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短脉冲激光外表清洗对轿车零部件铝合金激光焊接气孔构成和削减的影响

发布时间:2022-04-16 16:06:27 来源:乐虎主页

  外表的机械和化学清洗曾经曾用于去除焊接预备中的污染物。但是,这些办法速度慢、功率低(如因为氢捕获),或会导致环境危害。本文报导了短脉冲激光外表清洗对AC-170PX(AA6014)铝板(涂有Ti/Zr,运用干润滑剂AlO70润滑)激光焊接中气孔构成和削减的影响。在运用填充焊丝的激光焊接进程中,激光清洗对气孔削减的影响之前没有报导。在这项作业中,在激光清洗之前和之后查看了气孔和焊缝熔合区的几许形状。纳秒脉冲Nd:YAG激光清洗可显着下降焊缝熔合区的气孔率。关于角边焊缝,孔隙率下降到0.5%以下,而无需激光清洗的孔隙率为10–80%。关于法兰焊缝,在激光清洗的情况下,孔隙率从0.7%降至0.23–0.8%,而在不进行激光清洗的情况下,孔隙率从0.7%降至4.3%。这是因为消除了污染和氧化层,有助于孔隙的构成。激光清洗依据热烧蚀。

  铝合金等轻质合金外表一般有一层氧化物或氢氧化物。这些类型的外表层或许会因为熔合区中的氢截留而影响熔合衔接进程。运用化学物质是去除氧化层的首要办法。喷砂、碳化硅抛光和等离子蚀刻也被报导为焊缝外表处理办法。曩昔运用的大多数清洁办法都依赖于与外表金属发生反响的化学物质。这种湿法清洗虽然能够去除不需求的外表层,但这些物质的运用和贮存或许会危害工人的健康,并或许添加环境和安全风险。此外,因为在清洗进程中运用了液体,很难防止氢捕获,这将导致焊缝中呈现气孔。

  AA5083熔合线 kW(单点)的X射线断层扫描剖析:(a)微观和微观孔隙的纵向视图(近13 vol.%);(b)横截面图:多孔坐落珠的整个边际。

  激光已被用于许多工业运用,如钻孔、切开、机械加工和最近的外表清洁。激光清洗一般被认为是干洗办法之一。需求留意的是,并非一切激光器都适用于清洁运用。激光干洗运用高功率激光脉冲从外表喷发颗粒或薄膜。因为颗粒或外表忽然胀大或蒸腾,污染物从外表喷出。依据激光波长和基底资料的类型,辐射能量被外表、颗粒或污染膜吸收。Tam等人的研讨标明,较高的激光功率强度、较短的脉冲持续时间和较短的波长会导致较高的清洗功率。依据Van der Waals或静电力,污染物颗粒一般粘附在金属外表。激光清洗能够依据两种不同的机制去除污染颗粒,一种是经过蒸腾或流体动力溅射完成颗粒的直接喷发,另一种是经过底部母材的热塑性胀大。这意味着,当能量被污染颗粒或基质吸收时,就能够完成激光清洗。

  有时,这两种机制或许同时发生。关于薄膜方式的污染物(如氧化物、润滑脂、机加工冷却剂残留物和油)的去除,资料去除机制激烈依赖于激光的波长。例如,248nm波长的激光会导致某些有机污染物的光化学烧蚀,而Nd:YAG和CO2激光首要依据Nd的热烧蚀进程;1064 nm波长的YAG激光器与污染物外表上的资料相互作用,并直接与基底相互作用,而CO2激光器(10.6μm)仅与外表上的资料相互作用。

  激光清洗具有许多技能优势,例如长途运用、部分清洗、杂乱3D形状部件的清洗以及消除风险化学溶液的运用。因为用于外表处理的激光只应去除薄层而不影响大块资料,因而工艺参数的挑选变得十分要害。这些参数包含:波长、脉冲持续时间、脉冲能量、重复频率、扫描速度、激光注量等。应该留意的是,在激光束与金属合金之间的相互作用进程中,或许会调查到与非线性光学效应密切相关的光子-电子谐波相互作用。

