董世運,， 宋超群,， 閆世興， 徐濱士， 何 鵬

(1. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072；2. 哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001)

激光清洗預處理對7A52鋁合金激光焊縫成形質(zhì)量的影響

董世運1,2， 宋超群1,2， 閆世興1， 徐濱士1， 何 鵬2

(1. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京100072；2. 哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱150001)

為了探索激光清洗技術(shù)用于鋁合金激光焊前預處理的可行性，在7A52鋁合金試樣表面進行了激光清洗預處理，并采用ER5356鋁合金焊絲在試樣表面制備了激光填絲焊縫，分析了激光清洗后試樣表面的形貌和成分特征，研究了激光清洗預處理對激光焊縫成形質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：激光清洗預處理后，試樣表面存在波紋狀的微溝槽織構(gòu)，表面粗糙度由未預處理前的0.82μm增加至3.21μm，表面氧元素質(zhì)量分數(shù)僅為2.44%；焊前激光清洗能夠有效去除試樣表面的原始氧化膜，降低焊縫內(nèi)工藝氣孔和氫氣孔的產(chǎn)生傾向，并增加表面對激光的吸收率，改善熔滴在表面的鋪展?jié)櫇裥?，從而提高焊縫的成形質(zhì)量。激光清洗技術(shù)可適用于鋁合金激光焊接前的表面預處理。

激光焊接； 激光清洗；7A52鋁合金； 氧化膜； 焊接氣孔

7A52鋁合金是我國自主研制的一種高強輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、斷裂韌性好和抗彈性能優(yōu)異等優(yōu)點，在國防工業(yè)中占有重要地位[1]。該鋁合金主要作為焊接結(jié)構(gòu)件使用，由于激光焊接技術(shù)具有熱輸入低、熱影響區(qū)窄、接頭質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高和便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是目前該類材料最先進的焊接方法之一。但激光焊接鋁合金存在2大難點：鋁合金表面存在一層高熔點氧化膜，它會阻礙激光能量傳遞，導致焊接穩(wěn)定性變差，易使焊縫內(nèi)出現(xiàn)氣孔、夾雜等焊接缺陷；鋁合金表面對激光的反射率高，它使激光能量利用率低，易引起未焊透、未熔合等焊接缺陷[2-3]。因此，激光焊接鋁合金前需對其表面進行預處理。

常用的焊前預處理方法有機械刮削法和化學清洗法。其中：機械刮削法雖然操作簡單，但去除氧化膜效果較差，清理效率較低；而化學清洗法則存在工序復雜、易污染環(huán)境等問題[4]。激光清洗是一種新型的表面預處理方法，具有清洗效率高、清潔質(zhì)量好、適用對象廣、基體損傷小、勞動強度低、不污染環(huán)境和便于實現(xiàn)自動化等一系列優(yōu)點[5]。LI等[6]采用激光清洗預處理Q235鋼并進行激光焊接和激光-電弧復合焊接，發(fā)現(xiàn)激光清洗能夠有效減少焊縫內(nèi)氣孔缺陷。KUMAR等[7]采用激光清洗作為Ti-3Al-2.5V鈦合金TIG焊接前的預處理方法，顯著提高了焊接接頭質(zhì)量。然而，采用激光清洗作為焊前預處理方法的研究還較少，其作為7A52鋁合金激光焊前預處理方法的可行性有待驗證，激光清洗對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律仍有待深入研究。

筆者采用激光清洗法作為7A52鋁合金激光焊接前的預處理方法，分析了激光清洗后表面的形貌特征和成分特征，并采用焊前未預處理表面作為對照組，研究了激光清洗對焊縫成形質(zhì)量的影響規(guī)律，以期為激光清洗法在鋁合金激光焊接預處理中的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1實驗材料

