6061铝合金焊后氧化物的激光清洗机理和工艺研究.pdf
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1、第 55 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.55 No.5Oct.2023南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics6061铝合金焊后氧化物的激光清洗机理和工艺研究李祥,王明娣,郭敏超,汤子麟,陆文渊,王昊(苏州大学机电工程学院,苏州 215021)摘要:采用纳秒脉冲激光器对 6061铝合金焊后氧化物进行激光清洗实验。首先分析焊斑清洗前和清洗后的表面形貌和元素组成,探明焊后氧化物组成成分。其次再利用前期实验所获得不同工艺参数对清洗质量的影响规律,设计正交实验,划定各因素区间范围
2、,分析参数对清洗质量的影响权重。利用正交实验法分析得到:影响表面轮廓线峰谷值的参数主次顺序为激光功率脉冲频率扫描速度脉冲宽度;影响氧元素质量百分比的参数主次顺序为脉冲宽度扫描速度激光功率脉冲频率。通过综合平衡法最终获得优化工艺参数组:扫描速度、激光功率、脉冲频率、脉冲宽度分别为 2 950 mm/s、141 W、29 kHz、330 ns。优化后可确保铝合金焊后氧化物清洗彻底、无基材损伤、清洗效率高。关键词:激光清洗;激光技术;铝合金;焊后氧化物;工艺参数中图分类号:TN249 文献标志码:A 文章编号:10052615(2023)05093308Research on Laser Clean
3、ing Mechanism and Process of Oxides After Welding of 6061 Aluminum AlloyLI Xiang,WANG Mingdi,GUO Minchao,TANG Zilin,LU Wenyuan,WANG Hao(School of Mechanical and Electrical Engineering,Soochow University,Suzhou 215021,China)Abstract:A nanosecond pulse laser is used to conduct laser cleaning experimen
4、ts on the oxide after welding of 6061 aluminum alloy.Firstly,This paper analyzes the surface morphology and elemental composition of the solder joint before and after cleaning,and determines the composition of the oxide after welding.Secondly,based on the influence of different process parameters on
5、 cleaning quality obtained from previous experiments,orthogonal experiments are designed to delineate the range of each factor interval and analyze the weight of the influence of parameters on cleaning quality.By using the orthogonal experimental method,it is found that the order of parameters affec
6、ting the peak valley values of surface contour lines is:Laser powerpulse frequencyscanning speedpulse width.The order of parameters that affect the weight percentage of o element is:Pulse widthscanning speedlaser powerpulse frequency.The optimal process parameter group is obtained through the compre
7、hensive balance method:Scanning speed,laser power,pulse frequency,and pulse width are 2 950 mm/s,141 W,29 kHz,and 330 ns,respectively.The optimal parameters can ensure thorough oxide cleaning,no substrate damage,and high cleaning efficiency of aluminum alloy after welding.Key words:laser cleaning;la
