1 引言

铝合金属于轻质合金,其应用范围涉及多个领域。铝合金在空气中易被氧化而在表面生成一层致密的氧化膜,在焊接过程中,这层氧化膜会阻碍母材熔化并形成熔渣,降低焊接质量^[1-2]。为了获得高质量的焊缝,焊前需要彻底清除铝合金表面的氧化层及其他污染物^[3]。传统的处理方法主要包括机械清洗法和化学清洗法^[4-5]:机械清洗法效率低下,氧化膜清除不彻底;化学清洗法会对环境产生污染,且无法对大尺寸部件进行清洗。

激光清洗技术的出现为铝合金焊前预处理提供了一种新型、高效、无损的方法,该方法将是激光光束聚焦在材料表面,使表面物质发生物理或化学反应后脱离表面,从而达到对铝合金表面进行预处理的目的 ^[6-7]。激光预处理铝合金表面具有清除范围大、不损伤基材、无污染等优势。Meja等^[8]采用不同波长的激光对厚度为20 mm的铝合金氧化膜(黑色)进行激光清洗后发现,氧化膜对激光能量的吸收效果较好,因此,氧化膜的去除效果较好。Rechner等^[9]采用Nd∶YAG激光器去除铝合金表面的TiZr涂层,然后采用X射线光电子能谱分析(XPS)检测技术对铝合金表面进行检测,结果表明,激光能够去除铝合金表面大量的Fe、C、Si、O等元素,而且铝合金的拉伸强度得以提高。罗雅等^[10]采用激光清洗工艺对2219铝合金板材进行预处理,研究了清洗速度与表面形貌的关系,结果发现,当清洗速度为3.5 m/min时,清洗效果最佳,且铝合金的焊接性能得到了明显改善。为了提高3 mm厚5A06铝合金的焊接质量,Wang等^[11]采用Nd∶YAG激光器对铝合金进行清洗,结果发现,激光预处理可使铝合金表面的氧含量明显下降,且气孔率也有所下降。陈一鸣等^[12]研究了铝合金光纤激光清洗的机理以及激光参数对铝合金表面状态的影响,认为激光清洗可以提高焊缝的成形质量和焊接接头的力学性能。Haboudou等^[13]采用化学脱脂、金刚砂纸(P220,P800)打磨、喷砂以及激光清洗方法对A5083铝合金表面进行预处理,结果发现,激光预处理可以显著降低铝合金的气孔率(气孔率低于2%)。国内外学者的研究表明:焊接前对铝合金表面进行激光预处理是有效的。

激光预处理后,铝合金表面的氧元素含量、分布会直接影响其焊接质量,本文采用扫描电子显微镜观察铝合金的表面形貌,采用X射线能谱技术获得氧元素的线分布和面分布,分析激光参数的影响规律,利用X射线无损探伤机探测未处理表面和激光预处理表面的焊接效果,同时观察激光处理后的焊接接头的形貌,分析氧元素含量及分布对焊缝质量的影响,为6061铝合金的预处理、焊接工艺提供参考依据。

2 实验方法与仪器

2.1 实验材料

实验材料选用6061铝合金,其尺寸为6 mm×6 mm×3 mm,主要化学成分如表1所示。

2.2 实验仪器

实验使用的激光器为IPG-HP-100脉冲式光纤激光器(最大功率为100 W,脉冲宽度为100 ns,波长λ=1064 nm,聚焦光斑直径D=50 μm)。激光清洗系统示意图如图1所示:激光器通过光纤与扫描振镜相连,控制激光光斑的运行轨迹;计算机及控制系统用于控制激光器输出的光束以及振镜的扫描区域;二维移动平台置于激光器扫描振镜和聚焦透镜的下方,以方便样品的移动以及保证振镜的扫描区域能覆盖整个工作区;水冷设备用来抑制激光器工作时产生的大量的热,稳定光束的输出质量。