母材采用7A52鋁合金(以下簡稱為鋁合金)，板厚為10 mm；焊絲為ER 5356鋁合金，直徑為1.6 mm。2種材料的化學成分如表1所示。

1.2實驗方法

表1 7A52鋁合金及ER 5356鋁合金化學成分 wt%

圖1 激光清洗裝置實物圖及其工作原理示意圖

激光焊接前，采用圖1(a)所示的激光清洗裝置對鋁合金表面進行預處理，該裝置由IPG:YLP-30型脈沖光纖激光器、激光清洗頭和機器人3部分組成。圖1(b)為激光清洗原理示意圖，其工作原理為：激光器產(chǎn)生的短脈沖激光束由光纖傳輸進入激光清洗頭內(nèi)，經(jīng)準直鏡、掃描振鏡和聚焦鏡后，在鋁合金表面形成點狀聚焦光斑；由于掃描振鏡的高速擺動，點狀聚焦光斑將變?yōu)榫哂幸欢ㄩL度的線狀光斑，并在機器人的控制下以一定速度對鋁合金表面進行激光燒蝕，從而去除表面氧化膜。激光清洗工藝參數(shù)為：脈沖頻率為30 kHz，脈沖寬度為100 ns，激光能量密度為5.2 J/cm2，掃描速度為1 500 mm/s，清洗速度為0.5 mm/s。

激光焊接裝置主要由IPG：YLR-4000型光纖激光器、Precitec：YW52型激光焊接頭、Fronius：KD-4010型送絲機和三維數(shù)控機床等組成。采用平板堆焊方式，分別在鋁合金表面激光清洗區(qū)域和未預處理區(qū)域進行激光填絲焊接試驗，其工藝參數(shù)為：激光功率3 200 W，焊接速度0.6 m/min，送絲速度2.0 m/min，離焦量+10 mm，高純Ar作為保護氣體，氣流量20 L/min。

激光清洗預處理后，采用LEXT OLS4100型激光共聚焦顯微鏡(Laser Scanning Confocal Microscope，LSCM)和Quanta200型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀測鋁合金表面的形貌特征和表面粗糙度值，并利用Tracor Northern型能譜儀(Energy Disperse Spectroscopy，EDS)對表面進行成分分析。激光填絲焊接完成后，觀察焊縫表面成形質(zhì)量，并在焊縫橫截面上截取試樣，分析焊縫的幾何參數(shù)和內(nèi)部缺陷。

2 結(jié)果分析

2.1形貌分析

鋁合金表面三維形貌和SEM形貌如圖2所示?？梢钥闯觯何搭A處理鋁合金表面較平整，但存在一些微小的溝槽、凹坑和凸起等，說明鋁合金表面的原始氧化膜并不完整，局部存在微小破損；激光清洗后鋁合金表面較粗糙，且存在波紋狀的溝槽結(jié)構(gòu)，局部還分布著一些細小的球狀顆粒。波紋狀溝槽是線狀激光束燒蝕鋁合金基體形成的，而球狀顆粒則是激光燒蝕鋁合金基體時附著在外表面細小飛濺。

圖3為鋁合金表面的YZ截面輪廓曲線?？梢钥闯觯何搭A處理鋁合金表面的輪廓線不規(guī)則，Z方向的整體波動較小，最大波動幅度值Δzmax=3.6 μm，說明鋁合金表面相對平整；激光清洗后鋁合金表面的單個溝槽輪廓線為鐘罩型，是高斯分布激光燒蝕的結(jié)果，單個溝槽沿Z方向的波動幅度Δz=11.3～13.6 μm，平均值為12.4 μm，相鄰溝槽沿Y方向的中心距Δy=58.4～69.2 μm，平均值為63.8 μm，說明鋁合金表面相對粗糙，Δz和Δy相對誤差均在10%以內(nèi)，可粗略地認為溝槽沿Y方向呈周期性分布。

采用LEXT OLS4100型激光共聚焦顯微鏡，可直接測得鋁合金表面的線粗糙度值和面粗糙度值。為便于比較，統(tǒng)一采用表面算術(shù)平均高度值Sa評估表面粗糙度。Sa的計算公式為

(1)

圖2 鋁合金表面形貌

式中：z(x,y)表示鋁合金表面上點(x,y)相對于基準平面的高度差；A表示基準平面的面積。

未預處理鋁表面和激光清洗鋁合金表面的Sa值分別為0.82、3.21 μm，后者約為前者的4倍，說明激光清洗可顯著增加鋁合金表面的粗糙度。激光清洗后鋁合金表面粗糙度的增加與其周期性分布的波紋狀溝槽織構(gòu)有關，且表面粗糙度的大小由溝槽輪廓線的波動幅度Δz和中心距Δy共同決定。

