Несмотря на появление в последние годы ряда новых сварочных технологий — ультразвуковой сварки, лазерной сварки и сварки трением‑мешалкой (FSW), — которые демонстрируют перспективу при соединении металлов и пластиковых матричных материалов, ряд ключевых проблем остаётся нерешённым. Например, при соединении углепластика с армированием из углеродных волокон (CFRP) и металла лазерная сварка приводит к образованию значительного количества пузырьков в зоне шва; эти пузырьки трудно удалить, что существенно ухудшает механические свойства соединения, особенно его усталостную прочность. Технология FSW, хотя и позволяет избежать термического разложения и повреждения волокон, всё же характеризуется относительно низкой прочностью соединений при прямом соединении металла и CFRP в её варианте — фрикционном соединении внахлёст (FLJ). Кроме того, исследования по соединению CFRP с высоким содержанием непрерывных волокон и металла пока довольно ограничены; это отчасти объясняется тем, что высокое содержание непрерывных волокон снижает текучесть CFRP и усложняет его взаимодействие с металлом. Таким образом, разработка эффективной технологии соединения, способной обеспечить высокопрочные соединения между CFRP с высоким содержанием непрерывных волокон и металлами и одновременно решить указанные выше проблемы, сегодня является насущной задачей научных исследований.

В ответ на указанные выше проблемы команды Института металлов Китайской академии наук, Университета науки и технологий Китая и Шэньянского политехнического университета использовали настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Zeyou Technology. С помощью метода предварительной обработки лазерным воздействием на поверхность, в сочетании с технологией фрикционного соединения внахлёст (FLJ), была исследована возможность достижения прочного соединения между непрерывными углеродно‑волокнистыми композитами (CFRP) и алюминиевыми сплавами. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале «Advanced Engineering Materials» под названием «Достижение прочного фрикционно‑лапового соединения из непрерывного углеродного волокна, армированного пластиком, и алюминиевого сплава путём предварительной обработки лазерным воздействием на поверхность».

Основное содержание исследования сосредоточено на разработке инновационной технологии соединения, обеспечивающей высокопрочное сцепление между углеродно‑волокнистым армированным пластиком (CFRP) и алюминиевым сплавом 5052. Исследовательская группа предварительно обрабатывала металлическую поверхность лазерным воздействием, формируя специфическую структуру поверхности с высокой пористостью, после чего с помощью технологии трения‑накладного соединения (FLJ) соединяла подготовленный алюминиевый сплав с CFRP, содержащим 50–55% углеродных волокон.

Рис. Схематическое изображение процесса фрикционного соединения внахлёст (FLJ) алюминиевого сплава и углеродного волокнистого композитного материала (CFRP)

Суть исследования заключается в изучении и преодолении проблем, с которыми сталкиваются традиционные методы соединения при стыковке углеродного композитного материала (CFRP) с металлами, таких как образование пузырьков в зоне соединения, термическое разложение и недостаточная прочность адгезии вследствие различий в свойствах материалов. Лазерная обработка не только существенно усиливает механическую взаимосвязь в зоне соединения, но и изменяет смачиваемость поверхности алюминиевого сплава, повышая работу адгезии и тем самым способствуя химическому и физическому сцеплению между CFRP и алюминиевым сплавом.

Рис. а) Схематическое изображение морфологии поверхности после лазерной предобработки; б) поверхность алюминиевого сплава 5052 после лазерной предобработки; в) поперечный срез алюминиевого сплава 5052 после лазерной предобработки.

Кроме того, исследование включало теоретические расчёты зоны соединения, количественный анализ работы адгезии, а также визуализацию остаточных напряжений с помощью метода конечных элементов (FEA). Эти анализы помогли команде понять, как лазерная обработка влияет на микроструктуру шва и распределение остаточных напряжений, а также как эти факторы взаимодействуют для повышения общих эксплуатационных характеристик соединения.

В результате данного исследования удалось успешно обеспечить высокопрочное соединение углеродного композитного материала (CFRP) с алюминиевым сплавом; экспериментально подтверждены механические характеристики полученного соединения, что открывает новые возможности для применения лёгких конструкционных материалов в автомобильной промышленности, авиации и космонавтике.

Рис. Типичные изображения, полученные методом СЭМ, соединений при различных скоростях и состояниях соединения

Рис. Типичное изображение с помощью СЭМ интерфейса сварного соединения при лазерной обработке со скоростью 1200 мм/мин.

В данном исследовании использовался настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM компании Zeyou Technology, который в основном применяется для детального наблюдения и анализа микроструктурных особенностей соединений из углеродного композитного материала (CFRP) и алюминиевого сплава. Он позволяет получать изображения границы раздела с высоким разрешением, что позволяет оценить влияние лазерной обработки поверхности на микрорельеф материала, включая степень шероховатости поверхности и формирование микропористой структуры. Кроме того, данный прибор используется для выявления и анализа дефектов, возникающих в соединении, таких как поры и трещины, которые существенно влияют на его механические свойства. Путём исследования поверхности образцов после разрушения исследователи могут установить механизм разрушения соединения, включая характер разрушения и путь распространения трещин; эти данные играют ключевую роль для понимания механического поведения соединения и оптимизации технологических процессов его получения.

Термостатический сканирующий электронный микроскоп ZEM компании ZEPTOOLS