  激光清洗作为焊接接头外表处理办法的成功运用之一是用于航空发动机制作的Ti6Al4V合金。对这些合金的激光清洗进行了许多研讨。Turner等人研讨并模拟了Ti6Al4V合金的Nd:YAG和CO2激光清洗。他们得出结论,在YAG激光清洗的情况下,首要的影响是从基板外表传导到污染物的热量。但是,假如运用CO2激光器,污染物能够经过直接加热去除。

  运用不同的激光对不同的资料进行激光清洗,例如:AA5083铝合金(运用YAG激光)和不锈钢(运用YAG激光)、不锈钢316L和铬镍铁合金(运用准分子激光)、硅(CO2激光)和铜(运用飞秒钛宝石激光)。

  Haboudou等人研讨了运用激光清洗和其他办法去除AA5083和A356铝合金外表氧化层来削减孔隙度的办法。他们运用脉冲YAG激光进行清洁,能量密度为1.5 J/cm2,扫描速度为20 mm/s,频率为20 Hz,脉冲长度为100 nm。结果标明,关于A356和AA5083,激光清洗外表将焊缝中的孔隙率别离下降到2%和7%以下。他们将不同资料中发生的孔隙率差异归因于这些合金中的镁含量,因为镁蒸腾跟着镁含量的添加而添加。

  Meja等人研讨了运用248 nm、532 nm和1064 nm波长的激光对氧化层厚度为20µm的阳极氧化铝(黑色阳极氧化铝)进行激光清洗,以承认去除氧化物的最有用辐射。他们得出结论,在532 nm和1064 nm波长之间进行清洗时,能量密度阈值发生了改变。他们将这归因于在较短波长下的较高吸收。Rechner等人研讨了Nd:YAG激光清洗AA6016铝合金,该铝合金涂有TiZr氧化物层。他们运用XPS剖析来承认轧制合金外表的氧和碳含量下降,结果标明激光清洗现已从外表去除了很多的铁、碳、硅和氧气。随后运用环氧粘合剂将板材粘合在一起,发现外表清洁可进步此类资料的拉伸强度。

  从文献中能够看出,到目前为止,激光清洗的研讨首要会集在钢、钛和少量几种铝合金的清洗上。因而,需求对其他铝合金进行进一步研讨,以了解激光清洗对气孔等焊接缺点的影响,因为这是运用激光和电子束等高能束进行铝焊接时面对的最常见问题之一。之前一些研讨人员已评论了运用填充焊丝对激光焊接外表进行机械和化学清洗的作用,另一些研讨人员则评论了激光清洗对自铝焊接的影响。但是,在运用填充焊丝的激光焊接进程中,激光清洗对气孔削减的影响之前还没有报导,AA6014铝合金的激光清洗之前也没有报导。

  本文报导了激光清洗作为AC-170PX(AA6014)激光焊接外表处理办法的作用。铝板经过激光清洗和激光焊接。比较了激光清洗前后的孔隙率、微观结构和焊缝尺度。

  运用直径为1.2 mm的AA4043填充丝对厚度为1.1 mm的AC170-PX铝板进行激光焊接。母材已回火至T4(固溶热处理和天然时效),其物理和机械性能依据EW 10002在轧制方向的横向上进行丈量。基材涂有钛和锆(4 mg/m2),并运用干润滑剂AlO70(1.5 g/m2)进行润滑,作为其金属板成型工艺的一部分。因为Ti和Zr涂层的厚度约为3 nm,而AlO70润滑剂的厚度为0.5 μm,因而计算出涂层的总厚度为0.503 μm。

  在这项作业中,研讨了两种不同的衔接装备:圆角边际衔接和法兰轴承座衔接(图1)。激光焊接前,运用ThyssenKrupp GmbH公司供给的Q开关Nd:YAG激光器(CleanLASER CL600)清洁样品。清洁板材后,运用TRUMPF disk laser TruDisk 5302(最大输出功率5300 W)焊接板材。应该留意的是,这两种类型的激光器都运用高斯光束形状。激光焊接运用散焦激光束进行,焦点坐落工件上方8 mm处,并以10 L/min的流速用氩气进行维护。图2显现了相关于焊缝法平面的阻力和横向视点。

