Roesner等人[23,24]對鋁合金和玻璃纖維增強尼龍的異質材料進行了激光焊接試驗。對鋁合金表麵進行激光預處理，有效地提高了接頭的抗剪強度。為探討表麵預處理對節理抗拉抗剪強度的作用，Rodríguez-Vidal等[25]利用脈衝激光輻射在HC420LA(一種低合金鋼)表麵處理微觀圖案。然後他們使用連續波(CW)光纖激光器實現了HC420LA與PA6-GF30(玻璃纖維增強聚酰胺)之間的連接。他們研究了線形組織的槽角和槽間距對接頭強度的影響，發現槽間距是影響接頭強度的主要因素。當溝槽間距為200 μ m時，接頭的最大抗剪強度為12 MPa。劉等人。[26和Li [27]研究了表麵織構對316L不鏽鋼和PET接頭性能的影響。通過比較有織構的316L-PET接頭與無織構的316L-PET接頭，他們發現不同材料的抗拉剪切強度都是通過激光輻照燒蝕表麵得到提高的。

以往的研究表明，激光照射在金屬表麵後，金屬零件表麵會形成織構溝槽。在激光焊接過程中，熔化的PET穿透到金屬表麵的織構溝槽中，形成機械錨固效應。雖然表麵織構可以有效地提高接頭強度，但目前還沒有全麵了解表麵織構形態對金屬與塑料異種焊接的影響。

本文將表麵織紋和激光輻照焊接應用於鋁合金(1060Al)-PET焊接中，獲得了高質量的1060Al-PET焊接接頭。采用振鏡掃描光纖激光器在不同的標記離焦和標記次數條件下產生表麵紋理。研究了不同形貌參數對1060Al-PET焊接接頭抗拉剪切強度的影響。

材料

實驗中使用的金屬材料為1060Al，尺寸為120 mm×25 mm×1.5 mm。與其他金屬相比，鋁合金具有密度低、比強度高等優點[28,29,30.］．1060Al的化學成分和物理性能見表1而且2,分別。采用尺寸為120 mm×25 mm×2 mm的PET板作為聚合物進行激光焊接。PET的物理性質和化學式見表3.．PET的化學式為(C₁₀H₈O₄)n，其化學結構為酯羰基。事實上，由於C原子的活性，酯羰基在焊接過程中很容易與金屬元素發生反應[26］．由Al和PET組成的組件，既能保證高的連接強度，又能滿足輕量化的要求[31］．

實驗方法

1060Al-PET激光焊接工藝實驗裝置如圖所示1．兩個不同材料的板被兩個壓板用兩個螺栓搭接固定，每一個壓板平均承受35 N·m的扭矩。搭接長度為50 mm。TruDisk 8002 (FD25)激光器，最大功率為8 kW，波長為1060 nm。激光束焦點處光斑大小為0.2 mm。1060Al-PET激光焊接的條件是離焦距離為60mm，移動速度為v= 0.9米/分鍾。如圖所示1，激光焊接方向垂直於寬度尺寸。

在1060Al- pet激光焊接之前，使用YLPM-1-4×200-20-20振鏡掃描光纖激光設備(IPG Inc.)對1060Al的搭接表麵進行織構處理。激光裝置采用高能量密度激光束對聚焦激光束暴露的1060Al表麵進行燒蝕。本實驗在激光功率為20 W、燒蝕速度為500 mm/min的條件下，通過調節離焦量和標記次數來改變織構形貌。然後對1060Al和PET進行激光焊接。首先，在脈衝頻率為25 Hz、脈衝寬度為20 ms的條件下，對脈衝激光功率(激光功率)進行優化，以獲得性能良好的搭接接頭。激光功率範圍為1400 ~ 1800w。然後分別通過正交試驗和單因素優化試驗，探討了表麵織構形態和織構距離對1060Al-PET接頭性能的影響。

