激光清洗对铝合金的影响研究.pdf

CleaningWorld2023年6 月试验研究第39 卷第6 期洗世界清文章编号：16 7 1-8 9 0 9（2 0 2 3）6-0 0 51-0 0 4激光清洗对铝合金的影响研究韩红敏1，赵喆，梁瑜1，吴海宾1，冯威1（1.西安航天复合材料研究所；2.火箭军驻西安地区第一军代室，陕西西安710025)摘要：采用脉冲光纤激光器对铝合金表面进行了处理，对铝合金的粗糙度、拉伸性能、微观结构、表面硬度进行了分析。结果表明，采用激光清洗后的铝合金工件，表面洁净，有效提高表面积；拉伸性能、微观组织无变化；表面硬度提高，利于粘接。关键词：激光表面处理；粗糙度；微观结构；拉伸强度；表面硬度中图分类号：TG665文献标识码：A0引言铝合金由于具有密度小，热膨胀系数低，比刚度和比强度高等优点，在发动机惯性器件、导弹壳体、导弹镶嵌结构等方面取得成功应用。而且随着粘接技术的不断发展，铝合金已能通过粘接方法获得承受较大静、动载荷的铝及铝合金与金属、复合材料以及橡胶等材料的粘接界面，这进一步扩大了铝及铝合金的应用范围。而要使铝合金获得较高的粘接性能，必须对其进行表面处理，除去其表层不稳定的氧化铝薄膜，获得适合胶接的表面层。为获得较高的胶接性能，一般采用化学浸蚀和机械喷砂的方法，但这些处理均会造成一定程度的污染，而铝合金激光清洗作为一种新型环保的表面处理技术，其通过调整清洗参数，可使大幅改善铝合金表面状态，提高其界面胶接强度，目前已在航空航天领域得到扩大应用。但铝合金经激光清洗后，其物理性能、表面状态以及力学性能变化等方面的研究鲜有报道。本文采用激光干式清洗法对LY12硬铝进行了激光清洗，并讨论了接触角、粗糙度及表面硬度的变化情况；对2 2 19 铝合金的表面进行了激光清洗，并对拉伸性能、微观组织进行了研究。1实实验部分1.1原材料70mmX20mmLY12铝试片、M12X66圆形2219铝拉伸试件、JX-9胶等。1.2表面处理方式采用西安航天复合材料研究所研制的激光表面处理设备，以脉冲光纤激光器作为光源，对试件表面直接进行激光清洗。1.3测试标准及设备拉伸强度采用GB/T228一2 0 0 2 标准。测试设备为30 t电子拉伸试验机。金相组织采用GJB2057一9 4标准。测试设备为蔡司Axioskop40Pol显微镜。维氏硬度采用GB/T4340.1一2 0 0 9 标准。测试设备为HV-5小负荷维氏硬度计。2结果与讨论2.1激光清洗对铝材表面特性的影响采用2 0 0 W激光器表面处理设备，对2 2 19 铝合金试片进行激光清洗，激光清洗前后的铝合金表面状态见图1。采用MarSurfPS10粗糙度测量仪器，对清洗前后的铝合金进行表面粗糙度测试，测试结果见图2。从图1可以看出，激光清洗前，表面有少许污物和划痕；激光清洗后，呈均匀的金属银白色；用水膜法测试其清洁度，表面水膜瞬间铺展成连续的水膜，接触角由7 0 降低到0，可说明铝合金表面经激光清洗后，表面氧化物、污物瞬间挥发，洁净度大大提高。作者简介：韩红敏（19 7 5-），女，高工，主要从事复合材料成型技术、表面处理技术研究工作。收稿日期：2 0 2 2-11-2 2。52。清洗世界第6 期清洗前清洗后图1激光清洗前后铝合金表面状态Lt=4.8mm(0.8x5)2021-05-3008:43RILC1S016610-210.8mml垂直5.0 um/dv，水平0.8 mm/div：Ra0.631mRPC421/cma清洗前Lt=4.8mm(0.8x5)2021-05-3008:41RILC.IS0.16610-210.8mml垂直5.0 um/dm水平0.8 mm/divRa1.595mRPC2251/cmb）清洗后图2激光清洗前后铝合金表面粗糙度从图2 可以看出，铝合金未进行激光清洗前，表面有少许划痕，表面状态不规则，轮廓算术平均偏差Ra为0.6 31m，连续穿过带宽的粗糙度轮廓元素RPc为42 个；经激光清洗后，Ra为1.59 5m，RPc为2 2 5个，可以证明，激光清洗后铝合金表面被适当粗化，表面积得到大幅提升。2.2激光清洗对铝材拉伸性能影响采用2 2 19 铝合金制备拉伸试样，对其进行激光清洗。清洗前后试件形貌见图3。