图 1. 激光清洗系统示意图

Fig. 1. Schematic of laser cleaning system

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焊接系统采用ABB机器人和机器人控制箱控制激光的输出以及激光焊接路径,焊接用激光器采用IPG YLS-6000连续出光式光纤激光器,激光的输出功率为6.0 kW(可调),波长为1064 nm,聚焦光斑的直径为0.29 mm。采用S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察铝合金的表面形貌,采用扫描电子显微镜附带的X射线能谱仪(EDS)测试铝合金表面氧的质量分数(简称“氧含量”)和分布;采用XY-1504/4型X射线无损探伤仪检测铝合金的焊缝质量。

2.3 实验方法

激光清洗系统设置重复频率f=100 kHz,激光功率P选取10~25 W。清洗路径及搭接方式如图2所示。

图 2. 光斑搭接示意图

Fig. 2. Schematic of spots overlapping

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光斑左右搭接率的表达式为

ηleft-right=1-vD·f,(1)

式中:η_left-right为光斑的左右搭接率;D为光斑直径,μm;f为重复频率,Hz;v为扫描速率,mm/s。

光斑上下搭接率的表达式为

ηup-down=1-dD,(2)

式中:η_up-down为激光光斑的上下搭接率;d为上下两个激光光斑圆心间的距离。实验中保持两个方向的搭接率一致,因此,在文中统一用η表示光斑搭接率。

采用图3(a)所示的对接焊的形式进行焊接,采用激光自熔焊,不添加任何助剂或填充材料。实验用铝合金材料的表面具有较高的反射率,为避免激光束被铝合金反射至谐振腔内,造成激光器损坏,在满足能量输入的要求下,设置激光偏角α=10°。激光焊接示意图如图3(b),实验采用氩气为保护气,氩气从铝合金底部向上吹出,且无旋涡出现,外界空气不易卷入氩气保护区,严密的层流能很好地保护熔池,确保焊接过程熔池的稳定。焊接激光功率设置为2.75 kW,运行速率为25 mm/s。

采用线切割方式截取焊缝横截面,然后采用冷镶嵌的方法对切割样品进行镶嵌,对镶嵌样品进行打磨、抛光、腐蚀后进行显微观察,腐蚀液的体积配比为:2.5%HNO₃+1.5%HCl+1%HF+95%H₂O,腐蚀时间为50 s,采用S-3400N型扫描电子显微镜观察样品的形貌。

图 3. 示意图。(a)焊接方式;(b)激光焊接示意图

Fig. 3. Schematics. (a) Welding form; (b) laser welding

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3 实验结果与讨论

3.1 单次清洗后的表面氧含量

为获得激光单次清洗6061铝合金氧元素面含量随激光功率的变化,分别采用 10~25 W的激光功率作用于材料表面,光斑搭接率为0。利用X射线能谱仪获得的氧元素面含量变化如图4所示:对于未进行任何处理的铝合金表面,由于氧化膜的存在,氧元素含量很高;当采用低能量激光进行清洗时,表面氧化膜在热烧蚀的作用下分解去除,氧元素含量降低;当激光功率低于15 W时,氧化膜没有完全去除,氧含量较高;当激光功率为20 W时,氧含量最低,为7.72%;当功率增加到25 W时,氧元素含量出现回升的趋势,说明激光功率达到20 W时,铝合金表面已经过度清洗,而且再次被氧化。

图 4. 单次激光清洗下铝合金表面的氧含量

Fig. 4. Oxygen content of aluminum alloy surface at single laser cleaning

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3.2 多次清洗后的表面氧含量

为获得良好的表面清洗质量,根据激光单次清洗分析结果选取10、15、20 W的激光功率多次清洗铝合金表面,搭接率为0,重复频率为100 kHz。采用X射线能谱分析技术对铝合金表面进行能谱分析,统计结果如图5所示:增加清洗次数N,能降低铝合金表面的氧含量,但氧含量随清洗次数增加出现了先降后升的趋势。随着清洗次数增加,铝合金表面的氧化膜逐层被激光去除,氧含量降低,但热烧蚀效果增强,出现二次氧化,故氧含量再次上升。a、b、c三点分别为10、15、20 W激光功率作用下铝合金表面氧含量的最低值,15 W激光功率清洗后的氧含量最低。