實驗結束後，用徠卡DM2700M光學顯微鏡對焊縫形貌進行觀察。采用TWC-2020型電子萬能試驗機(中試設備有限公司)對驗收接頭進行拉伸試驗，評定接頭抗拉剪切強度(MPa)。另外，在拉伸試樣兩端固定1.5 mm和2mm的板，以保持夾緊厚度一致(如圖)2)．由於本文收到的樣品為非標準拉伸樣品，因此等效抗拉強度(P)作為關節強度的評價標準。其等效抗拉強度表示為:P＝F/年代，其中F為拉力(N)，為年代PET片材截麵積(mm²)．為了確定表麵織構對1060Al-PET接頭強度的影響，對焊接過程中的溫度場進行了模擬。利用JSM-6510F掃描電子顯微鏡對焊縫樣品進行SEM-EDS分析，研究焊縫元素的含量和分布。拉伸試驗結束後，選取去除1060Al表麵殘餘PET的有代表性斷裂試樣，對接頭的連接機理進行研究。然後在無殘留PET的連接區域進行Frontier FT-IR紅外光譜儀檢測特征官能團。

表麵織構1060Al-PET接頭激光焊接試驗

在進行激光功率優化實驗之前，采用激光裝置對1060Al表麵進行了織構處理，織構距離為0.5 mm。表麵紋理的標記和形貌參數如圖所示3.．

不同激光功率下1060Al-PET接頭典型氣泡形態見表4．鍵合區充滿了氣泡。隨著激光功率的增加，結合麵積和氣泡數量明顯增加。激光功率的增加總是伴隨著積累熱量的增加。在激光焊接過程中，由於焊縫溫度升高，PET開始分解成氣泡。

為了評價1060Al-PET接頭的強度，對其進行了拉剪試驗。數字4顯示了關節強度作為激光功率的函數。激光功率為1600 W時，拉伸強度有達到最大值的趨勢，超過44 MPa。它可以看作是能量輸入的影響。在一定的焊接速度和離焦量下，激光功率直接關係到1060Al表麵接收到的能量密度。1060Al-PET界麵形貌表明，當激光功率為1600 W時，氣泡的體積和數量適中，接頭的抗拉剪切強度最大。在氣泡膨脹過程中，表麵織構對氣泡有一定的劈裂作用。然而，隨著激光功率的增加(如1700 W和1800 W)，氣泡體積過大，無法減少表麵紋理的分裂效應。因此，關節強度反而降低了。

不同激光功率下1060Al-PET接頭的斷裂形貌如圖所示5．隨著激光功率的增加，材料的斷裂模式由混合斷裂轉變為基底塑性斷裂。固定骨折發生在激光功率為1400 W時。在低能量輸入條件下，少量PET分解並產生氣泡，不能形成高連接強度。在拉伸試驗中，瞬時衝擊導致混合斷裂，同時發生斷裂。隨著激光功率的增加，焊縫邊緣出現頸狀斷裂。激光功率為1700 W和1800 W時，焊縫邊緣發生基底塑性斷裂。隨著功率的增加，斷口處出現了一係列裂紋。

1060Al-PET接頭的織構形態和標記距離的影響

采用正交優化試驗方法，在1600 W激光功率下研究了表麵織構形態對1060Al-PET接頭性能的影響。通過標記離焦和標記次數等標記參數來表征紋理形態。該工藝確定的參數如表所示5．

紋理標記離焦和標記次數的正交優化試驗結果如表所示6．結果表明，標記次數對關節強度的影響大於紋理標記離焦的影響。1060Al-PET接頭抗拉剪切強度最大值出現在標記離焦為0mm時，標記次數為12次。在此條件下，表麵紋理的形貌參數如圖所示6(a)深度為103.7 μm，寬度為43.9 μm，深寬比為2.3;1060Al-PET最佳焊縫形貌如圖所示6(b).可以看到織構形狀良好，內壁相對光滑，有利於PET熔融填充。此外，激光打標過程中，凹槽邊緣附近存在閃光現象，可以嵌入到PET基體中，增強激光焊接時的錨固效果。在此條件下，氣泡數量和形狀適中，節理形成良好的形貌。接頭的最大抗拉強度為47.08 MPa。

