輕質(zhì)合金（鋁合金、鈦合金等）與碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）的連接質(zhì)量決定著異質(zhì)結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。激光焊接是實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)合金-CFRTP異質(zhì)結(jié)構(gòu)連接的有效途徑，創(chuàng)新工藝方法，進(jìn)一步提升焊接強(qiáng)度，減小焊接熱損傷是決定該技術(shù)能否工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所激光與智能能量場制造工程團(tuán)隊(duì)（張文武團(tuán)隊(duì)）焦俊科等人從2015年開始先后與北京大學(xué)深圳研究院、上海飛機(jī)制造有限公司合作，對輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接技術(shù)從理論建模、仿真分析、工藝試驗(yàn)、應(yīng)用探索等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

　　研究人員在考慮焊接界面熱阻的基礎(chǔ)上，建立了輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接數(shù)學(xué)模型，利用有限元方法對焊接熱效應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果顯示該模型可準(zhǔn)確表征夾具壓力、界面狀態(tài)對激光焊接熱效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)焊接接頭熔寬、熔深的預(yù)測，預(yù)測準(zhǔn)確率較傳統(tǒng)模型提升近10%，這為激光焊接工藝參數(shù)的有效選取提供了理論指導(dǎo)，相關(guān)成果發(fā)表于《中國激光》，2017，1（4）：42-50，Journal of Material Processing Technology, 2017, 240: 362-369和Journal of Laser Applications, 2018，30（3）：032419。

　　為進(jìn)一步提高輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接強(qiáng)度，研究人員提出界面微織構(gòu)輔助焊接方法（ZL201810069446.8；ZL201811565398.8）。利用短脈沖激光在輕質(zhì)合金表面制備微織構(gòu)，一方面可以提高焊接時的界面潤濕性，另一方面可以增加輕質(zhì)合金與CFRTP焊接時的接觸面積，形成機(jī)械嵌合結(jié)構(gòu)，提升接頭的焊接強(qiáng)度。力學(xué)測試結(jié)果顯示，界面微織構(gòu)輔助焊接技術(shù)可使輕質(zhì)合金-CFRTP焊接強(qiáng)度提升近2倍，達(dá)到48MPa（Optics and Laser Technology, 2018, 103: 170-176）。同時發(fā)現(xiàn)，微織構(gòu)制備參數(shù)對輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接強(qiáng)度有著明顯的影響，并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，這為實(shí)現(xiàn)金屬-CFRTP激光焊接強(qiáng)度的量化調(diào)控提供了理論支撐，該項(xiàng)工作發(fā)表于Composites Part B：Engineering，2019,173:106911。

　　在輕質(zhì)合金-CFRTP的激光焊接過程中，激光加熱易導(dǎo)致金屬基體材料熱損傷以及CFRTP基體樹脂分解，形成焊接缺陷，影響到接頭的疲勞壽命，這也是導(dǎo)致焊接接頭失效的主要原因之一。研究人員發(fā)現(xiàn)，在相同激光熱量輸入量的情況下，通過改變激光束掃描方式，可有效控制鋁合金激光焊接氣孔率（《中國激光》，2019，46（7）：0702006）?；诖?，研究人員提出了輕質(zhì)合金-CFRTP高速激光旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)，并對鋁合金-CFRTP激光旋轉(zhuǎn)焊接工藝進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)激光直線焊接技術(shù)，激光旋轉(zhuǎn)焊接在保障鋁合金-CFRTP焊接強(qiáng)度的同時，可以有效減小激光加熱對金屬基體的熱損傷，顯著降低焊接接頭的氣孔率，相關(guān)工作發(fā)表于Optics and Laser Technology,2020,127:106187。

　　相關(guān)技術(shù)已申請4項(xiàng)發(fā)明專利，其中2項(xiàng)獲得授權(quán)（ZL201510014414.4，ZL201610254547.3）。

　　上述工作得到了國家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金（COMACSFGS201736734），中科院創(chuàng)新促進(jìn)會（2017343），浙江省公益技術(shù)研究項(xiàng)目（2017C31082），深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JCYJ20150625155931806），寧波市國際合作項(xiàng)目（2017D10007）的支持。

圖1 鋁合金-CFRTP激光旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)：（a）鋁合金-CFRTP激光旋轉(zhuǎn)焊接模型；（b）鋁合金-CFRTP結(jié)合界面溫度變化；（c）深度方向溫度變化；（d）高速旋轉(zhuǎn)焊接與直線焊接對金屬基體熱損傷、焊接強(qiáng)度的影響對比

圖2 鋁合金-CFRTP微織構(gòu)輔助激光焊接技術(shù)：（a）鋁合金-CFRTP微織構(gòu)輔助激光焊接原理；（b）鋁合金-CFRTP界面機(jī)械嵌合結(jié)構(gòu)；（c）不同短脈沖激光制備參數(shù)下的金屬界面微織構(gòu)形貌；（d）微織構(gòu)輔助激光焊接強(qiáng)度對比

　　（先進(jìn)制造所 焦俊科）