  除了对两个样品的微观结构进行了查看外,还对清洁后的外表进行了外表层析成像查看,以可视化激光清洁对外表特性的影响。图3显现了激光清洗和未清洗区域之间界面的横截面图。去除了约19µm的外表层,激光清洗区域看起来更滑润。图4显现了激光清洗前后的外表形状。与未清洁外表(Ra=982nm)比较,调查到更润滑的外表(Ra=882nm)。

  激光清洗旨在去除外表污染物、外表涂层和氧化层。润滑剂和污染物的存在一般会使外表在显微镜下不均匀。这些外表层的去除提醒了轧制进程后取得的平面。图5也展现了这种作用,其间激光清洗外表的横截面比未清洗外表的横截面更滑润、更均匀。

  激光清洗除下降粗糙度外,还会导致界面层的微观结构发生细小改变,如图6所示。从该图能够看出,存在于表层的硅化镁沉淀剂的尺度比坐落大块资料深处的沉淀剂小得多。这可归因于激光脉冲引起的快速加热和冷却,与大块资料内的沉淀物比较,没有满意的时间使沉淀物成长。

  运用扫描电子显微镜(SEM)查看了制备的外表,以了解外表的任何部分是否熔化。图6和图7显现了这一点,杰出了清洁和未清洁外表之间的差异。

  图7 (a)处理后AC170-PX的未清洁外表和(b)激光清洗后的同一外表的外表特征的SEM图画。

  依据图6、图7中接纳和激光清洗外表的SEM相片,调查到在激光清洗进程中,外表层熔化。在激光清洗之前,润滑剂以与轧制方向相同的方向散布在外表上。但是,如图7所示的激光清洗导致外表熔化,并在外表上构成固化资料。

  Dimogerontakis等人研讨了运用纳秒脉冲Nd:YAG激光清洗阳极化AL-Mg合金,并规则了激光诱导外表氧化的阈值。他们的试验标明,外表或许发生氧化的通量在0.6–1.4 J/cm2范围内。

  为了调查清洗前后外表化学的改变,采用了激光诱导击穿光谱(LIBS)技能。图8、图9别离为清洗前后的外表化学改变。从图8能够清楚地看出,因为外表被Zr和Ti包覆,所以接纳外表含有Al、Zr和Ti。图9显现,与图8比较,Zr峰跟着部分Ti峰的消失而消失。高通量脉冲激光可去除铝合金外表约19 μm的外表。因为Ti/Zr涂层和润滑剂的厚度仅为3 nm,因而在激光清洗进程中,粘附在表层顶部的Ti/Zr涂层会被去除。但是,图8标明,虽然400–600 nm范围内的其他Ti峰已消失,但激光清洗外表上仍存在一些钛颗粒。激光清洗显着现已去除了大部分涂层和污染物。

  激光焊接后的气孔可由各种来历发生,如外表上的氢气、污染物和润滑剂、氧化层以及凝结进程中熔融资料的缩短。因而,消除污染物、润滑剂和氧化等孔隙构成源能够将气体孔隙度下降到十分低的水平。

  图10、图11别离显现了有激光清洗和无激光清洗的角边接头和法兰接头的横截面。值得留意的是,因为焊缝根部存在空隙,与角焊缝比较,法兰焊缝的孔隙率较小。因为法兰衔接装备存在的空隙有助于焊接进程中发生的气体从焊接池中逸出。