8、ser technology;aluminium alloy;post weld oxide;process parametersDOI:10.16356/j.10052615.2023.05.020基金项目:江苏省科技计划专项资金(BE2022066-3);苏州市重点产业技术创新-关键核心技术研发项目(SGC2021010)。收稿日期:20230404;修订日期:20230515通信作者:王明娣,女,博士,教授,博士生导师,Email:。引用格式:李祥,王明娣,郭敏超,等.6061铝合金焊后氧化物的激光清洗机理和工艺研究 J.南京航空航天大学学报,2023,55(5):933940.LI X
9、iang,WANG Mingdi,GUO Minchao,et al.Research on laser cleaning mechanism and process of oxides after welding of 6061 aluminum alloy J.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2023,55(5):933940.第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报6 系铝合金由于具有焊接性能良好、强度高、耐腐蚀程度高的优势,在新能源汽车电池托盘制造过程中,被选为最主要采纳的原材料12。通常采用
10、氩弧焊焊接机加工后的多个铝性材零部件,形成新能源汽车电池托盘整体。由于铝元素比较活泼,其表面易生成一层氧化膜,在焊接完成后会留下黑灰色的焊斑3,如不清理焊斑内的黑灰和焊渣,后续的点胶工艺将无法有效完成,造成产品的密封性下降,同时还容易引起电池包自燃,带来行车安全隐患。因此焊斑清洗工艺必不可少,且其工作效果和效率非常重要。目前采用的焊斑清洗手段主要有人工机械打磨4、喷砂或喷丸5、酒精擦拭6、超声波清洗7和高压水射流8等,这些清洗手段普遍存在效率低、成本高、操作复杂、污染严重和基材损伤大等问题。较传统清洗手段,激光清洗技术的绿色、可控性好、可在线清洗、稳定性高等优点为焊斑清洗提供了一个新的选择91
11、1。在激光清洗研究方面,目前国内外学者主要通过改变激光的种类和激光工艺参数,结合基材和污染物的物化特性,寻求合适的清洗参数对污染区进行去除,并与实际生产相结合。英国 Alshaer等12采用短脉冲激光清洗铝合金的焊接区域,研究表明激光清洗基于热消融的机制,有效去除了有助于形成孔隙的污染物和氧化层,显著降低了焊缝熔合区的孔隙率。法国 Grojo 等13采用紫外纳秒脉冲激光辐射不同种类的透明吸收粒子,通过原位诊断研究可能涉及“激光颗粒表面”相互作用的各种烧蚀机制。金文涛等14 观察铝合金型材焊前激光清洗和焊后激光清洗效果,研究表明激光清洗对母材和焊缝表面未产生影响、性能指标满足要求,且其可以显著提
12、高铝合金车体自动焊接设备的生产效率。李宇强等15采用脉冲激光清洗 6061铝合金表面自然氧化层,研究表明铝合金表面经清洗后表面轮廓、粗糙度发生明显变化,影响到后续加工工艺(如焊接、涂装等);王蔚16等采用脉冲光纤激光器清洗 7075 铝合金阳极氧化膜,分析得出优化后的清洗工艺参数并探究该过程的清洗机制;童懿等17采用纳秒脉冲激光器清洗 150 m 厚环氧基底漆涂层,探究该过程的清洗机制和脉冲频率对烧蚀量和剥离热应力的影响。综上所述,激光清洗的工艺参数会影响到清洗的效果、基材的表面特性和激光清洗机制,但是,目前激光清洗 6 系铝合金焊斑的机理和工艺研究相对较少。此外,脉冲激光清洗较其他类型激光用
13、于铝合金清洗更有优势,有着更高的光束质量和光光转换效率。基于以上背景,本文通过分析新能源汽车电池托盘基材和焊后焊斑的物化参数,选择脉冲激光器对焊斑进行清洗实验,以表面轮廓线峰谷值和氧元素质量百分比为评价指标,进行焊斑激光清洗工艺参数组的优化研究。1 实验方案1.1实验材料实验采用被广泛应用于新能源电池托盘制作的 6061T651铝合金型材,其所含元素组成见表 1。由表 1 可知,铝合金的主要元素为 Mg 和 Si。氩弧焊焊接铝合金后形成的焊后氧化物的元素成分预估 为 CMgAl 化 合 物,具 体 的 物 化 参 数 见 后 文分析。1.2实验方案本 试 验 选 用 的 是JPT公 司YDFL
14、P200MM10100A 型 激 光 器,中 心 波 长 为1 064 nm,平均输出功率为 200 W,最大脉冲能量10 mJ,脉冲频率范围为 162 000 kHz,脉冲宽度为 80500 ns。设置弓字形填充方式,光头与工件保持在 210 mm(焦距)。首先分析焊斑清洗前和清洗后的表面形貌和元素组成,探明焊后氧化物组成成分。其次设计正交实验,以氧元素和表面轮廓峰值作为清洗质量的主要判别标准,结合前期激光工艺参数研究焊斑清洗影响规律,划定适合的激光参数区间范围,对各影响因子进行极差分析,得出优化的激光清洗参数组;最后实验验证电池托盘常见焊接位置的清洗效果。1.3测试分析方案本试验选用 X
15、射线 EDS 元素分析仪,分析样品清洗前后元素质量分数的变化;选用日本基恩士VHX7000型超景深三维显微镜和杭州雷迈 NanoSystem NV1800 3D 轮廓仪,观察焊斑的金相组织和表面轮廓;选用上海衡鹏 MOTIC SMZ16 系列低倍率显微镜,观察清洗后表面形貌变化。2 激光清洗实验分析2.1焊后金属铝表面物化参数分析通过 X 射线 EDS 元素分析仪、SEM 扫描电子显微镜、金相显微镜和 3D 轮廓测量仪等专业分析仪器,分析焊斑样品的元素组成、宏观形貌和微观形貌。实验材料为新能源电池托盘铝合金局部焊斑处,如图 1所示。表 1 6061T651铝合金型材元素质量分数Table 1
