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该研究由Yibo Sun、Yuan Zhang、Haiwei Long、Yang Sun、Li Zou和Xinhua Yang共同完成。主要研究机构包括大连交通大学的机车车辆工程学院以及材料科学与工程学院，大连轨道交通装备焊接结构与智能制造技术重点实验室。研究成果发表于2022年9月12日的《Materials Today Communications》期刊，论文标题为“Friction Stir Lap Welding for Dissimilar Materials of Aluminum Alloy and Carbon-Fiber-Reinforced Polyetherimide”。

学术背景
研究领域为材料科学与工程，专注于异种材料连接技术。铝合金（Aluminum Alloy, 简称Al合金）因其轻质、高强度、良好的耐腐蚀性和氧化性能，广泛应用于航空航天和军事制造领域。碳纤维增强热塑性复合材料（Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastic, CFRTP）因轻质化和高强度的特性，在交通运输和电子行业中的应用日益增加。然而，由于Al合金和CFRTP在化学和物理特性上的巨大差异，传统连接技术如机械紧固和粘接存在应力集中、连接可靠性低、环境影响等问题。因此，开发新的连接技术成为迫切需求。摩擦搅拌焊接（Friction Stir Welding，FSW）作为一种低峰值温度、低残余应力、高连接强度的固态连接工艺，逐渐应用于金属与聚合物或复合材料的连接。本研究的目的是探索6061-T6 Al合金与CFRTP的异种材料摩擦搅拌搭接焊接（Friction Stir Lap Welding, FSLW）的界面特性、微观结构演变和力学性能，并揭示其机械互锁机制。

研究流程
研究共分为以下几个主要步骤：
1. 实验材料与设备准备
- 使用6061-T6 Al合金和CFTP（PEI基体，含30wt%短切碳纤维）片材作为实验材料。
- 采用航空航天工程设备（苏州）有限公司生产的HT-JM20×8/2型FSLW设备进行实验，设备功率为6kW，工具由H13工具钢制成，包括锥形针和凹形肩部。

1. 焊接参数设置

   • 焊接实验分为四组，旋转速度恒定为1800 rpm，焊接速度分别为175 mm/min、180 mm/min、185 mm/min和190 mm/min，插入深度为2.3 mm。
     

2. 焊接实验与样品制备

   • Al合金板放置在CFRTP板上，形成搭接结构。焊接过程中，针具穿透Al合金板并插入CFRTP板，进行搅拌和移动。
     
   • 焊接完成后，切割垂直于焊接方向的样品，制备金相和拉伸试样。
     

3. 微观结构与力学性能分析

   • 使用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察焊接接头横截面的微观结构。
     
   • 通过维氏硬度测试仪测量接头的显微硬度。
     
   • 使用电子机械性能测试机进行拉伸试验，评估接头强度。
     
   • 通过SEM和能谱分析（EDS）研究化学键合机制。
     

主要结果
1. 焊接表面形貌
- 焊接速度是影响表面形貌的最显著因素。在175 mm/min时，表面出现空隙和沟槽缺陷；在180 mm/min时，表面光滑且材料碎片较少；在185 mm/min和190 mm/min时，表面出现半圆形条纹和沟槽缺陷。

1. 微观结构

   • Al合金在搅拌作用下破碎成碎片，并与熔化的CFRTP混合，形成机械互锁结构。在180 mm/min时，Al合金碎片较多，结合区域较大。
     
   • SEM观察到，在180 mm/min时，结合区域孔洞更均匀且尺寸较小，且形成了一层界面层。
     

2. 显微硬度

   • 在180 mm/min时，CFRTP结合区域的硬度达到最大值30.6 HV，这是由于Al合金碎片嵌入熔化和再凝固的CFRTP中，抑制了变形。
     

3. 力学性能

   • 拉伸强度在180 mm/min时达到最大值，平均值为33.39 MPa，相当于CFRTP母材强度的64%。
     

4. 断裂微观结构

   • 断裂发生在靠近回退侧（Retreating Side, RS）的界面区域。Al合金侧的断裂表现为碎片和界面层的拉出和断裂，CFRTP侧则表现为聚合物的撕裂和碳纤维的暴露。
     

结论
研究表明，FSLW技术能够有效实现Al合金与CFRTP的异种材料连接。在180 mm/min的焊接速度下，接头表现出高拉伸强度、平滑的表面形貌和良好的机械互锁结构。Al合金碎片在搅拌和摩擦热的作用下穿透熔化和再凝固的CFRTP，形成结合区域，并通过微机械互锁和化学键合提高了接头性能。该研究为异种材料连接技术提供了新的思路，具有广泛的工程应用前景。

研究亮点
1. 通过FSLW技术成功实现了Al合金与CFRTP的高强度连接。
2. 揭示了焊接速度对表面形貌、微观结构和力学性能的显著影响。
3. 首次详细研究了Al合金与CFRTP接头的机械互锁和化学键合机制。
4. 提出了优化焊接参数，为异种材料连接技术的工程应用提供了理论依据。

其他有价值的内容
研究还通过SEM和EDS分析了界面区域的元素分布，发现Al、O和Si元素的混合，验证了化学键合机制的存在。此外，断裂表面的分析揭示了接头的断裂模式为脆性断裂和韧性断裂的混合形式，进一步验证了接头的力学性能。

该研究在异种材料连接领域取得了重要进展，具有较高的科学价值和工程应用潜力。