19、聚合物与铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能综述

聚合物与铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能综述

1. 引言

全球发展趋势促使运输行业制造更轻便、快速、环保且经济实惠的车辆。为提高汽车和航空航天器的效率，高性能轻金属（如铝和镁）领域取得了显著进展。同时，塑料因其轻质和良好的机械性能也越来越受欢迎。在新兴的车辆类型中，混合结构的设计需要将铝和聚合物等不同材料永久性连接起来。

铝具有重量轻、强度高以及出色的热和电导率等特性。而聚合物，如高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）和聚碳酸酯（PC），则具有高的强度重量比和耐腐蚀性。早在1996年底，奥迪A6的前端就采用了混合框架结构，将钢板与弹性体改性聚酰胺PA6 - GF30结合，这是该技术突破成功应用的首个实例。兰博基尼Murcièlago豪华跑车中的碳/环氧树脂部件与轻质合金和钢材（保险杠、挡泥板、发动机罩）相连接。此外，聚合物 - 金属混合材料还广泛应用于仪表板、保险杠横梁、车门系统和尾门等汽车部件，以及从冰箱外壳到自行车车架等非汽车领域。近二十年来，家用汽车中塑料的使用比例从6%增加到了15%。梅赛德斯 - 奔驰正在研发的新概念车F - 125，预计到2025年推出，该车将采用金属 - 聚合物混合结构以减少排放。新一代飞机，如空客A350 XWB和波音787梦想客机，其结构中超过50%是碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料与铝、钛等金属合金的组合。

金属与聚合物的连接技术主要分为三类：胶粘连接、机械紧固和焊接。胶粘连接需要对表面进行处理，并特殊处理溶剂和化学品。这种连接方式在不损坏母材的情况下无法拆卸，并且可能会因温度、湿度等环境因素而降解。此外，胶粘连接在长时间使用后性能难以预测，且进行无损检测（NDT）也存在挑战。机械紧固通常容易出现孔应力集中问题，导致强度下降。此外，还存在部件重