16、6061T651 Mass fraction of elements in aluminum alloy profilesSi0.70Fe0.25Cu0.22Mn0.05Mg1.06Cr0.08Ti0.03AlBal.934第 5 期李祥,等:6061铝合金焊后氧化物的激光清洗机理和工艺研究2.1.1EDS元素检测利用 EDS 能谱仪分析样品的元素组成,所含元素组成如图 2、表 2所示。由表 2可知,焊斑的主要成分是氧化铝和氧化镁混合物。2.1.2扫描电镜分析托盘零件焊接前工人并不会对表面的氧化物、油污等杂质进行去除,在进行焊接时,其表面的油污、水分会导致激光能量吸收不稳定,焊疤表面会产生气孔
17、。宏观层面表现为焊斑表面不平整,焊斑附近存在黑灰,影响产品美观和点胶作业。从图 3来看,焊接部位出现塌陷、飞溅和咬边,影响焊接质量,降低产品的密封性。图 3利用 SEM 观察表面微观形貌。结果显示焊斑组织整体较为致密,但焊斑颗粒的大小形状不一,呈现随机分布,且存在颗粒堆叠现象。图 3(a)可以清楚看到焊斑颗粒大小和形状不一;而图 3(b)经过更大倍数的放大,可以看出颗粒分布不均,且具有颗粒堆叠现象。2.1.33D轮廓测量利用三维显微镜、3D 轮廓仪分析焊斑的表面精确形貌,检测结果见图 4。采取 3 点式检测法,即在靶心点、中间点和边缘点处测量焊斑的形态和厚度,清楚看到焊斑的厚度随距离焊斑中心位
18、置向四周递减,其表面也逐渐平整。在靶心点处,最厚焊斑达 84.8 m;在中心点位处,最厚图 4 不同部位的焊斑三维形貌Fig.4 Three-dimensional morphology of weld spots at different parts图 2 焊斑主要元素质量分数Fig.2 Mass fraction of main elements in welding spot表 2 焊斑 EDS元素质量分数检测结果Table 2 EDS element mass fraction test results for weld spotsAl54.2O38.7Mg6.4Si0.3Ca0.2E
19、lse0.2图 3 焊斑颗粒的微观形貌Fig.3 Micromorphology of weld spot particles图 1 铝合金局部焊斑Fig.1 Local weld spot of aluminum alloy935第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报焊 斑 为 78.1 m;在 距 离 焊 疤 最 远 位 置,最 厚 焊斑达 69.6 m。2.2激光清洗焊斑的正交试验优化2.2.1正交实验设计及结果结合前期单因素实验激光工艺参数对焊斑清洗影响规律研究,考虑到各个因素之间的相互影响关系,具有一定的局限性。因此对激光扫描速度(A)、功率(B)、频率(C)、脉冲宽度(
20、D)4 个影响参数划定实验区域,并进行正交实验,在 4 个影响因子下根据清洗后的表面轮廓线峰谷值、氧元素质量百分比来寻求最佳的清洗参数,正交实验参数见表 3。本实验为确定 4个参数的影响权重,设计了 16组实验,并以清洗后材料表面的轮廓线峰谷值和清洗区域氧元素占比作为清洗效果,实验安排表及其结果分别如表 4和图 5所示。2.2.2正交试验优化焊斑的激光清洗参数实 验 采 取 极 差 分 析 法,通 过R=max K1,K2,K3,K4-min K1,K2,K3,K4求出各影响因子的水平极差,若差值越大则表明此因素对实验结果影响越大,反之则越小。各因素实验的极差结果如表 5所示。表 3 正交实验
21、水平及参数Table 3 Level and parameters of orthogonal experiment因素水平1234扫描速度/(mms-1)2 5002 6502 8002 950功率/W141144147150脉冲频率/kHz20232629脉冲宽度/ns330345360375表 4 正交试验安排及结果Table 4 Arrangement and results of orthogonal test因素实验 1实验 2实验 3实验 4实验 5实验 6实验 7实验 8实验 9实验 10实验 11实验 12实验 13实验 14实验 15实验 16A2 5002 5002 50
22、02 5002 6502 6502 6502 6502 8002 8002 8002 8002 9502 9502 9502 950B141144147150141144147150141144147150141144147150C20232629232029262620292329262320D330345360375360375330345375360345330345330375360表面轮廓线峰谷值5.87.74.95.110.32.05.94.312.23.71.04.59.17.14.35.5氧元素质量百分比/%13.57.110.76.617.24.313.84.43.53.01
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