拉伸性能测试结果见表1，破坏残样见图4。观察图3，拉伸试件经激光清洗后，表面呈洁净、均匀一致的银白色。根据表2 数据可知，2 2 19铝表面进行激光清洗后，轴向、径向、切向的拉伸强度和屈服强度保持率均在9 8%以上，无明显变a）未处理试样b）激光清洗后试样图3激光清洗前后试件形貌图4激光清洗前后破坏残样化；观察图4残样，激光清洗前后拉伸试样破坏位置一致，均在有效测距内。由此可以说明，铝合金经激光清洗后对其拉伸性能无影响。2.3激光清洗对铝材微观性能影响研究采用2 2 19 铝合金制备12 mmX12mm15mm的试样，镶嵌于低熔点的塑料中，磨成镜面，并用腐蚀液（氢氟酸：盐酸：硝酸：水=2：3：5：19 0）对其进行腐蚀，然后采用蔡司Axioskop40Pol显微镜对激光清洗前、后的铝合金试样进行分析。从图5可以看出，2 2 19 铝合金为材质比较均匀的铝合金，其金相组织为Al+析出相（主要是相，CuAl,），经激光清洗后保持了其微观原貌，仍为Al+0相，晶界未发生变化，未发现过烧组织，由此可以说明，2 2 19 铝合金表面经激光清洗后，对其微观组织无影响。2.4激光清洗对铝合金表面的硬度影响研究对激光清洗前后的LY12铝合金表面进行测试，加载时间为15s，测试结果见表2。光纤激光器发出的激光打到铝合金表面时，其瞬时温度可以达10 0 0 以上，而铝合金的熔点下转56 页53第3 9 卷韩红敏等.激光清洗对的影响研究表1激光清洗前后拉伸性能测试结果未处理激光清洗后试样方向测试项目保持率/%实测值/MPa离散系数/%实测值/MPa离散系数/%拉伸强度。450.01.4450.00.6100轴向乙屈服强度0 2338.01.8337.00.899.7拉伸强度441.50.8435.51.698.6径向J屈服强度0.2344.30.8342.30.499.4拉伸强度455.02454.51.499.9切向Q屈服强度0 2343.02343.32100.1表2激光清洗前后铝合金的维氏硬度测试项目未处理激光清洗后140142180190维氏硬度141185未处理激光清洗图52219铝激光清洗前后金相组织为6 0 0+，因此，在铝合金经激光清洗的过程中，表面瞬时熔融、凝固，重新得到致密而坚固的表面层。从表2 可以看出，经激光清洗后，铝合金表面硬度由141HV提高到18 5HV，提高幅度超过30%。激光清洗铝合金在提高表面硬度的同时也提高了其耐磨性，并对界面剪切强度有一定程度的提高。实验证明，经激光清洗后的拉剪试件，采用JX-9胶进行粘接后，其剪切强度较铝试片酸蚀化学处理可提高13%。3结论通过以上分析可得出如下结论：（1）铝试件经激光清洗后，表面洁净，大幅提高亲水性。（2）激光清洗可使铝合金表面的油污、疏松氧化膜剥离；大幅提高表面积。（3）2 2 19 铝合金经激光清洗后，各向拉伸强度和屈服强度保持率均在9 8%以上。（4）2 2 19 铝合金经激光清洗后，均保持A1+0相，晶界未发生变化，未发现过烧组织。（5）L Y 12 铝合金经激光清洗后，表面硬度提高30%。参考文献：1纪红，许越，吕祖舜，等，铝合金激光表面强化的研究进展 .材料科学与工艺，2 0 0 3,11(2):2 2 0-2 2 4.2蔡利芳，席明哲，张永忠，等，铝合金激光表面改性技术研究进展.材料保护，2 0 0 6,39(10):49-53.3刘槟，易茂中.铸造铝合金化学转化膜及其性能测试 J.材料保护，2 0 0 0,33(9):2 3-24.4 张高会，黄国青，徐鹏，等.铝及铝合金表面处理研究进展 .中国计量学院学报，2 0 10,2 1(2)17 4-178.5 除陈明安，张新明，蒋志军，等，铝及铝合金表面处理后的表面特征和粘接特性 .化学与粘合，2001(6):262-267.6熊腊森编著.粘接手册 M.机械工业出版社，2 0 0 8.7沃西源，复合材料胶接连接工艺 J.航天返回与遥感，19 9 6,17(1):52-58.8侯平.铝合金胶接前表面处理方法 1.宇航材料工艺，19 9 1(3):36-43.9丘哲明主编.固体火箭发动机材料与工艺 M.中国宇航出版社，2 0 0 9.10王宏睿.激光清洗原理与应用研究 .