圖3 鋁合金表面YZ截面輪廓曲線

2.2成分分析

表2為圖2(c)中未預處理和激光清洗鋁合金表面的EDS面掃描結(jié)果。可以看出：未預處理鋁合金表面僅含有O、Al元素，可確定鋁合金表面氧化膜主要成分為Al2O3；激光清洗后鋁合金表面O元素質(zhì)量分數(shù)由16.54%降至2.44%，說明激光清洗可有效去除鋁合金表面的原始氧化膜。激光清洗后鋁合金表面仍殘留少量O元素，分析其可能原因為：1)原始氧化膜未被徹底去除，仍有少量殘留；2)原始氧化膜已被徹底去除，但激光燒蝕過程中表面受熱氧化后產(chǎn)生新的氧化膜；3)原始氧化膜已被徹底去除，且激光清洗過程中并未產(chǎn)生新的氧化膜，而在進行成分測試前其表面在空氣中發(fā)生自然氧化。激光清洗過程中，為降低鋁合金表面再次受熱氧化形成新氧化膜的可能性，采用側(cè)吹高純Ar方式進行氣體保護。

表2 鋁合金表面的EDS面掃描結(jié)果 wt%

2.3焊縫成形質(zhì)量

焊前未預處理和焊前激光清洗鋁合金表面經(jīng)激光填絲焊接后，焊縫的外觀形貌和橫截面形貌如圖4、5所示。可以看出：焊前未預處理得到的焊縫外觀成形較差，表面出現(xiàn)高低起伏、斷續(xù)分布的“駝峰”，焊縫底部存在一個形狀不規(guī)則、尺寸約為1 mm的宏觀氣孔，焊縫內(nèi)部還彌散分布著一些肉眼可見的微小氣孔；而焊前激光清洗得到的焊縫外觀成形良好，焊縫表面均勻連續(xù)，焊縫內(nèi)部未觀察到宏觀氣孔等缺陷。位于焊縫底部的宏觀氣孔屬于工藝氣孔，該類氣孔的產(chǎn)生與焊接小孔的失穩(wěn)有關：未預處理鋁合金表面存在的高熔點Al2O3薄膜(熔點為2 060 ℃)阻礙了激光能量向熔池內(nèi)傳遞，使熔池小孔的穩(wěn)定性變差，導致小孔根部失穩(wěn)閉合，而使金屬蒸氣、保護氣和周圍空氣等密封于熔池內(nèi)無法逸出，進而在焊縫底部形成工藝氣孔[8]。由于激光清洗后鋁合金表面幾乎不存在氧化膜，因此其焊縫內(nèi)未出現(xiàn)工藝氣孔。

圖4 激光填絲焊縫外觀形貌

圖5 激光填絲焊縫橫截面形貌

圖6 激光填絲焊縫橫截面SEM形貌

圖6為鋁合金焊前未預處理和焊前激光清洗對應激光填絲焊縫橫截面SEM形貌，可以看出2組焊縫內(nèi)部均存在一些形狀較規(guī)則的圓球狀微觀小氣孔，屬于氫氣孔，其中：鋁合金焊前未預處理對應焊縫內(nèi)的氫氣孔數(shù)量較多，直徑約為500 μm；而焊前激光清洗對應焊縫內(nèi)的氫氣孔數(shù)量較少，且直徑均小于50μm，這些微小氫氣孔缺陷對焊接質(zhì)量的影響相對較小。氫氣孔的產(chǎn)生與氫在固態(tài)和液態(tài)鋁合金中溶解度不同有關：氫在液態(tài)鋁中的溶解度很高，液態(tài)熔池內(nèi)可吸入大量氫，但當熔池開始凝固時，氫的溶解度由0.69 mL/100 g Al(l)突降為0.036 mL/100 g Al(s)，此時大量氫將從熔池內(nèi)析出，形成氣泡并長大、上浮，當部分氣泡來不及逸出熔池表面時在焊縫上部形成氫氣孔[9-10]。未預處理鋁合金表面存在一層氧化膜，其在焊前吸附了較多水分(常以結(jié)晶水Al2O3·xH2O形式存在)，在激光輻照下受熱分解生成大量氫，導致焊縫內(nèi)出現(xiàn)數(shù)量較多、尺寸較大的氫氣孔；而激光清洗后鋁合金表面幾乎不存在氧化膜，有效避免了氫的來源，因此焊縫內(nèi)氫氣孔的數(shù)量較少、尺寸較小。

