用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈

江苏激光联盟导读：

据悉，本文探讨了短脉冲激光表面清洗对汽车零部件铝合金激光焊接气孔形成和减少的影响。

摘要

铝合金的激光焊接通常会导致熔合区出现气孔，导致机械性能和腐蚀性能较差。表面的机械和化学清洗以前曾用于去除焊接准备中的污染物。然而，这些方法速度慢、效率低（如由于氢捕获），或会导致环境危害。本文报道了短脉冲激光表面清洗对AC-170PX（AA6014）铝板（涂有Ti/Zr，使用干润滑剂AlO70润滑）激光焊接中气孔形成和减少的影响。在使用填充焊丝的激光焊接过程中，激光清洗对气孔减少的影响之前尚未报道。在这项工作中，在激光清洗之前和之后检查了气孔和焊缝熔合区的几何形状。纳秒脉冲Nd:YAG激光清洗可显著降低焊缝熔合区的气孔率。对于角边焊缝，孔隙率降低到0.5%以下，而无需激光清洗的孔隙率为10–80%。对于法兰焊缝，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%。这是由于消除了污染和氧化层，有助于孔隙的形成。激光清洗基于热烧蚀。

1.介绍

铝合金等轻质合金表面通常有一层氧化物或氢氧化物。这些类型的表面层可能会由于熔合区中的氢截留而影响熔合连接过程。使用化学物质是去除氧化层的主要方法。喷砂、碳化硅抛光和等离子蚀刻也被报道为焊缝表面处理方法。过去使用的大多数清洁方法都依赖于与表面金属发生反应的化学物质。这种湿法清洗虽然可以去除不需要的表面层，但这些物质的使用和储存可能会损害工人的健康，并可能增加环境和安全风险。此外，由于在清洗过程中使用了液体，很难避免氢捕获，这将导致焊缝中出现气孔。

AA5083熔合线4 kW（单点）的X射线断层扫描分析：（a）宏观和微观孔隙的纵向视图（近13 vol.%）；（b）横截面图：多孔位于珠的整个边缘。

激光已被用于许多工业应用，如钻孔、切割、机械加工和最近的表面清洁。激光清洗通常被认为是干洗方法之一。需要注意的是，并非所有激光器都适用于清洁应用。激光干洗使用高功率激光脉冲从表面喷射颗粒或薄膜。由于颗粒或表面突然膨胀或蒸发，污染物从表面喷出。根据激光波长和基底材料的类型，辐射能量被表面、颗粒或污染膜吸收。Tam等人的研究表明，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效率。基于Van der Waals或静电力，污染物颗粒通常粘附在金属表面。激光清洗可以根据两种不同的机制去除污染颗粒，一种是通过蒸发或流体动力溅射实现颗粒的直接喷射，另一种是通过底部母材的热塑性膨胀。这意味着，当能量被污染颗粒或基质吸收时，就可以实现激光清洗。

有时，这两种机制可能同时发生。对于薄膜形式的污染物(如氧化物、润滑脂、机加工冷却剂残留物和油)的去除，材料去除机制强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激光主要基于Nd的热烧蚀过程；1064 nm波长的YAG激光器与污染物表面上的材料相互作用，并直接与基底相互作用，而CO2激光器（10.6μm）仅与表面上的材料相互作用。

激光清洗具有许多技术优势，例如远程应用、局部清洗、复杂3D形状部件的清洗以及消除危险化学溶液的使用。由于用于表面处理的激光只应去除薄层而不影响大块材料，因此工艺参数的选择变得非常关键。这些参数包括：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。应该注意的是，在激光束与金属合金之间的相互作用过程中，可能会观察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表面处理方法的成功应用之一是用于航空发动机制造的Ti6Al4V合金。对这些合金的激光清洗进行了许多研究。Turner等人研究并模拟了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，主要的影响是从基板表面传导到污染物的热量。然而，如果使用CO2激光器，污染物可以通过直接加热去除。

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

AA5083和A356焊缝断面宏观组织:(a) A356单点5 m/min;(b) 4 m/min的A356双点(间距0.45 mm);(c) 5083单点5m /min;(d) 5083双光束(间隔0.75 mm)，2.5 m/min。

