碳纤维热塑性复合材料（Carbon Fiber Reinforced Thermal Polymers, 以下简称CFRTP）是一种高性能新型材料，具有比强度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐热性好等特点，在汽车轻量化、无人机制造、航空航天上有着良好的应用前景。CFRTP在应用过程中经常遇到与金属异质材料的连接问题，如飞机CFRTP蒙皮、功能件与铝合金结构件的连接，轻量化汽车CFRTP车身覆盖件与金属结构件的连接等。这些异质结构件最薄弱的部分往往是CFRTP与金属连接接头部位，接头的质量将直接决定着异质结构件的强度和使用寿命。因此，实现CFRTP与金属高质量的连接是其工程化、产业化应用的关键技术之一。

　　当前CFRTP最常用的连接方法有机械连接、胶结、焊接等。其中，焊接利用了CFRTP基体材料热塑性树脂二次熔融的特点，通过加热熔融连接界面，使树脂分子扩散完成连接。该方法连接界面与基体材料有良好的相容性，连接强度和环境适应性优于胶结方法，连接件的应力分布比机械连接更均匀，不会产生应力集中，而且焊接工艺时间短，便于实现自动化。作为一种非接触式的焊接方式，激光焊接具有焊接速度快、焊接强度高、振动应力小、适合焊接复杂结构件等优势，在CFRTP的焊接上具有良好的应用前景。

　　宁波材料所所属先进制造技术所激光与智能能量场制造团队与北京大学深圳研究院合作，针对CFRTP/金属异质结构的激光连接技术进行了研究。通过建立CFRTP-金属激光直接连接数学模型，实现了焊接过程热效应的仿真，以及熔宽、熔深及热损伤的预测；对连接接头组织表征分析，发现接头处气泡的存在导致应力集中并产生微裂纹，成为接头失效的主要原因，并对气泡的产生机理进行了研究（《电加工与模具》，2015，6:6-31）；通过工艺创新，利用激光熔融填充树脂方法可显著提高CFRTP/金属异质结构件的连接强度（发明专利：201510014414.4）。相关研究被评为“第十六届全国特种加工学术会议”大会优秀论文（2015，11月1-3日，厦门，华侨大学），并在国际会议上报告（International Congress on Applications of Lasers & Electro–Optics, October 18-22, 2015, Atlanta, GA, USA），得到国内外同行的关注。

　　该项目得到宁波市自然科学基金（2015A610078），深圳市基础研究布局项目（JCYJ20150529162228734）的支持。

图1 CFRTP/不锈钢连接接头热效应预测

 图2 焊接宽度理论预测与实验结果对比

图3 焊接工件及接头组织表征

（先进制造所 焦俊科）