图 5. 多次激光清洗下铝合金表面的氧含量

Fig. 5. Oxygen content of aluminum alloy surface at multiple laser cleaning

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由图6可知:当激光功率15 W时,铝合金的表面氧含量仅为3.23%(与未经激光作用的相比下降了92.8%),铝合金表面形貌粗糙,形成了沟槽结构,均匀分布的沟槽有利于吸收焊接激光的能量;当激光功率为20 W时,氧含量为4.33%,铝合金表面形貌比较粗糙,但与15 W激光功率作用的表面相比,沟槽结构不明显;当激光功率为10 W时,氧化膜的去除效果很差,表面仍留有少许氧化层,此时的氧含量为8.29%。可见,选用功率为15 W的激光清洗5次的效果优于其他参数。

图 6. 不同功率激光多次清洗后6061铝合金的表面形貌及面能谱分析。(a) P=10 W,N=7;(b) P=15 W,N=5;(c) P=20 W,N=3

Fig. 6. Surface morphology (SEM) and surface energy spectrum analysis (EDS) of 6061 aluminum alloy surface after multiple laser cleaning. (a) P=10 W, N=7; (b) P=15 W, N=5; (c) P=20 W, N=3

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3.3 氧元素的分布

设置光斑搭接率为0,使用功率为15 W的激光作用于6061铝合金表面进行单次清洗,铝合金的表面形貌和元素能谱分析如图7。由图7(a)可以清晰地观察到光斑作用的痕迹与氧化膜区域。选择铝合金表面一条特定的路径E—F,(F点为激光光斑的中心),分析该路径下氧、镁、铝元素含量的变化,结果如图7(b)所示。

由图7可知,氧元素主要分布在氧化膜区,在激光光斑作用区域,铝和镁元素的含量较高。氧元素为表面氧化膜的主要成分,铝和镁元素为铝合金基体的主要成分。图7(b)虚线位置为激光光斑的边缘,在激光作用区域内,表面氧化膜全部去除,说明氧化膜吸收激光能量后完全脱离表面,露出铝合金基底,铝和镁元素含量增加。值得注意的是,在激光边缘出现了氧元素的极大值。由图7(a)可知,激光烧蚀去除的边缘物质为熔融物质,与空气中的氧气结合后,使得氧元素含量大大增加。由于激光能量服从高斯分布,在光斑边缘区域,激光能量较低,铝和镁元素含量在虚线位置附近出现较小的过渡区。

图 7. P=15 W,N=5时的线扫描能谱分析结果。(a)表面形貌;(b)各元素含量沿路径E—F的变化

Fig. 7. Line scan energy spectrum analysis (P=15 W, N=5). (a) Surface morphology; (b) oxygen, magnesium, alluminum elements change curves along the path E—F

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图8为不同功率激光清洗不同次数后铝合金的表面形貌图及对应的氧元素分布。由图8(a1)、(a2)可见:当激光功率为10 W,清洗次数为7次时,铝合金表面未清洗干净,氧元素的分布没有规律。这些氧元素主要有两个来源:一是残余的氧化层,根据前面的分析可知,当激光功率为10 W时,通过增加清洗次数不能完全去除氧化膜层,这是因为能量过低,激光未能使氧化膜层完全气化,只是去除了部分氧化;二是部分清洗区域产生了烧蚀现象,随着清洗次数增加,在已清除氧化层的地方,激光能量反复作用,热积累过度,表面材料与空气发生反应,导致铝合金表面发生再次氧化。由图8(b1)、(b2)可以发现:当激光功率为15 W,清洗次数为5次时,铝合金表面呈明显的孔状阵列,氧元素主要分布在光斑搭接处,而且较为稀疏,表明大部分区域的氧化膜已被去除干净。粗糙的孔状形貌有利于激光焊接过程中激光能量的吸收以及熔池的稳定。光斑边缘有细小的球状颗粒,这是激光作用引起的熔融飞溅物,探测到的氧元素主要出现在这些位置。由图8(c1)、(c2)可知,当激光功率为20 W,清洗次数为3次时,细小的球状颗粒大都分布在表面,这表明在激光能量作用过程中有较多的熔融飞溅物,因为飞溅的缘故,所以氧元素分布于表面各处。

