王蔚, 沈杰, 劉偉軍*, 邢飛, 張凱, 李強, 于興福

(1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110870; 2.遼寧省激光表面工程技術重點實驗室, 遼寧 沈陽 110870)

0 引言

7075鋁合金作為一種軍民兩用的材料,以其良好的機械性能、抗腐蝕性能和抗沖擊性能常常被用于航空航天和民用交通工具的領域,例如飛機雷達上的構件、飛機構架和汽車油箱的箱體等[1-4]。由于鋁合金相比其他金屬有更強的親氧性,7075鋁合金在制造完成后其表面會生成一層氧化膜[5-6],該氧化膜的存在會對鋁合金焊接件質量、鋁合金表面電鍍層的結合質量以及設備維護檢修的質量等產生不良影響[7-9],因此在這些場合需提前去除氧化膜。激光清洗相比于傳統的清洗方式有著清洗精度高、應用范圍廣和綠色清潔等優(yōu)點[10],正在逐漸成為去除金屬表面氧化物的一種新型清洗方式。

雷正龍等[11]采用脈沖激光器對2024鋁合金表面漆層進行了清洗,結果表明激光清洗可以有效去除漆層,但存在對基體造成熔融損傷的可能性,并會對清洗表面形貌產生影響。Dimogerontakis等[12]在激光清洗鋁鎂合金的試驗中發(fā)現,激光清洗中形成的氧化膜的厚度隨著激光能量密度的增大而變厚,其中這些氧化膜的形成主要是由瞬態(tài)熱效應引起。周建忠等[13]利用納秒激光對AH32鋼表面銹蝕層進行了有效地去除,但發(fā)現振鏡掃描速度過小時會使基體表面缺陷增多,而振鏡掃描速度過大時,清洗表面會殘留銹蝕斑。李宇強等[14]利用響應面函數模型對激光清洗工藝參數進行優(yōu)化,探究了激光平均功率、振鏡掃描速度和線間距對清洗表面粗糙度的影響規(guī)律。Zhang等[15]的研究證明了在激光清洗時改變激光能量密度和光斑重疊率會影響5754鋁合金表面粗糙度,且隨著光斑重疊度的增加,表面粗糙度呈現先增加、后減小的趨勢。而且沈浩等[16]、聶金浩等[17]和萬壯等[18]在利用激光對高溫合金、不銹鋼和低碳鋼進行表面處理后發(fā)現,合理的激光工藝參數會有效地改善摩擦特性。

根據之前學者的研究,發(fā)現振鏡速度對粗糙度和摩擦特性具有一定意義上的影響。但是少有學者研究激光清洗中振鏡速度對7075鋁合金這種材料的影響。鑒于此,本文利用脈沖光纖激光器對7075鋁合金進行了清洗,分析了不同振鏡掃描速度對清洗后的表面形貌、氧含量、物相和粗糙度的影響,探究了不同振鏡掃描速度下清洗表面的摩擦特性變化規(guī)律。

1 實驗步驟

1.1 激光清洗實驗設備及材料

清洗實驗所用激光清洗平臺主要由激光頭、美國IPG光子公司產納秒脈沖光纖激光器、德國KUKA公司產機械臂、電氣控制平臺和溫度控制器組成。激光清洗中激光光斑為線性光斑,光斑掃描路徑分別由振鏡和機械臂控制。其中激光光束通過振鏡折射到場鏡,再由場鏡聚焦到待清洗試樣表面,之后通過振鏡的轉動和激光頭所在機械臂的移動實現激光光斑的移動,如圖1所示,圖中D為激光光斑直徑,通過控制振鏡的轉動速度實現改變光斑掃描速度的大小。激光清洗實驗所用主要工藝參數如表1所示。

實驗中所用的清洗對象為7075鋁合金板材,其表面存在鋁合金自然形成的氧化膜,表面呈灰黑色,如圖1所示。對原始表面進行元素成分和物相檢測后得出圖2所示的元素成分圖和物相圖,發(fā)現7075鋁合金表面氧含量質量百分比為3.19%,原始氧化膜主要由Al、O和Mg等元素組成。