Haboudou等人研究了使用激光清洗和其他方法去除AA5083和A356铝合金表面氧化层来减少孔隙度的方法。他们使用脉冲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。结果表明，对于A356和AA5083，激光清洗表面将焊缝中的孔隙率分别降低到2%和7%以下。他们将不同材料中产生的孔隙率差异归因于这些合金中的镁含量，因为镁蒸发随着镁含量的增加而增加。

Meja等人研究了使用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，以确定去除氧化物的最有效辐射。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变化。他们将这归因于在较短波长下的较高吸收。Rechner等人研究了Nd:YAG激光清洗AA6016铝合金，该铝合金涂有TiZr氧化物层。他们使用XPS分析来确认轧制合金表面的氧和碳含量降低，结果表明激光清洗已经从表面去除了大量的铁、碳、硅和氧气。随后使用环氧粘合剂将板材粘合在一起，发现表面清洁可提高此类材料的拉伸强度。

从文献中可以看出，到目前为止，激光清洗的研究主要集中在钢、钛和少数几种铝合金的清洗上。因此，需要对其他铝合金进行进一步研究，以了解激光清洗对气孔等焊接缺陷的影响，因为这是使用激光和电子束等高能束进行铝焊接时面临的最常见问题之一。之前一些研究人员已讨论了使用填充焊丝对激光焊接表面进行机械和化学清洗的效果，另一些研究人员则讨论了激光清洗对自铝焊接的影响。然而，在使用填充焊丝的激光焊接过程中，激光清洗对气孔减少的影响之前还没有报道，AA6014铝合金的激光清洗之前也没有报道。

本文报道了激光清洗作为AC-170PX（AA6014）激光焊接表面处理方法的效果。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、微观结构和焊缝尺寸。

2.材料和实验程序

使用直径为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（固溶热处理和自然时效），其物理和机械性能根据EW 10002在轧制方向的横向上进行测量。基材涂有钛和锆（4 mg/m2），并使用干润滑剂AlO70（1.5 g/m2）进行润滑，作为其金属板成型工艺的一部分。由于Ti和Zr涂层的厚度约为3 nm，而AlO70润滑剂的厚度为0.5 μm，因此计算出涂层的总厚度为0.503 μm。

在这项工作中，研究了两种不同的连接配置:圆角边缘连接和法兰轴承座连接(图1)。激光焊接前，使用ThyssenKrupp GmbH公司提供的Q开关Nd:YAG激光器（CleanLASER CL600）清洁样品。清洁板材后，使用TRUMPF disk laser TruDisk 5302（最大输出功率5300 W）焊接板材。应该注意的是，这两种类型的激光器都使用高斯光束形状。激光焊接使用散焦激光束进行，焦点位于工件上方8 mm处，并以10 L/min的流速用氩气进行保护。图2显示了相对于焊缝法平面的阻力和横向角度。

图1 （a）圆角边缘接缝。（b）带偏置的法兰固定接头。

图2 入射光束及其与法向平面的倾角。

3.实验结果

3.1. 激光清洗对表面特性的影响

除了对两个样品的微观结构进行了检查外，还对清洁后的表面进行了表面层析成像检查，以可视化激光清洁对表面特性的影响。图3显示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的表面层，激光清洗区域看起来更平滑。图4显示了激光清洗前后的表面形态。与未清洁表面（Ra=982nm）相比，观察到更光滑的表面（Ra=882nm）。

图3 激光清洗/未清洗界面的横截面图，显示激光清洗的材料去除深度。

图4 (a)粗糙度为Ra=982 nm的参考表面和(b)粗糙度为Ra=882 nm的清洁表面的层析成像。

激光清洗旨在去除表面污染物、表面涂层和氧化层。润滑剂和污染物的存在通常会使表面在显微镜下不均匀。这些表面层的去除揭示了轧制过程后获得的平面。图5也展示了这种效果，其中激光清洗表面的横截面比未清洗表面的横截面更平滑、更均匀。