图 8. 经不同功率的激光多次清洗后6061铝合金的表面形貌及氧元素面分布。(a) P=10 W,N=7;(b) P=15 W,N=5;(c) P=20 W,N=3

Fig. 8. Surface morphology (SEM) and surface distribution of oxygen of 6061 aluminum alloy after multiple laser cleaning with different laser powers. (a) P=10 W, N=7; (b) P=15 W, N=5; (c) P=20 W, N=3

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3.4 搭接率对氧元素含量的影响

为了在高能量激光下获得较好的表面清洗效果,降低氧化率,设置搭接率η=-5%,图9为15,20,25 W激光分别作用于材料表面的结果。据前面多次激光清洗对氧含量影响的分析可知,高能量激光清洗多次容易使铝合金表面发生二次氧化,因此,考虑高能量搭接率时只考虑单次清洗。从图9中可以发现:随着激光功率增加,氧含量逐渐降低,当激光功率增至25 W时,光斑边缘位置的光强随之增加,相邻光斑之间的氧化层逐渐被清除,但区域氧含量最低为14.28%(质量分数),这表明,高激光功率低搭接率的激光预处理效果不理想。

图 9. 当η=-5%时,单次激光清洗下铝合金表面的氧含量

Fig. 9. Oxygen content of aluminum alloy surface at single laser cleaning with overlap rate of -5%

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为解决激光清洗过程中能量过高或多次清洗造成的材料表面的二次氧化问题,设置光斑搭接率η=5%,研究低能量去除效果。由图10可知,采用10 W激光清洗3次后,氧的质量分数最低为3.82%,而且铝合金表面形成了孔状阵列形貌,与搭接率为0、激光功率为15 W、清洗5次的结果相近。据图5所述搭接率为0,激光功率为10 W清洗多次后的氧含量依然很高可知,在低能量下增加搭接率可以获得较好的清洗效果。此外,由图10还可以看出,与10 W的激光功率相比,15 W激光功率作用的材料表面质量更差,氧的质量分数最低为8.52%。这是因为,增大激光能量和光斑重叠区域,会增大铝合金被再次氧化的概率,因此,低能量时调整搭接率清洗,不仅可以提高清洗质量,还可以提升清洗效率。

图 10. 当η=5%时,不同参数下清洗后铝合金表面的氧含量。(a) P=10 W;(b) P=15 W

Fig. 10. Oxygen content of aluminum alloy surface after cleaning with different parameters and overlap ratio of 5%. (a) P=10 W; (b) P=15 W

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3.5 焊接效果分析

选取未处理的铝合金以及经激光处理后表面氧质量分数分别为16.2%、9.56%、3.23%的3种铝合金进行激光焊接实验。若氧含量差异过小,则焊接效果难以分辨,故选取氧质量分数的间隔约为6%。对应的激光参数分别为:P=10 W,N=5,重复频率为100 kHz,搭接率为0;P=15 W,N=1,重复频率为100 kHz,搭接率为0;P=15 W,N=5,重复频率为100 kHz,搭接率为0。通过X射线探伤机检测焊缝内部的质量,如图11所示。从图11(d)可以看到探测到的线型像质计的条数显示为7,表明影像图符合评价标准。

图 11. X射线探伤机的探测结果。(a)表面未预处理的铝合金的焊缝;(b)表面氧质量分数为16.2%的铝合金的焊缝;(c)表面氧质量分数为9.56%的铝合金的焊缝;(d)表面氧质量分数为3.23%的铝合金的焊缝

Fig. 11. Detection results of X-ray non-destructive detector. (a) Weld of the aluminum alloy without pretreatment; (b) weld of the aluminum alloy with oxygen mass fraction of 16.2%; (c) weld of the aluminum alloy with oxygen mass fraction of 9.56%; (d) weld of the aluminum alloy with oxygen mass fraction of 3.23%

