CFRP激光表面预处理及其对胶铆混合连接接头性能影响

CFRP laser surface pretreatment and effect on properties of adhesive-riveted hybrid joints

摘要

CFRP因其优异的力学性能而被广泛关注，且CFRP与其他材料的高性能连接技术成为航空航天等领域的一个重要研究方向。在实际工程应用中，胶铆混合连接是一种常用的连接技术，而激光表面预处理作为胶接工艺中的重要一环，可以改变材料表面微观结构，能有效提升接头的连接性能。本文针对CFRP材料胶铆混合连接工艺，通过实验确定了激光扫描次数与CFRP表面沟槽深度的对应关系，分析了沟槽深度对接头强度的影响，研究了激光表面处理工艺参数对CFRP/Al胶铆混合连接失效机理的影响规律。结果表明，激光表面预处理后的胶铆混合连接接头比无表面预处理的接头，极限载荷提升了至少4.7%；其次CFRP/Al胶铆混合连接接头剪切强度会随着表面微沟槽深度的增加而增加，但是当其深度超过48 μm时，会导致胶接区域出现气泡缺陷，影响整体接头的力学性能。

Abstract

CFRP has been widely recognized for its excellent mechanical properties， and high-performance joining techniques between CFRP and other materials have become an important research direction in aerospace and other fields. In practical engineering applications， adhesive-riveted hybrid joining is a commonly used technique. Laser surface pretreatment， as a critical step in the bonding process， can modify the surface microstructure of the material， thereby effectively improving the joint performance. In this study， for the adhesive-riveted hybrid joining of CFRP， the relationship between the number of laser scans and the depth of surface grooves on CFRP is experimentally determined， and the influence of groove depth on joint strength is analyzed. Furthermore， the effects of laser surface treatment parameters on the failure mechanism of CFRP/Al adhesive-riveted hybrid joints are investigated. The results show that the ultimate load of laser-pretreated adhesive-riveted hybrid joints is at least 4.7% higher than that of untreated joints. The shear strength of CFRP/Al adhesive-riveted hybrid joints increases with the depth of surface microgrooves. However， when the groove depth exceeds 48 μm， bubble defects appear in the adhesive layer， adversely affecting the overall mechanical properties of the joint.

Graphical abstract

关键词

CFRP / 抽芯铆钉 / 表面预处理 / 激光处理

Key words

CFRP / blind rivet / surface pretreatment / laser processing

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有较高的比强度和比刚性，同时还有很好的轻量化效果^［1-3］，在航空航天领域得到广泛应用^［4-5］。在实际生产中，CFRP与其他材料常使用胶铆混合连接的方式^［6］。复合材料构件的胶接连接可以抑制裂纹扩展^［7-8］。铆接则具有一定的便捷性^［9-10］。随着对两种连接方式的进一步研究，发现和单一连接相比，胶铆混合连接接头的静强度和抗疲劳性均有所提升^［11-12］。激光表面预处理是一种绿色、高效的表面预处理方式，可以在胶铆混合连接的基础上进一步提升接头的力学性能。针对CFRP各向异性与非均质性的结构特点，开展其激光表面预处理工艺优化及其对胶铆混合连接接头性能影响规律的研究，对于提升复合材料结构服役性能具有重要意义。

激光束可对工件表面快速加热，实现局部急热，使表面的多余物质瞬间蒸发或剥离，高效地对表面进行了清洁^［13-14］。激光处理过程中，材料的变形小且激光可以改善材料的表面性能^［15］。激光处理会在材料表面形成凹槽，激活了接头与胶黏剂的机械互锁机制，使得接头强度提高^［16］。目前已有相关学者研究了该表面处理方式对材料连接性能的影响。郭亚涛等^［17］采用正交实验设计方法开展了表面预处理对自冲铆接头强度的影响研究，结果表明铝合金的表面预处理对自冲铆接头强度的影响比GFRP板板厚、搭接宽度和铆接压强三个工艺参数对自冲铆接头强度的影响大。Wan 等^［18］对铝合金AA 6022和AA 7075进行激光表面处理后，其表面表现出良好的润湿性能，为粘接剂在试样表面上的完全润湿提供了良好的条件，从而有效地提高了接头强度。Alyousef 等^［19］研究发现激光处理使得单向和准各向同性碳纤维复合材料的表面性能发生改变，包括表面能、官能团等，并伴随着微观机械互锁，使得接头强度提高。Tao 等^［20］采用双悬臂梁实验评估了激光表面处理凹槽结构对胶接接头Ⅰ型断裂韧性的影响，并进一步研究了表面结构对断裂机制的影响。Hashem等^［21］对碳纤维复合材料进行不同的激光处理，结果表明激光表面处理后形成的表面微结构，使得纤维与胶黏剂界面强度提高，从而使得整体接头强度和韧性大大提升。