图5 (a)未清洁的表面和(b)激光清洁的表面的截面。

激光清洗除降低粗糙度外，还会导致界面层的微观结构发生微小变化，如图6所示。从该图可以看出，存在于表层的硅化镁沉淀剂的尺寸比位于大块材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，与大块材料内的沉淀物相比，没有足够的时间使沉淀物生长。

图6 表面特征的SEM图像，其中底部被激光清洗，而顶部被保留作为参考。

使用扫描电子显微镜（SEM）检查了制备的表面，以了解表面的任何部分是否熔化。图6和图7显示了这一点，突出了清洁和未清洁表面之间的差异。

图7 (a)处理后AC170-PX的未清洁表面和(b)激光清洗后的同一表面的表面特征的SEM图像。

根据图6、图7中接收和激光清洗表面的SEM照片，观察到在激光清洗过程中，表面层熔化。在激光清洗之前，润滑剂以与轧制方向相同的方向分布在表面上。然而，如图7所示的激光清洗导致表面熔化，并在表面上形成固化材料。

Dimogerontakis等人研究了使用纳秒脉冲Nd:YAG激光清洗阳极化AL-Mg合金，并规定了激光诱导表面氧化的阈值。他们的实验表明，表面可能发生氧化的通量在0.6–1.4 J/cm2范围内。

为了观察清洗前后表面化学的变化，采用了激光诱导击穿光谱（LIBS）技术。图8、图9分别为清洗前后的表面化学变化。从图8可以清楚地看出，由于表面被Zr和Ti包覆，所以接收表面含有Al、Zr和Ti。图9显示，与图8相比，Zr峰随着部分Ti峰的消失而消失。高通量脉冲激光可去除铝合金表面约19 μm的表面。由于Ti/Zr涂层和润滑剂的厚度仅为3 nm，因此在激光清洗过程中，粘附在表层顶部的Ti/Zr涂层会被去除。然而，图8表明，尽管400–600 nm范围内的其他Ti峰已消失，但激光清洗表面上仍存在一些钛颗粒。激光清洗显然已经去除了大部分涂层和污染物。

图8 对激光清洗前的AA6014表面进行元素分析。

图9 激光清洗后AA6014表面的元素分析。

3.2. 有无激光预清洗激光焊接后的气孔特征

激光焊接后的气孔可由各种来源产生，如表面上的氢气、污染物和润滑剂、氧化层以及凝固过程中熔融材料的收缩。因此，消除污染物、润滑剂和氧化等孔隙形成源可以将气体孔隙度降低到非常低的水平。

图10、图11分别显示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。值得注意的是，由于焊缝根部存在间隙，与角焊缝相比，法兰焊缝的孔隙率较小。由于法兰连接配置存在的间隙有助于焊接过程中产生的气体从焊接池中逸出。

图10 激光角焊边缘焊接接头（a）未经清洗和（b）经激光清洗的孔隙度水平比较。

图11 激光法兰焊接接头（a）未经激光清洗和（b）经激光清洗的孔隙度水平比较。

通过比较接收和清洁样品的横截面（图10、图11），可以明显看出，激光清洁显著降低了焊接区的孔隙率。气孔率是指气孔所占面积与焊接熔合区总横截面积之比。根据图12，角边焊缝的孔隙率在清洗后降低了约95–98%，具体取决于工艺中使用的焊接参数。在清洁之前，孔隙率达到焊接区域横截面的10%到80%之间，而在清洁之后，无论焊接参数如何，孔隙率都降低到1%以下。对于法兰接头，根据焊接参数，清洗后的孔隙率从56%降至75%，达到0.23–0.8%，而激光清洗前为0.7–4.3%。

图12 有无激光清洗的激光焊接接头中的孔隙率（a）角焊边缘焊接接头和（b）法兰焊接接头。

这项工作中使用的纳秒Nd:YAG激光清洗已经去除了基底表面的大部分涂层、润滑剂和污染层。这减少了导致焊缝气孔的有害气体来源。

3.3. 焊接熔合区尺寸

焊缝几何形状以焊缝宽度和熔深为特征。这两个参数分别如图13和图14所示。从这些图中可以看出，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。