清洗世界，2006,22(9):20-23.11张魁武.激光清洗技术评述 .应用激光,2002,22(2):264-268.12宋峰，刘淑静.激光清洗技术 J.清洗世界，2005,21(2):28-30.上接53页）-+.+.+.-+-.-.+.+.+.+56第6 期清洗世界表480清洗2 4h后不同材质垫片尺寸、重量变化情况清洗前清洗后垫片外径/mm内径/mm厚度/mm质量/g外径/mm内径/mm厚度/mm质量/g140100394.7532140100394.7531石棉1601203112.45371601203112.45331401003119.41241401003119.4127橡胶1601203159.80751601203159.8070表5设备基本参数及清洗要求云南某烟厂广西某造纸厂设备名称MVR蒸发器MVR蒸发器介质及工艺纤维素，6 0，40 0 kPa纤维素，7 0，430 kPa结垢情况蒸发器管壁结垢严重，导热效果降低约1/3蒸发器管束堵塞严重清洗要求除垢率 7 5%，9 5%管束畅通表6云南和广西清洗过程中不同材质试片腐蚀速率编号表面积/m原始重量/g腐蚀后重量/g被腐蚀重量/g腐蚀时间/h腐蚀速率/gmh)腐蚀量/gm)云南碳钢0.002819.685219.67790.0073240.10862.6071广西碳钢0.002819.790419.78470.0057240.08482.0357云南不锈钢0.002818.484218.47880.0054240.08041.9286广西不锈钢0.0 0 2 818.966418.95890.0075240.11162.6786云南紫铜0.002820.109720.10140.0083240.12352.9643广西紫铜0.002820.094220.08760.0066240.09822.3571腐蚀速率见表6。碳钢腐蚀率和腐蚀量小于6 g/mh和7 2 g/m，不锈钢和紫铜腐蚀率和腐蚀量小于2 g/mh和2 4g/m，均满足SH/T35472011石油化工设备和管道化学清洗施工及验收规范要求。两台MVR蒸发器的除垢率均大于8 0%，固定设备上的阀门、仪表、垫片等未受到腐蚀损伤。4结论（1）石油化工生产中，由于结焦类产物生成反应的温度区间分布较广，从低温到高温都有可能发生，因此该类产物的生成几乎无法避免，由于其组成成分复杂，分析检测困难，加上通常含有大量只能溶胀不能溶解的聚合物等有机物，通常用单一的物理或者化学方法无法解决，需要物理和化学清洗方法相结合，甚至多次清洗才能达到清洗质量要求；（2）本次开发的纤维素结焦产物清洗剂，是在多种清洗药剂协同作用，特别是新型高性能溶剂的作用下，使其对纤维素及结焦产物的溶垢率达到了比较好的效果，满足客户要求，但除垢率 9 0%，13张岩.金属表面的激光清洗技术及应用 J.光机电信息，2 0 0 8,2 1(2):2 2-2 6.14俞鸿斌，王春明，张威，等.激光清洗应用发展现仍具有很大的改进空间。由于不同类型有机物的结焦产物组成差别较大，成分复杂，若想继续提升清洗效果，必须开发适用性广、性能强的溶剂和表面活性剂等药剂，才能从根本上解决结焦类垢的清洗难题。参考文献：1】余存烨.石化设备油垢焦垢的清洗 .石油化工腐蚀与防护，2 0 0 0,17(4):55-59.2罗成成，王晖，陈勇.纤维素的改性及应用研究进展 .化工进展，2 0 15,34(3):7 6 7-7 7 3.3行徐东耀，栗广宇，冯宇，等 .可再生能源，2014,32(12):1862-1868.4GB/T3929322020，工业清洗术语和分类 S.5白利松，赵勇.J.工业与公共设施清洁.2 0 15，37-41.6左理胜，肖礼祥，姜建平，等溶剂型重质油垢清洗剂性能的研究与应用 .清洗世界，2008,24(12):6-9.7余存烨，试论氧化剂在化学清洗中作用及其应用 J.化学清洗，2 0 0 0(0 4):10 4-110.状及展望 .焊接工艺，2 0 14,44(10):8 0-8 4.15韩红敏，韩建平，宋可为，等.铝合金的一种激光表面处理方法 J.固体火箭技术，2 0 17,40(6):7 7 6-779.