激光清洗主要是利用激光与物质之间的作用去除材料表面氧化层,主要机制有三种:力作用、热吸收、力作用与热吸收两者共同作用[1]。作为一种新型的清洗方法,激光清洗被认为是21世纪最有潜力替代传统清洗方式(如打磨法和化学法)的方法。与传统清洗方法相比,激光清洗具有高效、无污染、几乎无损伤等优点,针对复杂表面可达性好,适用性更广。基于此,激光清洗被广泛运用于文物清洗[2-3]、模具清洗[4-5]、激光除漆[6-8]、焊前清洗[9-12]等领域。
在焊接过程中,待焊材料表面状态对于焊接质量有着决定性作用。目前工业中对待焊材料表面处理的方法主要是机械打磨法,然而这种方法处理的材料在焊接过程中存在可达性等问题。Li Ruoyang等人[12]在不锈钢的超窄间隙多层多道焊实验中,将激光清洗运用在焊前处理、层间清理中,发现激光清洗能明显提升厚板焊接的质量,但是F.D.Zhang等人[13]披露了较大的激光清洗能量密度将使铝合金表面产生新的氧化膜,则激光清洗铝合金后对其焊接质量的影响难以确认。文献[11,13-14]都发现激光清洗时材料表面形貌有较大的改变,但尚未有研究证明这是否会对焊接质量产生影响。
应用投入导向规模效率可变BCC模型,运用DEAP2.1软件,对2009年和2016年我国各区域高技术产业技术创新效率进行测算,结果见表2。
本文利用扫描电子显微镜观察材料表面形貌,并与机械打磨法处理和原始表面进行了对比,研究激光清洗对激光-MIG复合焊的影响。
采用12 mm厚的热轧A7N01-T4铝合金,其化学成分如表1所示。
表1 A7N01-T4铝合金化学成分%
w(Si)0.30 w(Mg)1.0~2.0 w(Cr)0.30 w(Fe)0.35 w(Cu)0.20 w(Mn)0.2~0.7 w(Zn)4.0~5.0 w(Ti)0.20 w(Al)余量
激光清洗试验采用波长为1 024 nm的激光设备,脉宽150 ps,重复频率600 kHz,激光功率15W,离焦量0mm,激光光斑直径约为70μm,其扫描间距d=0.03 mm,扫描速度v=50~4 000 mm/s,清洗参数如表2所示,其中C1~C6为6个不同清洗参数试样。除此之外,命名机械打磨试样编号为R1,不清洗试验编号为R2。激光清洗设备及激光光斑扫描示意如图1所示。
目前国内农业仅有零星需求,市场整体冷清;工业方面,复合肥企业开工率仍处于低位,原料采购和贸易商备肥需求难以长期持续,但市场价格上行还将继续刺激短期需求。国际方面,国际价格逐渐接近国内,出口企业机会增多。供给方面,尿素开工率缓慢上行。预计下周尿素价格或将延续上涨态势,需要关注复合肥原料采购情况。
采用如图2a所示的KEMPPIKempArc-450脉冲MIG焊机,通过控制送丝速度控制焊接的电流和电压;激光器为图2b所示IPG公司生产的YLS-4000光纤激光器,其光纤芯径为200μm,输出的连续波激光波长为1.06 μm,聚焦透镜的焦距为310 mm,额定功率4 kW;试验所用机器人为ABB IRB2600型机器人,机器人臂长1.65 m,最高负荷可达20 kg,可实现6轴协调运动,可根据实际焊接需要,通过视教器编写程序控制机器人进行焊接;图2c为试验环境所用的制冷机;集成后的激光-MIG复合焊系统如图2d所示。
表2 激光清洗工艺参数
试样编号离焦量/mm C1 C2 C3 C4 C5 C6扫描速度v/mm·s-1 50 100 1 000 2 000 3 000 4 000激光功率P/W 15 15 15 15 15 15脉冲频率f/kHz 600 600 600 600 600 600激光扫描线间距d/mm 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 000000脉冲宽度/ps 150 150 150 150 150 150
图1 激光清洗设备及清洗光斑扫描示意
铝合金材料表面在进行不同激光清洗参数处理后,采用激光-MIG复合焊进行表面堆焊,激光-MIG复合焊参数如表3所示。
Case 1.The two sources exhibit both uniform distribution.