总而言之，在胶接前对材料进行激光表面预处理，能有效地清洁材料表面，改变材料表面的物理及化学性能，最终提升材料之间的连接性能^［22］。然而目前大多研究主要针对单独胶接工艺，而关于激光表面处理对应胶铆混合连接影响规律的研究还未系统展开。本工作针对CFRP材料胶铆混合连接工艺，通过实验确定激光扫描次数与CFRP表面沟槽深度的对应关系，分析沟槽深度对接头强度的影响，研究激光表面处理工艺参数对CFRP/Al胶铆混合连接失效机理的影响规律，为碳纤维复合材料高性能连接工艺提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验选取的碳纤维增强复合材料采用T300纤维和BA9916环氧树脂，堆叠顺序为［0°/90°］_6s，层合板单层厚度为（0.15±0.01）mm，纤维直径为7 µm，材料厚度为2.5 mm。金属板材选取6063铝合金板，材料厚度为1.5 mm。以上材料具体力学性能参数如表1所示。实验件尺寸按照ASTM D5961标准设计为120 mm×25 mm，预制的装配孔尺寸为Φ4.9 mm，搭接长度为30 mm。连接件表面预处理范围为30 mm×25 mm。混合连接中使用的铆钉为航天精工股份有限公司研制的抽芯铆钉，由钉套，芯杆和锁环三部分组成。铆钉通过抽拉芯杆，使钉套发生形变，与板材产生过盈配合，从而达到连接的作用。

1.2 实验方法

激光处理采用的SK-MARKER型1064 nm光纤脉冲红外激光器，该设备最大功率为20 W，调节功率范围为5%~100%，激光器的详细工艺参数见表2。实验使用0.05 mm的光斑进行激光处理，间距为0.2 mm。图1（a）为激光加工示意图，激光垂直照射材料表面，CFRP表面纤维的方向与激光扫描方向垂直。本工作通过改变激光扫描重复次数控制材料表面沟槽深度。将胶铆混合连接实验材料分为四组，分别对其表面扫描2、4、6次和8次。使用激光扫描共聚焦显微镜测量了CFRP表面激光蚀刻沟槽的形状。该显微镜用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描成像，通过改变调焦深度，得到样品不同深度层次的图像，通过计算机分析和模拟，最终显示材料的立体结构。随后对黏合接头进行铣削并抛光，使用SEM对截面进行拍摄观察黏合界面。

使用万能力学试验机在室温下对CFRP/Al胶铆混合连接接头进行拉伸剪切实验，实验加载速率为10 mm/min。通过实验分析激光表面处理效果。每组准备三个单搭接试样以获得有效数据。实验中采用三维全场应变测量分析系统（DIC）分析接头在拉伸过程中的应力分布及受力变化情况，如图1（b）。该设备是在材料变形期间，使用相机对材料上的散斑点连续拍摄，通过比较拍摄的每张图像与变形初始图像，得到不同时刻散斑点的位移场，从而得到试件的应变值。

