楊海鋒， 解贊華2， 崔輝， 王旭友， 徐良

(1.哈爾濱現(xiàn)代焊接技術(shù)有限公司，哈爾濱 150028; 2.青島市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,青島 266071)

0 前言

鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度、高塑性、耐腐蝕、易于加工等一系列優(yōu)異的特點(diǎn)，成為航空航天及高速列車等運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的首選材料[1-6]。然而鋁的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，鋁及鋁合金在大氣中易發(fā)生氧化而在其表面形成一層厚度約為 2～30 nm 的氧化膜，鋁及鋁合金的氧化膜結(jié)構(gòu)疏松多孔，易吸收水分、油污等，這對(duì)鋁合金焊縫成形及焊接件性能都帶來了嚴(yán)重影響[7]。

鋁合金焊接前需去除掉表面的氧化膜，傳統(tǒng)方法采用化學(xué)清洗，機(jī)械刮削以及打磨，增加了勞動(dòng)量，惡化了勞動(dòng)條件，并且某些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以實(shí)施。

激光清洗是高能脈沖激光沖擊工件表面，使表面氧化膜或其他污染物吸收激光能量后汽化揮發(fā)，或瞬間受熱膨脹而克服表面對(duì)污物的吸附力，使其脫離工件表面，進(jìn)而達(dá)到清洗的目的[8]。與傳統(tǒng)清除氧化膜工藝相比，激光清洗具有對(duì)基體損傷小、無污染、工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性廣、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

激光清洗去除鋁合金氧化膜的研究正逐步展開，目前已取得了一些成果[9-11]，但目前的研究中，專門通過SEM及EDS手段對(duì)激光清洗后形貌及氧含量及分布的研究較少。

文中基于脈沖激光清洗研究現(xiàn)狀，借助SEM及EDS分析，研究了脈沖激光在不同前進(jìn)速度及脈沖重復(fù)頻率下鋁合金表面形貌及氧元素整體含量及分布的影響，為鋁合金氧化膜去除以及激光清洗的應(yīng)用提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用平板直線前進(jìn)清洗的方式，脈沖激光在垂直于前進(jìn)方向上做一維掃描，脈沖激光平均功率為60 W，掃描寬度為25 mm，脈寬為130 ns，脈沖激光采用前傾的方式，傾角為25°，采用材料為6 mm厚的6106-T6鋁合金。試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原理圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

鋁合金氧化膜經(jīng)激光清洗后，采用氧元素含量表征殘留氧化膜Al2O3的含量，即氧元素的含量表征了激光清洗干凈程度。對(duì)6106-T6鋁合金，改變激光清洗前進(jìn)速度v及脈沖重復(fù)頻率f，研究其清洗后形貌及氧含量及分布特征。

2.1 清洗速度試驗(yàn)

2.1.1形貌特征

選定脈沖激光功率為60 W，脈沖激光在鋁合金表面的沖擊坑典型SEM圖像如圖2所示。

從圖2可以看出，脈沖激光作用于鋁合金表面使得鋁合金表面一個(gè)微層產(chǎn)生熔化及濺射，核心區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)沖擊坑，其周圍為熔化基體濺射所形成的飛濺區(qū)域，飛濺區(qū)域以外為脈沖激光未沖擊到的母材區(qū)域。

圖2 脈沖激光沖擊坑典型形貌

改變激光清洗前進(jìn)速度v，觀察激光清洗后鋁合金表面形貌，其典型SEM形貌如圖3所示。

圖3 不同清洗速度下的SEM形貌

從圖3可以看出，在給定的脈沖激光功率及脈沖重復(fù)頻率的條件下，在低速清洗時(shí)，沖擊坑之間連成一片，整體形貌為濺射所形成的飛濺區(qū)重疊狀態(tài)，隨著清洗速度v的增加，沖擊坑及飛濺區(qū)逐漸分散、獨(dú)立。

2.1.2氧含量及分布特征

對(duì)不同清洗速度下的鋁合金表面進(jìn)行氧元素的EDS分析，典型的面掃描EDS圖像如圖4的所示。

從圖4可以看出，隨著清洗速度的變化，氧元素的分布是有明顯變化的，低速清洗時(shí)，由于沖擊坑和飛濺區(qū)重疊，飛濺區(qū)覆蓋沖擊坑，整體形貌呈飛濺區(qū)形貌，故氧元素的分布沒有明顯的區(qū)域分布，較為彌散化。當(dāng)清洗速度較高時(shí)，沖擊坑及飛濺區(qū)形貌之間變得離散，各自特征明顯，氧元素分布也成規(guī)律分布，沖擊坑位置氧元素含量低，未受激光沖擊的母材位置氧元素含量較高，氧含量分布和其清洗后的形貌分布特征是對(duì)應(yīng)一致的。

