輕質合金（鋁合金、鈦合金等）與碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）的連接質量決定著異質結構件的疲勞壽命。激光焊接是實現輕質合金-CFRTP異質結構連接的有效途徑，創新工藝方法，進一步提升焊接強度，減小焊接熱損傷是決定該技術能否工程化應用的關鍵。中國科學院寧波材料技術與工程研究所激光與智能能量場制造工程團隊（張文武團隊）焦俊科等人從2015年開始先后與北京大學深圳研究院、上海飛機制造有限公司合作，對輕質合金-CFRTP激光焊接技術從理論建模、仿真分析、工藝試驗、應用探索等方面進行了系統研究。
研究人員在考慮焊接界面熱阻的基礎上，建立了輕質合金-CFRTP激光焊接數學模型，利用有限元方法對焊接熱效應進行了仿真計算，結果顯示該模型可準確表征夾具壓力、界面狀態對激光焊接熱效應的影響，實現焊接接頭熔寬、熔深的預測，預測準確率較傳統模型提升近10%，這為激光焊接工藝參數的有效選取提供了理論指導，相關成果發表于《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。
為進一步提高輕質合金-CFRTP激光焊接強度，研究人員提出界面微織構輔助焊接方法（ZL201810069446.8；ZL201811565398.8）。利用短脈沖激光在輕質合金表面制備微織構，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合金與CFRTP焊接時的接觸面積，形成機械嵌合結構，提升接頭的焊接強度。力學測試結果顯示，界面微織構輔助焊接技術可使輕質合金-CFRTP焊接強度提升近2倍，達到48MPa（Optics and Laser Technology, 2018, 103: 170-176）。同時發現，微織構制備參數對輕質合金-CFRTP激光焊接強度有著明顯的影響，并呈現出一定的規律，這為實現金屬-CFRTP激光焊接強度的量化調控提供了理論支撐，該項工作發表于Composites Part B：Engineering，2019,173:106911。
在輕質合金-CFRTP的激光焊接過程中，激光加熱易導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，這也是導致焊接接頭失效的主要原因之一。研究人員發現，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）。基于此，研究人員提出了輕質合金-CFRTP高速激光旋轉焊接技術，并對鋁合金-CFRTP激光旋轉焊接工藝進行了研究。研究發現，相對于傳統激光直線焊接技術，激光旋轉焊接在保障鋁合金-CFRTP焊接強度的同時，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，相關工作發表于Optics and Laser Technology,2020,127:106187。
相關技術已申請4項發明專利，其中2項獲得授權（ZL201510014414.4，ZL201610254547.3）。
上述工作得到了國家商用飛機制造工程技術研究中心創新基金（COMACSFGS201736734），中科院創新促進會（2017343），浙江省公益技術研究項目（2017C31082），深圳市基礎研究項目（JCYJ20150625155931806），寧波市國際合作項目（2017D10007）的支持。
圖1 鋁合金-CFRTP激光旋轉焊接技術：（a）鋁合金-CFRTP激光旋轉焊接模型；（b）鋁合金-CFRTP結合界面溫度變化；（c）深度方向溫度變化；（d）高速旋轉焊接與直線焊接對金屬基體熱損傷、焊接強度的影響對比
圖2 鋁合金-CFRTP微織構輔助激光焊接技術：（a）鋁合金-CFRTP微織構輔助激光焊接原理；（b）鋁合金-CFRTP界面機械嵌合結構；（c）不同短脈沖激光制備參數下的金屬界面微織構形貌；（d）微織構輔助激光焊接強度對比
（先進制造所 焦俊科）
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