1.2 測試設備及檢測方法

實驗采用美國Bruker公司生產的TriboLab UMT摩擦磨損試驗機,在本文的摩擦磨損實驗中,變量為摩擦載荷,固定往復頻率為1 Hz,沖程范圍為10 mm,工作時間為5 min。摩擦副為球-盤接觸,采用往復形式進行摩擦,對偶件為直徑6.5 mm的GCr15精密軸承鋼球。摩擦狀態(tài)為干摩擦,所用摩擦載荷分別為1 N、5 N和10 N,并可使用官方提供的Viewer軟件對摩擦系數曲線進行記錄和處理。采用上海舜宇恒平公司生產的FA2004電子天平稱量出試樣磨損前后的質量。使用日本島津公司生產的S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析激光清洗前后以及摩擦磨損后7075鋁合金表面微觀形貌的變化。利用美國EDAX公司生產的能譜分析儀(EDS),以面掃描的方式分析表面的元素含量變化。選用荷蘭帕納科公司生產的臺式AERIS型X射線衍射儀對樣品進行物相分析,檢測時所選用的步長為0.02°,掃描角度范圍為20°～80°使用日本OLYMPUS公司生產的OLS5000激光共聚焦顯微鏡測量出清洗表面的粗糙度變化。

圖1 激光清洗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser cleaning principle

表1 激光清洗主要工藝參數

圖2 原始表面元素成分Fig.2 Composition of original surface elements

2 實驗結果與討論

2.1 激光清洗前后7075鋁合金表面形貌變化分析

圖3 不同掃描速度清洗后的試樣形貌Fig.3 Sample morphologies after cleaning at different scanning speeds

振鏡掃描速度v在激光清洗中是影響清洗效果的一個重要因素。從圖3中可以看到,激光清洗后7075鋁合金原始表面的灰黑色物質消失,清洗表面呈現出鋁合金的金屬本色,這證明激光清洗可以有效地去除鋁合金原始表面的氧化膜。但從宏觀形貌中無法細致地觀察到掃描速度的變化對清洗表面和清洗效果的影響,需結合試樣的微觀形貌進行分析。

從圖4所示激光清洗前后試樣表面的微觀形貌中可以觀察到用不同振鏡掃描速度清洗后,7075鋁合金表面微觀形貌出現了較明顯的變化。從圖4(a)中可以看出7075鋁合金原始表面存在條紋缺陷,這些條紋缺陷產生于鋁合金的制造過程中,且這些條紋缺陷中通常夾雜著水分和空氣[19-20]。但從圖4中觀察到,這些條紋缺陷會在激光清洗后變淡甚至消失。