2 结果与分析

2.1 激光表面预处理结果分析

图2（a）是共聚焦显微镜拍摄的激光扫描8次时的CFRP表面三维图像，从图中可以看出，激光将表层0°铺层纤维烧蚀发生断裂产生沟槽，而表层树脂间的距离明显大于沟槽宽度。这是由于表层树脂有极高的透射率，当激光照射CFRP时，激光会穿过树脂直接使碳纤维迅速升温，并将热量迅速沿纤维方向传递给周围树脂。当树脂基体温度达到300 ℃左右时，树脂基体开始发生降解和解聚。当温度上升到450 ℃时，环氧树脂完全分解，碳纤维开始裸露。当温度继续升高并在达到500 ℃的过程中会有部分解聚产物燃烧生成易挥发或可燃的化合物^［23］。故当使用激光对CFRP进行表面处理时，激光未照射区域结构也会发生改变。图2（b）是用激光重复扫描次数8次时的CFRP表面单个沟槽的相应轮廓曲线。沟槽深度H定义为表面纤维与沟槽最低点之间的距离，沟槽宽度W定义为激光蚀刻的沟槽宽度最大值。

图3（a）为不同激光扫描重复次数对应的CFRP沟槽深度和宽度。可以看出，激光处理过的CFRP表面凹槽深度和宽度都随着激光扫描次数的增加逐渐增加。同时，从测量结果中可以看出，沟槽深度和沟槽宽度的增加率都有所下降。扫描第2至第4次时沟槽深度的增加率为96.6%，第4至第6次为37.1%，第6至第8次为19.6%。对于沟槽宽度，扫描第2至第4次时增加率为27.7%，第4至第6次为5.7%，第6至第8次为2.7%。这是由于随着沟槽深度的增加，焦点与被处理基体表面之间的相对距离发生了变化，导致每次激光扫描的输入能量减少。与深度不同，当扫描重复次数超过4次时，凹槽的宽度几乎不再增加。这主要是因为在超过4次扫描重复次数后，生成的凹槽宽度接近激光光斑直径，使宽度达到最大值。图3（b）为不同扫描次数下CFRP表面的SEM图像，从图中可以看出，不同扫描次数下的CFRP表面形态基本一致，都可以得到明显的沟槽。其次，由于热效应，随着激光扫描次数的增加，残留在表面的树脂基体面积逐渐减少。但当扫描次数增加到8次时，沟槽间的纤维出现成块脱落，造成明显的材料损伤。这是因为扫描次数增加，会导致更多的纤维断裂。同时树脂基体吸收的热量也更多，部分沟槽间的表面树脂完全分解，导致断裂的纤维脱落，降低了沟槽的锚固作用。

以同样的方式探究扫描次数与铝合金表面凹槽深度的对应关系。图4（a）是激光扫描重复次数为6次时铝合金表面预处理的三维图像。与CFRP不同，由于铝合金材料的各向同性，激光只在照射区域产生沟槽，对烧蚀区域外的部分没有产生影响。图4（b）是铝合金表面上单个凹槽的相应轮廓曲线。与CFRP表面凹槽形貌不同的是，铝合金表面凹槽边缘会出现“凸起”，其中槽深H被定义为铝合金未处理表面与沟槽的最低点之间的距离，槽宽W被定义为激光蚀刻槽宽度的最大值，沟槽突起高度P为铝合金未处理表面与凸起的最高点之间的距离。图4（c）为激光扫描重复次数与沟槽尺寸之间的关系。可以看出，激光处理铝合金表面的凹槽深度和凸起高度都随着激光扫描重复次数的增加而逐渐增加，而实验中测量凹槽的宽度W保持在约50 μm处几乎不变。有关文献研究表明^［24］，当激光束集中在铝合金表面上，表面的材料瞬间熔化并蒸发，周围空气压力急剧上升并在沟槽周围产生强烈的冲击波，这将熔融材料从沟槽向外喷射，并形成凸起的边缘。当扫描次数增加时，激光束作用在铝合金材料表面的时间更长，这使得更多的熔融材料在压力下喷出并聚集在沟槽周围形成了更高的凸起微结构并增加凹槽深度。为了防止铝合金沟槽深度变化影响接头的强度，在对照实验中，统一用激光对铝合金表面扫描6次。