采用扫描电子显微镜观察试样清洗前后表面形貌,利用光学显微镜观察清洗前后得到的焊缝截面形貌。除此之外,为更好地表征材料表面形貌,对表面润湿角和粗糙度也进行了测试。
图2 焊接设备
表3 激光-MIG复合表面堆焊工艺参数
焊丝直径/mm 1.6激光功率P/W 3.5送丝速度v/m·min-1 9焊接速度v/mm·s-1 20电压U/V 25.1电流I/A 268
7N01铝合金清洗表面形貌如图3所示。图3a为原始表面,其表面不均匀散布着微米级微孔,且还存在着各种各样的污染物,最明显的是表面直径约为5 μm的污染物颗粒;图3b为打磨后的表面形貌,其表面沿打磨方向呈现片状。图3c~3h是扫描速度为50 mm/s、100 mm/s、1 000 mm/s、2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s的表面形貌,其表面都有融化的现象。图3c表面呈现珊瑚状,枝上聚集着大团微米级絮状物;3d图呈现沟状,并附着少量纳米级絮状物;图3e~3h表面呈现出密集的规律性起伏,并伴有微米级微孔,材料表面的微纳米起伏随着扫描速度的增大而减弱。
图3 7N01铝合金清洗前后表面形貌
图4分别是编号为R1、R2、C1~C6表面润湿角的图片。原始铝合金表面润湿角为57.7°,机械打磨后表面润湿角增大到90.2°,润湿角增大了56.3%。如图4c所示,当激光扫描速度为50 mm/s时,铝合金表面润湿角为11°,润湿角相比原始表面润湿角降低了80.9%,润湿性好,其表面在喷涂等方面应能得到较好的应用;当激光扫描速度增大为100 mm/s时,铝合金表面润湿角为73.1°,润湿角增大了26.7%,随着扫描速度增大到1 000 mm/s,其表面润湿角增大到最大值92.6°,提高了60.5%,润湿性差,此种表面有较好的疏水性。当激光光斑扫描速度增大到2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s时,其表面润湿角大约为80°,提高了38.6%,都有一定的疏水性,在防腐等方面有一定的效果。
(5)成孔后清底夯实、夯平,夯实次数3~5击,成孔后进行孔重心位移、垂直度、孔径、孔深检查。检查合格后进行吓到工序,若成孔后不能及时施工,必须对齐进行覆盖保护。
为了研究材料表面粗糙度与激光吸收率之间的关系,测试了清洗前后试样表面粗糙度的变化。在进行粗糙度测试过程中,按照图5所示对试样表面x、y方向进行测试。其中,激光清洗试样C1~C6扫描速度方向为x向,清洗方向为y向,见图5a;原始试验轧制方向为x向,另外为y向,见图5b;机械打磨试样按照打磨方向为x向,角磨机打磨半径方向为y向,见图5c。
图4 清洗前后表面润湿角
图5 x、y方向粗糙度示意
不同激光光斑扫描速度清洗铝合金表面后x、y方向的粗糙度如图6所示,除此之外,还展示了原始表面和打磨后表面x、y方向粗糙度作为对比。通过图6可知,x向粗糙度总是低于y向。在扫描速度为 50 mm/s、100 mm/s时,x、y 方向粗糙度相差很小,表明扫描速度慢时,材料表面方向性趋势小;随着扫描速度增大到2 000 mm/s,方向性逐渐明显,粗糙度降低;随着扫描速度增大到4 000 mm/s,y方向粗糙度与x方向的差别逐渐稳定为1.2 μm,且x、y方向粗糙度逐渐趋于平缓。
为了研究材料表面状态对焊接的影响,利用激光-MIG焊对铝合金平板进行堆焊。铝合金清洗前后不同表面状态焊缝截面形貌如图7所示。其中,图7a、7b分别为原始表面和打磨后的焊缝截面。图7c~7d为激光表面清洗后焊接的焊缝截面,其扫描速度为 50 mm/s,100 mm/s,1 000 mm/s,2 000 mm/s,3 000 mm/s,4 000 mm/s。另外,图7中还给出了焊缝熔深。
图6 不同光斑扫描速度清洗后表面粗糙度
观察焊缝截面发现,焊前未去除氧化膜的试样有明显的焊接气孔缺陷,经机械打磨后得到的焊接截面如图7b所示,焊缝无明显气孔夹渣等缺陷。观察几种激光清洗氧化膜后得到的焊缝截面,发现焊缝无明显气孔等缺陷。由此,激光清洗能够有效防止焊缝气孔等缺陷的产生,并不会对焊缝有不良影响。
图7 焊缝截面形貌
不同扫描速度激光光斑清洗后焊缝熔深曲线如图8所示。由图8可知,熔深呈先降低后升高至逐渐平缓的趋势。当光斑扫描速度为50 mm/s时,熔深最大,为3.374 mm,分析其原因,可能是其表面的大团微米级絮状物(见图3c),且铝合金表面的粗糙度增大,提高了材料表面对激光的吸收率;相反,当扫描速度为100 mm/s时,材料表面仅有少量纳米级絮状物(见图3d),铝合金表面粗糙度减小,熔深下降到最小值3.024 mm;随着光斑扫描速度的继续增大,熔深稳定在3.2 mm左右,这可能是因为材料表面形貌比较相似,均有规律的微米级起伏。作为对比,发现原始表面焊后熔深是所有试样中最低的,为2.594 mm,这可能是因为表面有致密氧化膜的存在;而机械打磨后焊缝熔深仅高于原始表面,为2.895 mm,这可能是因为其表面比较光滑的片状结构(见图3b)对于激光的吸收率不高。
本文研究了激光清洗对铝合金激光-MIG复合焊的影响,并与原始表面和机械打磨进行了对比。通过SEM发现,材料表面在激光清洗后生成了微纳米结构,这种结构对材料表面润湿度、粗糙度、光吸收率等方面都有一定的影响,主要有如下几个发现:
(1)在激光光斑扫描速度为50 mm/s时,材料表面润湿角为11°,表现出润湿性;当光斑扫描速度为100~4 000 mm/s时,材料表面润湿角均大于70°,表现为较好的疏水性,其中当扫描速度为1000mm/s时,表面润湿角最大,为92.6°。总的来说,与原始材料表面相比,不同激光清洗参数对材料表面清洗后可以得到不同的亲疏水性。
图8 激光清洗前后焊缝熔深
(2)相比原始表面和机械打磨,激光光斑扫描速度低于100 mm/s时,x、y方向粗糙度变大,但材料表面方向性趋势小;随着扫描速度逐渐增大,粗糙度降低且逐渐稳定,但方向性逐渐明显,且y方向粗糙度与x方向的差别逐渐稳定为1.2 μm。