圖4 不同清洗速度下的鋁合金表面氧元素的EDS圖像

對(duì)不同清洗速度下的表面進(jìn)行氧元素含量統(tǒng)計(jì)，得到氧含量隨清洗速度的特征如圖5所示。

圖5 不同清洗速度下的氧含量

從圖5可以看出，從低速清洗到高速清洗，氧含量是先減小后增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)?，低速清洗時(shí)，鋁合金表面的氧化膜被破碎，但脈沖激光在同一位置停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致該處出現(xiàn)類似“過燒”再次氧化的現(xiàn)象，此時(shí)，表面的氧元素含量并未明顯降低。隨著清洗速度的增加，沖擊坑逐漸分散拉開，當(dāng)v=1.0 m/min時(shí)，沖擊坑出現(xiàn)類似于圖2b中的“密排”時(shí)，此時(shí)激光沖擊位置既沒有重疊，也基本沒有沖擊到的位置，此時(shí)清洗效果最佳，此時(shí)在該脈沖激光頻率的條件下，清洗后氧元素殘留量是最低的。當(dāng)清洗前進(jìn)速度繼續(xù)增大時(shí)，沖擊坑之間逐漸分開直至最后完全分散，此時(shí)，沖擊坑位置氧元素含量低，未被沖擊的位置氧元素含量接近母材，清洗速度越大，一定區(qū)域內(nèi)激光沖擊的位置越少，未被沖擊(清洗)位置越多，最終該區(qū)域內(nèi)，氧的平均含量又逐步上升。

2.2 脈沖重復(fù)頻率試驗(yàn)

2.2.1形貌特征

給定脈沖激光功率P及清洗速度v，在不同的激光重復(fù)頻率f下，觀察激光清洗后鋁合金表面形貌，其典型SEM形貌如圖6的所示。

從圖6可以看出，在給定的脈沖激光功率及清洗前進(jìn)速度的條件下，隨著脈沖重復(fù)頻率的增大，激光沖擊坑之間緊湊、致密，整個(gè)清洗區(qū)域逐漸由沖擊坑+飛濺區(qū)+母材變?yōu)闆_擊坑+飛濺區(qū)的“蜂房”狀形態(tài)。

2.2.2氧含量及分布特征

對(duì)不同脈沖重復(fù)頻率下的鋁合金表面進(jìn)行氧元素的EDS分析，不同脈沖重復(fù)頻率下的鋁合金表面的面掃描EDS圖像如圖7所示。

圖6 不同脈沖重復(fù)頻率下的鋁合金表面氧元素的SEM形貌

圖7 不同脈沖重復(fù)頻率下的鋁合金表面氧元素的EDS圖像

從圖7可以看出，隨著脈沖重復(fù)頻率的增加，氧元素的分布由是有明顯變化的，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率較低時(shí)，氧元素的分布在沖擊坑位置明顯較低，在未被沖擊的位置明顯較高，隨著脈沖重復(fù)頻率的增加，這種沖擊坑氧含量低，未沖擊位置氧含量高的規(guī)律分布的變得不明顯，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率較高時(shí)，氧含量在整個(gè)清洗區(qū)域成彌散分布，此時(shí)，氧含量分布和其清洗后的形貌分布特征也是對(duì)應(yīng)一致的。

對(duì)不同脈沖重復(fù)頻率下的表面進(jìn)行氧元素含量統(tǒng)計(jì)，得到氧含量隨脈沖重復(fù)頻率的特征如圖8所示。

圖8 不同脈沖重復(fù)頻率下的氧含量

從圖8可以看出，在給定的脈沖激光功率和清洗前進(jìn)速度的條件下，在較低的脈沖重復(fù)頻率下，氧殘留量較高，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率大于80 kHz時(shí)，氧的殘留量明顯降低，約為低頻清洗時(shí)氧殘留量的1/2，這是因?yàn)殡S著脈沖重復(fù)頻率的增加，沖擊坑由分散變得密排，未被激光沖擊的原始母材區(qū)域越來越小，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率足夠高時(shí)，整個(gè)被清洗的區(qū)域均由沖擊坑組成，此時(shí)，清洗程度最大，此時(shí)原本的鋁合金表面氧化膜幾乎全被打碎，對(duì)整個(gè)清洗區(qū)域而言，氧的殘留量變得均勻、彌散。

3 結(jié)論

(1)在清洗速度較低時(shí)，鋁合金激光清洗過的表面呈濺射重疊的狀態(tài)，當(dāng)清洗速度較大時(shí)，脈沖激光在鋁合金表面的形成的沖擊坑逐漸變得分散、獨(dú)立。

(2)鋁合金表面氧元素整體的含量隨清洗速度的增加呈先減少后增加的趨勢(shì)，在清洗速度較小或者較大時(shí)，氧元素含量均接近母材表面氧元素含量水平，氧元素含量分布具有明顯的區(qū)域性，脈沖激光沖擊坑的位置氧元素含量明顯較于周圍未沖擊位置。

(3)隨脈沖重復(fù)頻率的增加，鋁合金表面形貌由獨(dú)立沖擊坑逐漸過渡為密排的“蜂房”狀態(tài)。

(4) 隨脈沖重復(fù)頻率的增加，表面氧元素整體含量明顯下降，約為母材氧含量的1/2,氧元素的分布也逐漸變?yōu)閺浬ⅰ?/p>