图5是不同扫描次数下CFRP胶接界面截面SEM观察结果。从图中可以看出，当凹槽的深度较小时（17.8 µm和35 µm），在胶黏剂和CFRP之间的界面上会出现微观裂缝，这是由于激光对CFRP表面的输入能量较低导致表面污染物有残留（如CFRP表面的脱模剂），残留的污染物使胶黏剂不能与CFRP表面充分接触，且污染物留存在胶黏剂与CFRP表面之间，其一侧与胶黏剂紧紧粘连，另一侧吸附在CFRP表面，由于污染物对CFRP表面的吸附能力较小，故在黏合剂固化收缩的过程中，污染物随胶黏剂脱离CFRP表面，从而形成初始裂纹。随着沟槽深度增加到48 µm，裂缝不再出现。然而，当凹槽的深度进一步增加时，在胶层中会伴随气泡的出现，如图5（d）中的阴影区域。这是由于随着沟槽深度的增加，残留在沟槽底部的空气在固化过程中富集，移动到胶层并产生气泡。气泡的存在会导致胶黏层失效裂纹的提前出现，造成连接强度降低。

2.2 接头力学性能分析

不同激光扫描次数条件下胶铆混合连接接头载荷-位移曲线及极限剪切强度如图6所示。经过表面预处理的接头比未进行预处理的接头极限载荷提高了至少4.7%。激光扫描4次的接头比激光扫描2次的接头平均极限载荷提高了8.3%，激光扫描6次的接头比激光扫描4次的接头平均极限载荷提高了8.2%。但在第8次扫描时，剪切强度有所下降，结合之前的分析，造成该现象的原因可能是由于沟槽过深造成胶层在固化过程中出现气泡，从而导致胶层的质量变差。同时，由于在激光处理过程中较多纤维的断裂，树脂吸收热量发生分解，导致材料内部出现热损伤，最终导致接头强度下降。

图7为不同沟槽深度在拉伸破坏后的断裂表面的形貌图，从图中可以看出，CFRP-铝合金胶铆混合接头经过拉伸实验后，主要失效模式为材料内聚失效与胶层界面失效的混合失效，以及最终的铆钉拉脱失效。材料的内聚失效指CFRP中树脂在承载过程中萌生裂纹并扩展，同时伴随着少量纤维的断裂，使CFRP出现分层损伤。胶层的界面失效指接头所受载荷大于胶黏剂与实验材料接触界面之间的黏合力，导致胶层与材料产生分离而失去连接能力。随着沟槽深度的增加，残留在铝合金上的CFRP面积逐渐增大，即主要失效模式逐渐从胶层的界面失效向CFRP的内聚失效转变。造成这一结果的主要原因是，由于表面微观结构增强的锚固效果增加了胶黏剂和CFRP界面之间的黏合强度，使该黏合强度逐渐超过CFRP材料的内聚力。随着沟槽深度从17.8 µm增加到48 µm，CFRP表面的沟槽尺寸相应变大，使胶黏剂和CFRP之间的有效黏合面积增加，提高了胶黏剂的连接能力。同时，由于接头受剪切力时，沟槽内的胶黏剂可以将该剪切力分解为垂直于沟槽表面的分力，且沟槽尺寸越大，沟槽内胶黏剂可承载的剪切力越大，CFRP沟槽的锚固强度越强，故沟槽尺寸较大的接头的剪切强度大于沟槽尺寸较小的接头。

从图7（a）可以看出，激光对表面扫描2次时，胶层与两侧材料均发生了胶层界面失效，胶层与CFRP之间产生的失效裂纹扩展到中心铆钉处停止，原因是激光扫描次数少，导致对材料表面清理效果较差，使胶层与CFRP及铝合金界面的黏合强度都低。图7（b）是激光扫描4次的接头，其中搭接区域的三分之一发生CFRP材料的内聚失效，说明随扫描次数增加，胶层界面的黏合力也相应提升。扫描次数增加到6次时，如图7（c）所示，CFRP发生内聚失效的面积明显增加，而在铆钉周围半径约8 mm的圆周内发生了胶层的界面失效。结合接头先胶后铆的制备过程，分析原因，CFRP和铝合金塑性变形能力不同，且由于固化后的胶黏剂属脆性材料，所以在敦粗钉套的过程中，钉孔边缘的CFRP，铝合金及黏合剂的形变程度均不同，故两种材料与胶黏剂的接触面会产生较大的应力，从而导致钉孔周围应力集中的部分发生界面失效。当扫描次数进一步增加时，会出现胶层的内聚失效，如图7（d）所示。其原因可能是上文提及到胶层中气泡缺陷使胶层内聚力降低，失效产生的裂纹会沿着有气泡缺陷的方向发展。