(3)相比原始表面和采用机械打磨处理表面,激光清洗材料表面后得到的焊缝熔深和焊缝质量均有明显提高。其中,光斑扫描速度为50 mm/s时,熔深最大,为3.374 mm;随着光斑扫描速度继续增大,熔深稳定在3.2 mm左右,相比原始表面提高了23.4%,相比打磨提高了10.1%。
完成兵员征集,是武装工作的最重要任务,也是地方政府贯彻兵役法的直接实践。当好同级政府的兵役部,坚持政府主导、部门配合,以认真负责的工作态度、科学管用的创新举措破解征兵实践中遇到的矛盾问题,协调宣传、卫生、公安、教育、民政、财政等业务部门,变一季征兵为四季准备,合力完成兵员征集任务。把好兵员征集的思想关、体检关、政审关、文化关,完善大学生集中征集办法,逐年提高大学生兵员和专业技术兵员的比例。通过暖兵心、聚民力、惠民生的活动,推动优抚政策落实到位,不断为部队输送高质量兵员。
参考文献:
[1]Kearns A,Fischer C,Watkins K G,et al.Laser removal of oxides from a copper substrate using Q-switched Nd:YAG radiation at 1 064 nm,532 nm and 266 nm[J].Applied Surface Science,1998(127-129):773-780.
[2]Palomar T,Oujja M,Llorente I,et al.Evaluation of laser cleaning for the restoration of tarnished silver artifacts[J].Applied Surface Science,2016(387):118-127.
[3]Lee H,Cho N,Lee J.Study on surface properties of giltbronze artifacts,after Nd:YAG laser cleaning[J].Applied Surface Science,2013(284):235-241.
[4]周桂莲,孙海迎,汪传生.橡胶模具激光清洗的工艺研究[J].特种橡胶制品,2008,29(6):34-36.
[5]王泽敏,曾晓雁,黄维玲.激光清洗轮胎模具表面橡胶层的机理与工艺研究[J].中国激光,2000,27(11):1050-1054.
[6]Chen G X,Kwee T J,Tan K P,et al.Laser cleaning of steel for paint removal[J].Applied Physics A:Materials Science&Processing,2010,101(2):249-253.
[7]Madhukar Y K,Mullick S,Shukla D K,et al.Effect of laser operating mode in paint removal with a fiber laser[J].Applied Surface Science,2013(264):892-901.
[8]施曙东,杜鹏,李伟,等.1 064 nm准连续激光除漆研究[J].中国激光,2012,39(9):58-64.
[9]Qiang W,Yingchun G,Baoqiang C,et al.Laser cleaning of commercial Al alloy surface for tungsten inert gas welding[J].Journal of Laser Applications,2016,28(2):022507.
[10]Kumar A,Sapp M,Vincelli J,et al.A study on laser cleaning and pulsed gas tungsten arc welding of Ti-3Al-2.5V alloy tubes[J].Journal of Materials Processing Technology,2010,210(1):64-71.
[11]Alshaer A W,Li L,Mistry A.The effects of short pulse laser surface cleaning on porosity formation and reduction in laser welding of aluminium alloy for automotive component manufacture[J].Optics&Laser Technology,2014(64):162-171.
[12]Li R,Yue J,Shao X,et al.A study of thick plate ultranarrow-gap multi-pass multi-layer laser welding technology combined with laser cleaning[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,81(1-4):113-127.
[13]Zhang F D,Liu H,Suebka C,et al.Corrosion behaviour of laser-cleaned AA7024 aluminium alloy[J].Applied Surface Science,2018(435):452-461.
[14]Garbacz H,Fortuna E,Marczak J,et al.Laser cleaning of copper roofing sheets subjected to long-lasting environmental corrosion[J].Applied Physics A:Materials Science&Processing,2010,100(3):693-701.
联系客服