以上述優化參數為基礎，探討了織構距離對1060Al-PET接頭性能的影響。不同紋理距離下的節理形貌見表7．結果表明:隨著織構距離從0.3 mm增加到0.7 mm，接頭的結合麵積成比例地增加;氣泡體積也明顯增大。從微觀形貌來看，表麵織構對氣泡形貌有明顯的影響。當織構距離較小時，氣泡生長過程受表麵織構的限製。隨著織構距離的增大，限製效應減小，氣泡體積增大。

數字7顯示不同織構距離下1060Al-PET接頭強度。隨著織構距離的減小，接頭強度有增大的趨勢。但當織構距離減小到0.4 mm時，接頭抗拉剪切強度不再提高，達到48.4 MPa，相當於PET基體強度的100%。紋理距離對1060Al-PET接頭性能有兩個方麵的影響。第一種方法是在激光焊接過程中，在較低距離時，根據表麵紋理將焊縫束中的氣泡分割成較小的形狀;另一種方法是利用氣泡周圍產生的高壓將PET熔體壓入織構槽內，使表麵織構填充更加緊密。此外，由於紋理凹槽的存在，實際連接麵積增大。隨著織構距離的減小，織構槽的密度增大，機械錨固效應更加明顯。當織構距離減小到0.4 mm時，接頭強度已達到PET基體強度的100%。因此，當織構距離繼續減小時，接頭強度不再得到提高。

不同織構距離下1060Al-PET接頭的斷口形貌如圖所示8．拉伸剪切試驗中，在織構距離為0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm處，焊縫梁邊緣發生頸狀斷裂。隨著織構距離的增加，節理強度降低，節理斷裂方式向基底塑性斷裂轉變。

紋理深度/寬度比對關節屬性的作用

表麵織構的形貌參數對1060Al-PET接頭性能有重要影響。1060Al-PET接頭強度與深寬比的關係如圖所示9．從第一部分可以看出，1060Al-PET接頭在0 ~ 1.5的比值下，抗拉剪切強度相對較弱。另一部分節理的抗拉抗剪強度在深/寬比為1.5 ~ 3.5範圍內呈現先增大後增大再減小的趨勢。得到的1060Al-PET接頭具有較高的抗拉剪切強度，織構深度為97 ~ 115 μm，深寬比為2 ~ 3。下麵對上述結果進行說明。

PET在不同深度/寬度比拉伸試驗時的拉伸力示意圖如圖所示10．當深度/寬度比為1.1時，紋理槽內壁與上表麵呈一定角度傾斜。在拉伸剪切試驗中，這個角度會導致拉力的向上分量。因此，在織構槽內的PET容易脫離織構，導致接頭失效。作為對比，在深寬比為2.3時，紋理槽內壁幾乎垂直於上表麵。拉剪試驗中，不存在向上分量的力垂直於織構內壁。因此，PET不易逃離紋理槽，表麵紋理的錨定效果得到了很大的加強。

不同深寬比下的典型裂縫模式對比如圖所示11．接頭的斷裂為焊縫邊緣母材斷裂，如圖所示11(a).從斷裂位置看，PET完全從斷裂位置表麵的織構槽處崩解，織構槽內無PET殘留。深寬比為2.3的頸狀斷裂如圖所示11(b). PET基體的頸狀斷裂發生在焊縫邊緣，組織槽被PET很好地填充，沒有發生分離和斷裂。拉剪試驗結果與圖中分析一致10．

當比值大於3時，拉剪試驗結果正好相反。如圖所示12由於深寬比太大，PET不能滿足溝槽，織構底部出現氣泡，而在深寬比為2.3時，PET熔體滿足織構溝槽。槽內氣泡不利於接頭的抗拉強度。因此，在太大的深寬比下，很難獲得高強度的1060Al-PET接頭。