表3 激光填絲焊縫相關形狀參數(shù)的平均值

表3為激光填絲焊縫相關形狀參數(shù)的平均值。可以看出：2組焊縫的各參數(shù)均存在較大差別，與鋁合金焊前未預處理得到的焊縫相比，采用激光清洗對鋁合金表面進行預處理后焊縫的熔深和熔寬均增大，余高和潤濕角均減小，同時焊縫的成形系數(shù)、余高系數(shù)和熔合比均增大。

激光清洗使焊縫熔深和熔寬增加的主要原因與表面粗糙度有關。鋁合金表面對激光的反射率R與其表面粗糙度Sa滿足以下關系[11]：

(2)

式中：Ri為理想鋁合金光潔表面對激光的反射率；λ為激光波長。

由式(2)可知：Sa越大，對激光的反射率越小。激光清洗后表面粗糙度Sa由0.82 μm增加至3.21 μm，使得表面對激光的反射率降低，鋁合金基體對激光能量的吸收率增加，從而導致熔深和熔寬的增加。由于熔深變化率顯著大于熔寬變化率，即焊縫成形系數(shù)增加，因此，焊縫熔合線的輪廓將由圖5(a)所示的半橢圓形變?yōu)閳D5(b)所示的鐘罩型。

激光清洗后，焊縫的余高和潤濕角分別由2.21 mm、115°減小為1.72 mm、58°，說明激光清洗可顯著改善液態(tài)熔滴在鋁合金表面的鋪展?jié)櫇裥?。將激光清洗后表面織?gòu)看作同心溝槽，熔滴在鋁合金表面的鋪展過程可用Wenzel修正公式描述為[12]

(3)

3 結(jié)論

通過分析激光清洗預處理后7A52鋁合金表面的形貌特征和成分特征，并對激光焊縫的成形質(zhì)量進行研究，得出如下結(jié)論：采用合適的激光清洗工藝參數(shù)能夠去除試樣表面的原始氧化膜，有效避免焊縫內(nèi)工藝氣孔的出現(xiàn)，并降低氫氣孔的產(chǎn)生傾向；激光清洗后試樣表面出現(xiàn)波紋狀的微溝槽織構(gòu)，使得表面粗糙度顯著增加，表面對激光的發(fā)射率降低，進而增加焊縫的熔深和熔寬；此外，激光清洗預處理還可改善熔滴在鋁合金表面的鋪展?jié)櫇裥裕@著提高焊縫的成形質(zhì)量。

下一步，將研究激光清洗預處理對焊縫微觀組織和力學性能的影響規(guī)律，進一步論證激光清洗技術(shù)用于鋁合金激光焊前預處理的可行性。

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(責任編輯: 尚菲菲)

EffectofLaserCleaningPretreatmentonLaserWeldingFormationof7A52AluminumAlloy

DONG Shi-yun1,2, SONG Chao-qun1,2, YAN Shi-xing1, XU Bin-shi1, HE Peng2

(1. National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing100072, China；2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin150001, China)

To explore the practicability of laser cleaning technique as a pretreatment method for laser welding of aluminum alloy, laser cleaning pretreatment has been employed before the laser welding seam is fabricated with the ER5356filler wire on the surface of7A52aluminum alloy specimens. Morphological and compositional characteristics of the laser cleaning pretreated surface are analyzed to study the effect of laser cleaning pretreatment on laser welding formation quality. The results show that after laser cleaning, there is a wavy micro groove texture on the surface of the sample, which increases the surface roughness from0.82μm to3.21μm before pretreatment and its surface oxygen mass fraction is only2.44%. Laser cleaning pretreatment method can obviously remove the original oxide films of the sample, reduce the formation tendency of process porosity and hydrogen porosity in the welding seam, significantly increase the absorptivity of the surface to the laser, improve the spreadability and wettability of the droplet on the surface, ultimately resulting in the enhancement of laser welding formation quality. Laser cleaning technique is proved to be an appropriate surface pretreatment method for laser welding on aluminum alloy.

laser welding; laser cleaning;7A52aluminum alloy; oxide film; welding porosity

1672-1497(2017)04-0100-06

2017-05-12

國家重點研發(fā)計劃基金資助項目(2016YFB1100205)；北京市科技專項基金資助項目(Z161100004916009；Z161100001516007)

董世運(1973-)，男，教授，博士。

TG456.7

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2017.04.019