【摘 要】
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碳纤维增强聚合物（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）与金属的连接接头兼顾了CFRP的塑性和金属的强度,被广泛应用于先进汽车制造领域。激光焊接因其无接触,高效率和高能量密度的特性,逐渐成为CFRP与金属连接技术的主流选择。随着研究人员对激光特性的深入探索,涌现出多种类型的激光源,为提高CFRP与金属激光焊接接头强度提供了新思路。本文以碳纤维增强聚醚醚酮（Car
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碳纤维增强聚合物（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）与金属的连接接头兼顾了CFRP的塑性和金属的强度,被广泛应用于先进汽车制造领域。激光焊接因其无接触,高效率和高能量密度的特性,逐渐成为CFRP与金属连接技术的主流选择。随着研究人员对激光特性的深入探索,涌现出多种类型的激光源,为提高CFRP与金属激光焊接接头强度提供了新思路。本文以碳纤维增强聚醚醚酮（Carbon fiber reinforced polyether poly-etherether-ketone,CFRP-PEEK）,7075-T6铝合金和304不锈钢作为研究材料,结合激光焊接试验和有限元仿真模拟揭示不同激光下的焊接机理,并提出一种降低焊接缺陷,提高接头质量的试验方法,主要的工作如下:1、探究激光特性对飞溅的影响。设计了不同激光源的激光焊接试验以及有限元温度场仿真,发现焊接接头质量与飞溅有紧密联系,主要体现在控制熔融CFRP-PEEK,产生的气泡数量以及金属的等离子效应上。近红外单光纤激光具有的高斯光能量集中效应容易导致CFRP-PEEK出现深层熔化现象,释放出的大量气泡加重了飞溅的产生;而复合激光与蓝光半导体激光所具有的平顶光特性可以实现CFRP-PEEK的浅层熔化,降低了气泡的数量,此外,蓝光具有优良的金属激光吸收率,能够进一步抑制焊接过程中的金属等离子体效应,减少飞溅,因而焊接接头质量最高;近红外光纤激光摆动由于激光束的高速摆动特性,在每个焊接点上具有激光束停留时间短的特点,而铝合金具有极好的散热能力,因此避免CFRP-PEEK的深层熔化,达到降低气泡数量的目的。2、研究焊接接头微观组织,残余应力和接头质量的关联性。通过对不同激光源所获得的激光焊接接头熔池进行表征,发现熔池内的气泡缺陷存在柱状晶围绕其生长的现象,观察到明显的柱状晶与等轴晶的分界线。当熔池尺寸与金属厚度相当时,能够看到PEEK树脂被挤入到熔池中,并有同样的晶体生长现象。结合有限元热力顺序耦合仿真分析,发现这种分界线意味着气泡缺陷与液态金属具有较大的温差,因此影响了晶体的生长速率。此外,仿真结果显示,残余应力会随着温度梯度增大而增加,并影响接头强度。在四种激光源所获得的试样中,蓝光半导体激光焊接试样的熔池内部气泡缺陷体型小,数量少,因此该微观组织的柱状晶数目少和残余应力最小,接头质量也相应的更高。3、探索金属表面预制孔在激光焊接中的有效性。设计了金属预制孔的近红外单光纤激光焊接试验,成功获得拉伸强度为83MPa的激光焊接接头,与未经过表面处理的试样相比,强度提升了4倍。主要机理在于合适尺寸的预制孔,能够获得较高的温度梯度,可以有效促进热流的扩散,同时预制孔的存在可以提供给熔融CFRP-PEEK一个流动空间,减少气泡聚集的同时能够增强机械锚固效应。
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