圖4 激光清洗前后試樣微觀形貌Fig.4 Microstructures of sample before and after laser cleaning

當掃描速度為2 500 mm/s時,清洗后的鋁合金表面出現了激光光斑的燒蝕痕跡,能明顯看到光斑的掃描路徑。但隨著掃描速度增大到3 000 mm/s時,這些光斑的燒蝕痕跡消失,只能在清洗表面觀察到激光燒蝕形成的波紋以及凹坑。這是因為當掃描速度為2 500 mm/s和3 000 mm/s時,氧化膜吸收了大部分激光能量并被去除,剩下的小部分能量則直接被7075鋁合金基體吸收,而這部分吸收的能量使基體表面的溫度急速升高,并超過了基體的熔點,使得基體表面材料發(fā)生熔化(見圖5);同時在脈沖激光的作用下,熔池中的熔融基體氣化蒸發(fā),根據動量守恒定律,此時便產生了一個反向的沖壓力,這導致熔融的基體在脈沖激光以及反沖壓力的共同作用下向四周散開。但由于激光引起的溫升變化是瞬時的,因此,散開的熔融表面材料會立即冷卻并固化,從而形成了如圖4(b)和圖4(c)所示的燒蝕坑和波紋狀凸起。當掃描速度增加到3 500 mm/s以及更大時,燒蝕痕跡基本消失,7075鋁合金表面的條紋缺陷也可被觀察到。根據式(1)所示的光斑橫向搭接率公式可得,作用于每個光斑上的脈沖個數跟掃描速度大小呈反比,隨著掃描速度的減小,作用于激光光斑的脈沖個數越多。因此當掃描速度為2 500 mm/s時,單位時間內清洗表面所吸收的激光能量更多。此時根據式(2)所示的光斑縱向搭接率公式計算可得,激光光斑搭接率也相對于其他4個掃描速度更大,使得單位面積內光斑邊緣區(qū)域的熱累積效應更顯著(見圖6),清洗表面的熔融的現象也越嚴重。因此隨著掃描速度增加,作用于清洗表面的激光能量也減少,表面溫度也降低,從而表面燒蝕現象也逐漸消失。

(1)

(2)

式中:N為脈沖個數;θ為光斑搭接率;f為重復頻率。

圖5 清洗表面燒蝕現象Fig.5 Ablation of cleaned surface

圖6 不同掃描速度下光斑搭接處的溫度變化示意圖Fig.6 Schematic diagram of temperature change at spot overlap under different scanning speeds

2.2 激光清洗前后7075鋁合金表面成分變化分析

圖7(a)為采用EDS技術檢測得到的激光清洗前后7075鋁合金表面的氧含量。由圖7可以觀察到隨著掃描速度的增加,氧元素含量呈現先減小、后增加的趨勢:當掃描速度為3 500 mm/s時,氧含量達到最低,為1.45%。結合2.1節(jié)的分析可以得出,隨著掃描速度從4 500 mm/s降低到 3 500 mm/s,單位面積內氧化膜吸收的激光能量增多,有更多的氧化膜能達到氣化溫度而氣化,因此激光清洗7075鋁合金表面原始氧化膜的效果也逐漸提升;當掃描速度繼續(xù)減小到3 000 mm/s時,由于熱氧化現象,氧元素質量百分比反而增加;當掃描速度為2 500 mm/s時,熱氧化效應更加明顯,氧元素質量百分比從最低值1.45%再次增大至1.70%,表明掃描速度越小,熱氧化現象就越顯著。

圖7 清洗表面化學成分Fig.7 Chemical composition of cleaned surface

結合圖2(b)以及上述現象分析可以得出,當掃描速度為從4 500 mm/s降低到3 500 mm/s時,原始表面的MgO和Al2O3衍射峰基本消失。當掃描速度降低到2 500 mm/s和3 000 mm/s時,清洗表面又出現了Al2O3衍射峰,這是因為當掃描速度過小時鋁合金基體表面發(fā)生熔化,而熔融基體中的鋁和空氣中的氧原子接觸后發(fā)生反應,生成了新的主要由Al2O3組成的氧化膜,從而出現熱氧化現象,氧元素含量升高(見圖8)。但可以發(fā)現MgO衍射峰一直存在,由表2給出的7075鋁合金及其表面氧化物的熔點可知,MgO的熔點要比Al2O3高798 ℃[21],且采用的激光光束符合高斯模型,激光能量主要集中在激光光斑中心位置。因此導致在清洗過程中存在部分清洗區(qū)域溫度達到了Al2O3的熔點,但卻未達到MgO的熔點,這也解釋了清洗表面一直可以檢測到氧元素的存在的原因。根據氧化膜的熱氧化機理(見圖8)和式(3),氧化膜吸收能量后,溫升達到熔點溫度時,會發(fā)生熔化,氧化膜從晶體長成有序結構到液態(tài)無序結構轉變。

(3)