1060Al-PET激光焊接過程溫度模擬

眾所周知，溫度是決定關節性能最關鍵的因素之一。因此，有必要對鍵合區進行溫度模擬。幾何模型由20 mm×25 mm×1.5 mm的1060Al板和20 mm×25 mm×2 mm的PET板組成。為了簡化模擬過程，選取紋理寬度為0.2 mm，深度-寬度比為2的紋理形態進行放大。幾何模型如圖所示13．1060Al和PET的物理性質見表8．在溫度模擬中，沒有考慮熱物性隨溫度的變化。利用SYSWELD軟件對所建立的模型進行數值模擬。由於激光束的功率密度分布接近高斯分布，故實驗中采用高斯熱源[32］．

數字14溫度模擬結果表明，與非織構1060Al-PET接頭的最高溫度為509℃相比，織構接頭的高溫區域更為集中，最高溫度達到526℃。由於1060Al與PET的熔化溫度相差很大，產生的熱量使界麵處的PET區熔化熔化，而1060Al則保持固態。在此條件下形成了具有較高抗拉剪切強度的接頭。當激光在金屬表麵工作時，熱量主要通過1060Al基體傳遞到搭接表麵。一方麵，織構溝槽的存在降低了傳熱效率，導致短暫的熱量積累;另一方麵，由於高壓作用，組織槽被熔融的PET填充。考慮到1060Al基體與PET基體的巨大差異，激光焊接過程中阻礙了界麵散熱。因此，焊接過程中高溫區域較為集中。

1060Al-PET焊接接頭的結合機理

為了了解金屬與PET的結合機理，本節討論了機械錨固效應。需要指出的是，PET與金屬之間的化學鍵對接頭的力學性能起著重要作用。

數字15顯示了表麵紋理對機械錨固效果的作用示意圖。激光焊接時，焊縫溫度達到350℃以上(PET降解溫度)，表麵織構周圍會出現大量氣泡。首先，隨著氣泡在相互作用時間內的生長和相互連接，可以促進熔體流動性;這些氣泡的產生和快速膨脹所產生的高壓使熔融的PET壓入織構槽內，使表麵織構填充更加緊密。另一方麵，表麵紋理不僅在金屬表麵形成了一係列的凹槽，還產生了嵌入PET的閃光。因此，焊縫界麵的坡口和閃口可以達到機械錨固的效果。表麵織構的方向垂直於拉伸方向，可以充分發揮機械錨固作用[34,35]，顯著提高了節點的抗拉剪切強度。

1060Al-PET接頭界麵組織如圖所示16．為了進一步確定1060Al與PET的激光焊接特性，選取典型接頭進行了SEM-EDS檢測。數字17圖為織構槽和界麵的SEM-EDS分析結果16．可以看出，在接合界麵處熔融PET填充了織構槽，則熔融PET點1中分析的點的代表元素的化學成分為76.88 wt%碳，22.94 wt%氧。關節界麵用點2表示。第2點的化學成分中碳含量為7.39 wt%，氧含量為3.58 wt%。由於1060Al中不存在碳，可以認為界麵處的碳與1060Al發生了絡合。對紋理和界麵的線性掃描結果如圖所示17(b)槽內和界麵處碳元素明顯增加，與點掃描結果一致。結果表明，表麵織構不僅通過機械錨固效應顯著提高了接頭強度，而且增加了焊縫的實際結合麵積。此外，增大的結合麵積有利於接頭的力學性能。

