摘要
在“双碳”的时代背景之下，通过装备轻量化来减重增效，从而实现节能减排的目标已成为高端装备制造的重点，而作为高性能的轻质材料，铝合金和碳纤维复合材料在航空航天、汽车制造等领域的应用越来越广泛。为了有效地将这两种轻质高性能材料顺利地应用于同种装备的生产制造，开发各种安全可靠的连接方法来适应各种情况下的铝合金与碳纤维复合材料的连接显得至关重要。由于现有的一些用于铝合金和树碳纤维复合材料的连接方法仍然存在很大的局限性，因此，本论文提出一种全新的用于连接铝合金和碳纤维复合材料的方法——激光-电弧热源焊-铆-胶复合连接技术。 实验以6061-T6铝合金和聚醚醚酮基碳纤维增强复合材料为研究对象，预先使用6061-T6铝合金铆钉将两种板材进行装配，并在两种母材的搭接区域涂覆胶粘剂，采用铝材在上而复合材料板材在下的结构，使用激光-电弧复合热源对铆钉与铝合金板材的圆形装配缝隙进行焊接，得到铝合金与复合材料的有效连接。同时，本论文还探讨了焊接工艺参数、胶接工艺参数的变化对接头成形及力学性能的影响；对成形较好的接头进行了微观形貌观测、元素成分及价态分析，得到了焊-铆复合连接接头的连接机理。 研究结果表明，激光-电弧热源焊-铆复合连接技术可以实现铝合金与树脂基复合材料的轻质、高可靠性连接。影响接头成形和性能的主要因素包括激光平均功率、TIG电弧电流、焊接速度等。使用焊-铆复合连接工艺得到的接头拉伸剪切峰值载荷达到4.65kN，接头的失效形式为铆钉沿焊缝区域拔出。通过接头形貌的观察和分析，6061Al/CFRP的焊-铆复合连接接头结合机制可分为两个部分，一是铝铆钉与铝板的环形焊接接头；二是铝板与CFRP板的搭接面的界面结合作用，包括铝合金与CFRP基体和碳纤维之间的微观机械连锁作用，冶金结合和化学键合作用。两者的共同作用为接头提供了良好的力学性能。 在搭接区域的适当位置加入胶粘剂后，通过对胶接工艺的优化和对复合热源的重新调控，得到了成形良好的焊-铆-胶复合连接接头。其比纯胶接接头和焊-铆复合连接接头具备更佳的综合力学性能，拉伸剪切过程分为了胶接接头失效和焊-铆接头失效量两部分，拉伸剪切峰值载荷高达11.71kN，达到了铝合金母材的94.6%，比纯胶接接头和焊-铆接头分别高16.1%和151.8%，能量吸收值分别比纯胶接接头和焊铆接头高65.6%和120.1%，约为两者的总和。不同于纯胶接接头的胶层的瞬间失效，焊-铆-胶复合连接接头中胶层的失效过程由于铆钉的抗剥离作用在搭接区域被分为了先后两个部分，同时也导致了两个部分失效形式的不同。
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