式中:σ為表面張力(N);T為熔池溫度(℃)。

圖8 熱氧化示意圖Fig.8 Schematic diagram of thermal oxidation

表2 7075鋁合金及其表面3種氧化物的熔點

熔化后的液態(tài)氧化膜形成熔池,由于熔池表面溫度梯度的存在,造成熔池內的對流和表面張力梯度,如圖9所示。圖9中,T0表示溫度降低的方向,TM為熔池邊緣溫度(℃)。雖然熔池中心的表面張力較小,熔流仍會外流造成熔池的變形,這也說明了試件表面的氧化膜已經從基材表面脫落。

圖9 液態(tài)氧化膜熔池流程圖Fig.9 Flow diagram of molten pool of liquid oxide film

2.3 激光清洗前后7075鋁合金表面粗糙度變化分析

如圖10(a)所示,采用線粗糙度對清洗表面的粗糙度進行測量,最終得出如圖10(b)所示的粗糙度變化[22]。從圖10(b)中可以看出:當掃描速度為 3 500 mm/s時,粗糙度最小,Ra為0.344 μm。隨著掃描速度的增大,清洗表面粗糙度呈現先減小、后增大的趨勢。結合2.1節(jié)不同掃描速度清洗后的微觀形貌可知:當掃描速度為2 500 mm/s時,由于出現了熔融現象,清洗表面出現了燒蝕坑,從而使得表面粗糙度增加[23];當掃描速度從2 500 mm/s增大到 3 500 mm/s時,清洗表面熔融現象減弱,波紋狀凸起以及凹坑逐漸消失,使得清洗表面變得較為平坦;當掃描速度繼續(xù)增大到4 000 mm/s時,原始表面存在的條紋缺陷并未被較多地去除,因此粗糙度有較小的增加;當掃描速度增大到4 500 mm/s時,清洗表面并未發(fā)生熔融,但粗糙度突然快速增大,除了條紋缺陷的原因外,掃描速度過大使得原始表面氧化膜被不均勻地去除也是引起粗糙度變大的原因;當掃描速度較大時,光斑搭接率較小,因此會存在更多的激光光斑邊緣區(qū)域的原始氧化膜無法被去除,從而形成了不平整的清洗表面(見圖11)。

圖10 掃描速度對清洗表面粗糙度的影響Fig.10 Effect of scanning speed on cleaned surface roughness

圖11 不同掃描速度下7075鋁合金表面原始氧化 膜粗糙度變化示意圖Fig.11 Schematic diagram of roughness change of original oxide film on 7075 aluminum alloy surface at different scanning speeds

2.4 激光清洗前后7075鋁合金摩擦特性變化分析

圖12為7075鋁合金原始表面不同載荷下的表面磨損微觀形貌。從圖12(a)中可以看出在 1 N 的摩擦載荷下,磨損表面存在細小的磨粒和沿著對偶件往復運動方向的剝離層,犁溝痕跡較少,此時磨損形式主要為剝層磨損。而從圖12(b)中可以看出在5 N的摩擦載荷下,磨損表面出現了少量的磨粒以及大塊的剝離層,并且產生了與對偶件運動方向平行的犁溝,證明在該載荷下材料為GCr15的對偶件對7075鋁合金產生了犁削作用。此時磨損形式為磨粒磨損和剝層磨損。在圖12(c)中觀察到10 N摩擦載荷下的磨損表面出現了大面積的犁溝,且可同時觀察到小面積的剝離層。此時的磨損形式也為磨粒磨損和剝層磨損。圖13為1 N、5 N和10 N摩擦載荷下7075鋁合金原始表面摩擦系數曲線,從中可以看出在5 N載荷條件下的表面摩擦系數出現較大的波動。原始表面粗糙度較大且存在雜質顆粒和條紋缺陷,使得在5 N的摩擦載荷下被摩擦表面容易產生更多的磨粒,磨粒進入摩擦區(qū)域后會起到減摩作用,降低了摩擦系數,但磨粒又很快會被對偶件擠至磨痕邊緣,使得摩擦系數再次增大,但新產生的磨粒又會進入到摩擦區(qū)域,如此往復,從而引起了摩擦系數的波動。這種不穩(wěn)定的波動過程會使得表面減摩性能變差。當摩擦載荷變?yōu)?0 N時,摩擦系數的波動相比5 N變得較為平穩(wěn),這是因為在該載荷下產生的磨粒會更容易被壓入磨痕中,從而提高了摩擦過程的穩(wěn)定性,減小了摩擦系數的波動。