對試樣進行紅外光譜分析，探討1060Al與PET分子的結合形式。在1747 cm處有兩個特征吸收峰⁻¹1146厘米⁻¹在圖18．羰基(C=O)的吸振峰範圍為1900-1680cm⁻¹，其中酮為1720-1715cm⁻¹，醛為1740-1720 cm⁻¹酯為1750-1735 cm⁻¹［28］．因此，C=O基團對應於1747 cm處的特征吸收峰⁻¹是酯羰基。特征吸收峰在1146 cm處⁻¹在圖18與乙醚鍵對應，因為乙醚鍵(C-O-C)的範圍是1300-1050 cm⁻¹．一方麵，C=O基團中的碳原子是活性碳原子，具有電負性，容易獲得電子。在激光焊接過程中，Al元素以羰基與碳結合形成金屬配合物。另一方麵，醚鍵上的氧相對穩定，金屬不易結合。綜合EDS和光譜分析結果，PET中的CO基團與1060Al中的Al元素發生絡合反應，形成高強度化學鍵。高強度的化學鍵是高強度接頭的重要因素。這一結論與許多相關研究一致[16,26,27］．

將表麵織紋和激光輻照焊接應用於1060Al-PET焊接，獲得了高質量的1060Al-PET接頭。拉伸剪切試驗表明，激光功率和織構標記參數對粘結強度有較大影響。研究了織構形貌對接頭強度和結合機理的影響。研究結果可以總結如下。

1. (1)

   在較寬的焊接參數範圍內，采用金屬側激光照射焊接成功地將具有表麵紋理的1060Al與PET結合。

2. （2）

   拉伸剪切試驗表明，在織構深度為97 ~ 115 μm、深寬比為2 ~ 3、間距不大於0.4 mm的條件下，可獲得性能良好的1060Al-PET接頭。最大抗拉剪切強度達到48.4 MPa，相當於PET基體強度的100%。相同焊接參數下，無織構1060Al-PET接頭的最大強度為33.75 MPa [17］．結果表明，表麵織構可以提高1060Al-PET的連接強度。

3. （3）

   表麵織構和PET形成的機械錨固增強了節理的機械力。織構溝槽的深寬比影響接頭的拉剪過程。在較低的深寬比下，在織構槽內的PET容易由於向上的拉力分量而脫離織構。當比例過大時，由於PET未填充槽，織構底部出現氣泡，機械錨固效果降低。

4. （4）

   表麵織構影響焊接傳熱過程。一方麵，織構溝槽的存在降低了傳熱效率，導致短暫的熱量積累;另一方麵，考慮到1060Al基體與PET基體之間的巨大差異，在激光焊接過程中阻礙了界麵散熱。

5. （5）

   1060Al-PET接頭的連接機理分為機械連接和化學連接兩種。

不適用。

吉林省自然科學基金項目(20200201230JC)資助。

作者和隸屬關係

1. 長春理工大學機電工程學院，吉林長春130022

   劉佳，戴玉馳，石岩，崔文福，江濤

2. 吉林省高校激光加工工程研究中心，吉林長春130022

   劉佳，戴玉馳，石岩，崔文福，江濤

3. 國家光學國際科技合作基地，吉林長春130022

   劉佳，戴玉馳，石岩，崔文福，江濤

貢獻

JL負責整個試驗;YCD撰寫手稿;WFC和TJ協助取樣和實驗室分析。YS監督了這項研究。所有作者閱讀並批準了最終稿件。

作者的信息

劉佳，1983年生，現任北京大學副教授長春理工大學，中國．他獲得了博士學位長春理工大學，中國2012年。主要研究方向為激光焊接、激光複合材料加工及其有限元模擬技術。電話:+ 1 - 86-431-85582207。電子郵件:liujia@cust.edu.cn。

戴宇馳，1994年生，現為清華大學博士研究生長春理工大學激光加工工程研究中心．電子郵件:1377416376 @qq.com。

嚴石，1972年生，現任北京大學教授長春理工大學，中國．他獲得了博士學位長春理工大學，中國2007年。電子郵件:shiyan@cust.edu.cn。

崔文福，1993年生，現就讀於清華大學碩士研究生激光加工工程研究中心“，,長春理工大學，中國．電子郵件:17543067527 @163.com。

江濤，1992年生，現就讀於清華大學碩士研究生激光加工工程研究中心“，,長春理工大學，中國．電子郵件:815793095 @qq.com。

相應的作者

對應到劉賈．

相互競爭的利益

作者聲明沒有競爭的經濟利益。

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