  经过比较接纳和清洁样品的横截面(图10、图11),能够显着看出,激光清洁显着下降了焊接区的孔隙率。气孔率是指气孔所占面积与焊接熔合区总横截面积之比。依据图12,角边焊缝的孔隙率在清洗后下降了约95–98%,详细取决于工艺中运用的焊接参数。在清洁之前,孔隙率到达焊接区域横截面的10%到80%之间,而在清洁之后,不管焊接参数怎么,孔隙率都下降到1%以下。关于法兰接头,依据焊接参数,清洗后的孔隙率从56%降至75%,到达0.23–0.8%,而激光清洗前为0.7–4.3%。

  这项作业中运用的纳秒Nd:YAG激光清洗现已去除了基底外表的大部分涂层、润滑剂和污染层。这削减了导致焊缝气孔的有害气体来历。

  焊缝几许形状以焊缝宽度和熔深为特征。这两个参数别离如图13和图14所示。从这些图中能够看出,激光清洗前的焊缝熔合区宽度和熔深大于清洗后的焊缝熔合区宽度和熔深。

  关于角边接头,焊缝熔合区宽度和熔深别离削减了约30–65%和8–50%。但是,法兰接头中焊缝宽度和熔深的改变别离只有约1–3%和高达25%。这可归因于两个原因:清洁后发生的孔隙率削减,然后削减了胎圈的体积和尺度;以及清洁后清洁外表反射率的添加。

  激光清洗去除润滑剂和氧化层,并露出基材。清洁后的铝外表比接纳时的外表更亮,因而会反射更多的激光束能量。为了证明这一点,运用SPECORD 250光谱仪丈量了接纳和清洁外表的反射率。如图15所示,在500 nm和1100 nm之间的波长范围内丈量反射率。在焊接激光波长(1064 nm)下,接纳外表的反射率值到达约70%。另一方面,清洗后的外表在相同波长下的反射率高达85%。因而,激光清洗后,外表的反射率添加了约20%。

  图15 (a)接纳到的AC-170PX外表和(b)运用Nd:YAG激光器(1.06µm)清洁的外表的反射率。

  因而,大部分入射激光束将被清洁外表反射。这反过来意味着,在激光焊接进程中,激光清洗后,传递给母材的能量会削减,然后发生尺度更小的焊缝。

  了解每个激光脉冲的热穿透深度十分有用。假如假定室温为25°C,则外表温度为2818°C,高于合金欢腾温度(2520°C)。需求留意的是,这种热量仅由每秒20000个脉冲中的一个脉冲发生。接连脉冲发生的热量会发生十分高的温度,导致外表资料蒸腾。

  当铝从固态转变为液态时,氢在铝中的溶解度有显着差异。研讨发现,在熔融温度下,H2的溶解度可到达铝的固体溶解度的70倍,而铁的固体溶解度仅为1.6倍。

  氢能够由合金资料自身、大气和维护气体中的水分、金属外表的污染物、维护气体管中的水分和氧化物层生成。

  虽然激光清洗有助于显着下降所研讨铝合金中的孔隙率,但在清洗后,两种类型的焊缝中仍有很小份额的孔隙率。这能够归因于许多来历:

  1.在能量密度(6.27 J/cm2)下进行激光清洗后或许构成的一层很小的氧化物。这一薄层或许会发生一小部分孔隙度。

  值得一提的是,轿车制作商将铝焊接中答应的最大孔隙率水平设定为焊缝横截面积的10%(依据BS EN ISO 13919-2:2001规范)。此外,它们要求穿透深度的最小值为板材厚度的25%,以及等于板材厚度的焊缝宽度值。依据图12、图13、图14,激光清洗使作者在气孔率水平缓焊缝尺度值方面满意了工业要求,然后使铝焊接能够运用于车身制作。

  1.激光清洗能够去除AC-170PX铝合金外表的大部分润滑剂和污染物。此外,在运用的清洗参数下,激光清洗从基板上去除了约19μm。

  2.依据焊接参数,激光清洗经过将两种类型接头的孔隙率下降到小于1%,然后显着改进了焊接质量。

  3.从这项作业能够看出,因为消除了涂层、润滑剂和外表污染物发生的氢气和其他气体,激光清洗削减了涂层AC170 PX铝合金焊接进程中的孔隙率。