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图11(a)为表面未预处理的铝合金的焊缝,其内部凹凸不平,这是因为未经预处理的铝合金表面的氧化膜熔点很高(Al₂O₃,熔点为2060 ℃),在焊接时需要输入较高的能量才能维持熔化状态,在激光束向前行进的过程中,高能量的激光容易引发熔池不稳定,使熔化物质飞溅至各处,焊缝内部呈现出沟壑状,导致焊后出现气孔、裂纹等缺陷,降低了焊缝质量。图11(b)为表面氧质量分数16.2%的铝合金的焊缝,焊缝凹凸不平,有明显的焊瘤存在,且伴随有氢气孔,这是氧化膜残留较多所致。图11(c)为表面氧质量分数为9.56%的铝合金的焊缝,焊缝中有一些氢气孔存在,但焊缝质量整体优于氧质量分数为16.2%的铝合金。图11(d)所示焊缝内部光滑平整,没有明显的气孔产生,这表明,去除表面氧化膜的铝合金可形成质量良好的焊缝,降低了气孔产生的概率。

图12是氧含量不同的铝合金的焊接接头经过打磨、抛光和腐蚀后,采用扫描电镜观察的显微照片。皮下气孔会严重降低焊缝的力学性能^[15]。从图12所示的氧质量分数分别为16.2%、9.56%和3.23%的铝合金焊缝的横截面可以看出,随着氧含量降低,焊缝区的气孔明显减少,当氧质量分数为3.23%时,无气孔存在。从图12所示的焊缝局部显微照片可以观察到,因为进行激光焊接时采用的激光焊接参数相同(激光功率2.75 kW,焊接速度25 mm/s),故三种焊缝的局部显微形貌没有明显的不同,只是在气孔数量上有所差异,而气孔的差异主要源于表面氧含量的不同。结合X射线探伤数据可以发现,铝合金表面的氧元素含量越低,焊缝的质量越高。

图 12. 焊缝横截面形貌及局部放大图。(a)氧质量分数为16.2%的铝合金的焊缝;(b)氧质量分数为9.56%的铝合金的焊缝;(c)氧质量分数为3.23%的铝合金的焊缝

Fig. 12. Micrographs of cross-section of weld and corresponding to local enlarged detail. (a) Weld of the aluminum alloy with oxygen mass fraction of 16.2%;(b) weld of the aluminum alloy with oxygen mass fraction of 9.56%; (c) weld of the aluminum alloy with oxygen mass fraction of 3.23%

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采用砂纸高程度打磨铝合金表面直至基体完全露出,表面几乎没有氧元素,然后对焊缝横截面进行显微观察,结果如图13所示,可以看出:与激光处理后氧质量分数为3.23%的铝合金的焊缝横截面显微形貌[图12(c1)、(c2)]相比较,两者的局部显微形貌相近,表面没有气孔和其他裂纹缺陷出现,焊接效果相近似。

图8(b1)、(b2)为激光清洗后氧质量分数为3.23%的铝合金的表面形貌及氧元素分布,由于激光光斑呈高斯分布,故而铝合金表面形成了高斯圆形凹坑,在EDS图中可观察到凹坑边缘有少量氧元素分布。采用激光清洗时,因激光光斑形状呈高斯分布,理论上很难避免边缘残留有氧化物,但这不会影响焊接效果。

图 13. 铝合金无氧表面的焊缝形貌。(a)横截面形貌;(b)局部放大形貌

Fig. 13. Weld morphology of aluminum alloy with oxygen free surface. (a) Cross-sectional morphology; (b) local enlarged detail

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4 结论

采用激光清洗技术对6061铝合金进行预处理,研究了不同激光参数下氧元素的线、面含量及分布,得到以下结论:单次激光作用功率为20 W时,铝合金表面的氧质量分数最低,为7.72%;单次激光功率高于25 W时,铝合金表面的氧含量出现回升,这是因为铝合金表面已经过度清洗,会造成清洗区域再次氧化;增加清洗次数可以降低材料表面的氧含量,将表面的氧化膜去除干净;调整搭接率进行清洗不仅可以提高清洗质量,还可以提升清洗效率;激光预处理表面的氧元素含量越低,焊接质量越高;采用最优的激光参数进行预处理后,铝合金焊缝平滑均匀,无明显缺陷存在;分布于光斑周围的少量氧元素不影响焊接效果。实验结果为铝合金焊前的激光预处理技术研究提供了参考。