图13 激光清洗角边接头和未经激光清洗的焊缝之间焊缝宽度和熔深的比较。

图14 有无激光清洗的激光清洗法兰接头之间焊缝宽度和熔深的比较。

对于角边接头，焊缝熔合区宽度和熔深分别减少了约30–65%和8–50%。然而，法兰接头中焊缝宽度和熔深的变化分别只有约1–3%和高达25%。这可归因于两个原因：清洁后产生的孔隙率减少，从而减少了胎圈的体积和尺寸；以及清洁后清洁表面反射率的增加。

激光清洗去除润滑剂和氧化层，并暴露基材。清洁后的铝表面比接收时的表面更亮，因此会反射更多的激光束能量。为了证明这一点，使用SPECORD 250光谱仪测量了接收和清洁表面的反射率。如图15所示，在500 nm和1100 nm之间的波长范围内测量反射率。在焊接激光波长（1064 nm）下，接收表面的反射率值达到约70%。另一方面，清洗后的表面在相同波长下的反射率高达85%。因此，激光清洗后，表面的反射率增加了约20%。

图15 （a）接收到的AC-170PX表面和（b）使用Nd:YAG激光器（1.06µm）清洁的表面的反射率。

因此，大部分入射激光束将被清洁表面反射。这反过来意味着，在激光焊接过程中，激光清洗后，传递给母材的能量会减少，从而产生尺寸更小的焊缝。

4.讨论

了解每个激光脉冲的热穿透深度非常有用。如果假设室温为25°C，则表面温度为2818°C，高于合金沸腾温度（2520°C）。需要注意的是，这种热量仅由每秒20000个脉冲中的一个脉冲产生。连续脉冲产生的热量会产生非常高的温度，导致表面材料蒸发。

当铝从固态转变为液态时，氢在铝中的溶解度有显著差异。研究发现，在熔融温度下，H2的溶解度可达到铝的固体溶解度的70倍，而铁的固体溶解度仅为1.6倍。

氢可以由合金材料本身、大气和保护气体中的水分、金属表面的污染物、保护气体管中的水分和氧化物层生成。

尽管激光清洗有助于显著降低所研究铝合金中的孔隙率，但在清洗后，两种类型的焊缝中仍有很小比例的孔隙率。这可以归因于许多来源：

1.在能量密度（6.27 J/cm2）下进行激光清洗后可能形成的一层很小的氧化物。这一薄层可能会产生一小部分孔隙度。

2.钛颗粒可能仍然存在于表面。

3.合金成分中已经存在的氢。

4.焊接过程中使用少量保护气体。

5.焊接过程中的小孔坍塌和不稳定。

值得一提的是，汽车制造商将铝焊接中允许的最大孔隙率水平设定为焊缝横截面积的10%（根据BS EN ISO 13919-2:2001标准）。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。根据图12、图13、图14，激光清洗使作者在气孔率水平和焊缝尺寸值方面满足了工业要求，从而使铝焊接能够应用于车身制造。

5.结论

根据本研究报告的结果，可以得出以下结论：

1.激光清洗可以去除AC-170PX铝合金表面的大部分润滑剂和污染物。此外，在使用的清洗参数下，激光清洗从基板上去除了约19μm。

2.根据焊接参数，激光清洗通过将两种类型接头的孔隙率降低到小于1%，从而显著改善了焊接质量。

3.从这项工作可以看出，由于消除了涂层、润滑剂和表面污染物产生的氢气和其他气体，激光清洗减少了涂层AC170 PX铝合金焊接过程中的孔隙率。

4.清洁AC-170PX板材时，由于清洁后表面反射率增加，焊缝尺寸减小。

来源：The effects of short pulse laser surface cleaning on porosity formation and reduction in laser welding of aluminium alloy for automotive component manufacture，Optics & Laser Technology，doi.org/10.1016/j.optlastec.2014.05.010

参考文献：S. Feliu Jr., A. Pardo, M.C. Merino, A.E. Coy, F. Viejo, R Arrabal，Correlation between the surface chemistry and the atmospheric corrosion of AZ31, AZ80 and AZ91D magnesium alloys，Appl Surf Sci, 255 (2009), pp. 4102-4108

特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.