圖12 7075鋁合金原始表面在不同載荷下的 干摩擦磨損形貌Fig.12 Dry friction and wear morphology of 7075 aluminum alloy under different loads

圖13 7075鋁合金原始表面在不同載荷下的摩擦系數Fig.13 Friction coefficients of 7075 aluminum alloy under different loads

圖14為干摩擦條件下不同振鏡掃描速度清洗后7075鋁合金表面磨損形貌,摩擦載荷為1 N。可以觀察到,當掃描速度為2 500 mm/s時,磨損表面出現了大面積的剝離層,這些剝離層沿著摩擦方向覆蓋在磨痕上,同時磨痕表面也出現了明顯的犁溝痕跡,發(fā)生磨粒磨損。但掃描速度為3 000 mm/s清洗后的表面其磨痕中并未觀察到明顯的犁溝痕跡,但依舊存在大量的剝離層。隨著掃描速度增大到 3 500 mm/s 和4 000 mm/s,犁溝痕跡又開始變得明顯,剝離層面積卻有所減小。掃描速度為4 500 mm/s時,犁溝痕跡并未減輕,且剝離層面積又開始增大。因此在1 N的摩擦載荷下,用不同掃描速度清洗后的表面其在摩擦過程中主要發(fā)生磨粒磨損和剝層磨損,但當掃描速度為3 000 mm/s時,該清洗表面在摩擦時發(fā)生的犁削作用明顯減弱。圖15為摩擦載荷為5 N時清洗表面的磨損形貌,在該摩擦載荷下,不同掃描速度清洗后的表面在摩擦過程中均出現了磨粒磨損以及剝層磨損,同時磨痕中也均出現了較多的犁溝。如圖16所示,在10 N的摩擦載荷下,2 500 mm/s、4 000 mm/s和4 500 mm/s掃描速度清洗后的表面均出現了剝離層,且2 500 mm/s掃描速度清洗后的表面在該載荷下的摩擦過程中會出現輕微的疲勞剝落。

圖14 干摩擦條件下不同掃描速度清洗后的磨損形貌(載荷1 N)Fig.14 Wear morphology after cleaning at different scanning speeds under dry friction conditions (Load 1 N)

圖15 干摩擦條件下不同掃描速度清洗后的磨損形貌(載荷5 N)Fig.15 Wear morphology after cleaning at different scanning speeds under dry friction conditions (Load 5 N)

圖16 干摩擦條件下不同掃描速度清洗后的磨損形貌(載荷10 N)Fig.16 Wear morphology after cleaning at different scanning speeds under dry friction conditions (Load 10 N)

表3為不同振鏡掃描速度清洗后的表面在不同摩擦載荷下的磨損量變化。從表3中可發(fā)現不同掃描速度下的清洗表面磨損量變化整體呈現隨著掃描速度增大先減小、后增大的趨勢:在1 N和5 N的摩擦載荷下,3 000 mm/s和3 500 mm/s掃描速度下的清洗表面的磨損量相同且達到最低,分別為0.2 mg和2.5 mg;在10 N的載荷下,3 000 mm/s掃描速度下清洗表面的磨損量最低,為7.5 mg,表明了平滑的熔融層對清洗表面的耐磨性有輕微的提高作用。