为了进一步分析胶铆混合连接接头的失效机理，对沟槽深度为48 µm接头的拉伸失效过程应变场变化规律进行了分析，如图8所示。其中红色与黄色的区域表示材料的应变为正，处于拉伸状态；蓝色与紫色的区域表示材料的应变为负，处于压缩状态。当载荷提高时，剥离应变首先出现在区域A，应变最大值约为0.5%，使接头产生裂纹向区域B扩展。由于接头中心铆钉的限制，裂纹随着剥离应变的增大扩展至区域B中铆钉处停止。区域A产生剥离应力的原因是，当铝合金受到拉力时，材料发生变形，但在接触胶层的一侧由于受到沟槽内胶层的锚固力，接头内侧的铝合金不能沿剪切力方向变形，而材料的外侧发生塑性变形。材料变形的不均导致在铝合金头部产生了垂直于剪切力方向的剥离应力。剪切应变首先出现在区域C，应变最大值约为0.4%，产生裂纹向区域B扩展，最终在区域B内与剥离应变产生的裂纹相交。结合接头拉伸失效后的表面形貌图分析，发生内聚失效的CFRP界面均为0°铺层且该界面不是表面铺层，如图中所示，原因是当受到剥离应力时，CFRP内90°铺层的承载能力大于0°铺层。

为进一步揭示沟槽深度对胶铆混合连接接头的影响，对不同沟槽深度下接头在拉伸过程中的应变分布变化规律进行了分析，如图9所示。从图中可以看出，当沟槽深度为17.8 µm时，接头整体的应变较小，且接头受载过程中扭转的角度较小，接头失效产生的裂缝呈平整的直线。这是由于沟槽深度小时，胶层与材料之间的黏合力低，该黏合力决定接头的极限载荷，且整个接头的失效模式均为胶层的界面失效，故侧面观察到的裂缝为材料与胶层的分界线。随着沟槽深度的增加，接头上的最大应变增加到0.512%，同时接头产生的扭转角度也增大，最大角度达到15°。但当沟槽深度增加到57.4 µm时，发现失效裂纹扩展的方向是随机的，导致失效裂缝形状较为复杂，且两端萌生的裂纹不能相交。结合接头拉伸前的剖面图分析，接头初始状态下已经存在气泡缺陷及纤维的损伤，故在受载的过程中，裂纹会向着有缺陷的位置发展，使接头的力学性能下降。

3 结论

（1）随着激光扫描次数的增加，CFRP和铝合金的表面沟槽深度增加，但增加比例逐渐降低，沟槽宽度增加至激光束直径后不再增加。当扫描次数较低时，CFRP表面会由于残留污染物的存在导致胶接面中产生微观裂缝。当扫描次数较大时，由于沟槽较深会产生气泡，同时也会产生纤维的损伤，故应合理选择激光扫描次数。

（2）未进行表面处理的胶铆混合连接接头主要失效形式是胶层的界面失效，而当表面沟槽深度增加时，连接结构失效形式由界面失效为主转变为以CFRP材料的内聚失效为主。通过增加激光表面预处理，连接结构的抗剪性能可提高4.7%以上。

（3）在拉伸实验加载过程中，胶铆混合连接接头的铝合金端面受到剥离应力先于受到剪切应力的CFRP端面产生失效裂纹，且受到剥离应力时，CFRP内90°铺层的承载能力大于0°铺层。故在拉伸实验中发生材料内聚失效的铺层为0°铺层。

（4）胶铆混合连接接头在制备过程中，由于铆接力会使钉孔周边应力集中，会导致连接孔周围胶层发生局部失效，但对接头力学性能影响较小。同时在胶铆混合连接接头受载失效时，铆钉可以限制剥离应力的作用范围，起到阻止裂纹扩展的作用，提高了接头的力学性能。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52375461)