圖17為不同振鏡掃描速度清洗后表面摩擦系數變化曲線,為更準確地研究清洗表面質量對表面減摩性和耐磨性的影響,取工作時間前10 s的摩擦系數平均值并結合磨損量來進行詳細分析,其中圖17(a)為不同清洗表面前10 s摩擦系數的平均值。從前10 s摩擦系數平均值變化趨勢圖可發(fā)現,清洗表面摩擦系數隨著掃描速度增大呈現先減小后增大的趨勢,但1 N摩擦載荷的變化趨勢轉折點卻與5 N和10 N的不同。當摩擦載荷為1 N時,用3 000 mm/s的掃描速度清洗后的表面粗糙度并非最小,其摩擦系數反而是最小的,為0.557 3;在該掃描速度下,清洗表面發(fā)生了熔融現象,且清洗表面粗糙度也相比原始表面要小很多,結合磨損量的分析可以證明在粗糙度較小的前提下激光清洗后產生的熔融層可以提高清洗表面減摩耐磨性,這與Liu等[24]的研究結論相符。雖然2 500 mm/s的清洗表面也發(fā)生了熔融現象,但隨之迅速增大的表面粗糙度加上光斑凹坑使得清洗表面減摩性和耐磨性又再次降低。當掃描速度為4 000 mm/s和4 500 mm/s時,條紋缺陷以及清洗后表面氧化膜不均勻分布引起粗糙度增大,從而導致清洗表面減摩耐磨性能降低。當摩擦載荷為5 N和10 N時,前10 s平均摩擦系數變化趨勢相同,證明在這兩種載荷下,熔融層對表面減摩性影響不大,這也是與摩擦載荷為1 N時清洗表面摩擦系數變化趨勢轉折點不同的原因,因此可以推斷出在干摩擦時,5 N和10 N的摩擦載荷條件下,表面粗糙度是引起清洗表面減摩性變化的主要影響因素。

表3 不同振鏡掃描速度清洗前后7075鋁合金的 磨損量Table 3 Wear amounts of 7075 aluminum alloy before and after cleaning at different galvanometer scanning speeds mg

圖17 干摩擦條件下不同掃描速度清洗后的表面摩擦系數變化Fig.17 Variation curves of surface friction coefficient after cleaning at different scanning speeds under dry friction condition

從整個的摩擦過程中來看,清洗表面的平均摩擦系數隨著掃描速度的增大呈現先減小、后增大的趨勢。分析圖17可知,當摩擦載荷為1 N時,前10 s內3 000 mm/s掃描速度表面減摩性最好,但在完整的5 min的摩擦過程中,3 500 mm/s掃描速度的表面平均摩擦系數卻要低于3 000 mm/s掃描速度的平均摩擦系數,結合對圖13的分析可認為這是在1 N的摩擦載荷下長時間的摩擦過程中熔融層容易加重剝層磨損引起的。

3 結論

本文采用激光清洗技術對7075鋁合金表面原始氧化膜進行去除,研究了激光清洗中振鏡掃描速度對清洗表面形貌、氧含量、物相組成、粗糙度和摩擦特性的影響。得到以下主要結論:

1) 當掃描速度為3 500 mm/s時,清洗表面未發(fā)生熔融和熱氧化,且氧含量達到最低值為1.45%,清洗表面粗糙度Ra相比原始表面減少了0.12 μm。熱氧化產生的新的氧化膜主要由Al2O3組成;當振鏡掃描速度為2 500 mm/s時,清洗表面發(fā)生嚴重的燒蝕,并出現了明顯的光斑凹坑,增大了粗糙度。

2) 不同振鏡掃描速度清洗后,清洗表面磨損機制主要以磨粒磨損和剝層磨損為主。當摩擦載荷為10 N時,磨粒磨損更為明顯,且嚴重燒蝕的清洗表面在摩擦過程中會出現疲勞剝落。

3) 當掃描速度為3 500 mm/s時,在1 N、5 N和10 N的摩擦載荷下清洗表面的磨損量相比原始表面減小了0.4 mg、0.9 mg和0.7 mg。