激光在铝材加工上的研究与应用新进展

2022-11-02王科学王东波孟庆玉董晓红

铝加工 2022年5期

王科学，王东波，黄勇，孟庆玉，张丽，董晓红

（1.新疆神火碳素制品有限公司，新疆昌吉回族自治州 831502；2.新疆工程学院机电工程学院，乌鲁木齐 830047）

0 前言

中商产业研究院数据库显示，2021年中国铝材产量为61 052 kt，同比增长7.4%。作为全球范围内产量最大的有色金属，铝是仅次于钢材的第二大应用工程合金，是新兴产业、工业发展不可替代的重要原材料。铝合金材料凭借其密度低、塑性好、易加工成型以及耐腐蚀等特性，在航天航空、汽车制造、化学等工业领域中得到了广泛应用[1]。

随着铝合金材料应用范围的不断扩大和性能的日益多元化，人们对其加工技术的要求也更高、更精准，以满足不同领域应用需要。激光加工制造技术具有操作简单、无需接触、效率高、质量高以及节能环保等特点，是材料表面加工处理、高性能复杂构件制造和精密制造的重要手段之一[2]。激光束凭借其易于导向聚焦、能量密度高、加工速度快、热影响区小以及可精密微细加工的特点，完美适应铝合金材料在加工过程中存在的硬度低、不耐磨以及稳定性差等特性，是铝合金材料加工的一种重要方式。因此研究激光在铝合金材料加工上的应用具有非常重要的意义。目前，激光在铝合金材料中的加工应用主要有激光毛化、水油分离、激光焊接以及激光点火四种。

1 激光毛化

激光毛化是通过利用高能高频激光脉冲的热性能使加工件表面温度急剧升高，使局部区域短时间内发生熔化后快速冷却重凝，利用瞬间的温差从而在材料表面获得指定形貌的一种加工技术[3]。其加工形貌主要受激光参数和材料本身性能的影响，在指定材料下通过调节其扫描速度、脉冲频率以及重复次数等来控制毛化效果。目前该技术在钢材加工领域已得到成熟应用，未来随着轻量化需求的不断增加，“以铝代钢”将成为各轻量化领域的主要发展方向，利用激光毛化技术来改善铝合金材料形貌、性能等方面的研究显得日益迫切。

上海海事大学李文戈教授及其团队[4]通过正交试验研究了不同技术参数对5052铝合金激光毛化质量的影响。研究结果显示，焊接粘结强度随铝合金表面粗糙度的增大呈先增加后减小的趋势，同时试验得出了一组最优激光毛化工艺参数：平均功率90 W、脉冲频率1 000 kHz、扫描速度及宽度分别为10 mm/s和200 ns。在该组参数设置下，毛化后的表面粗糙度可达2.35 μm。长春理工大学王菲教授及其团队[5]研究了激光在3A21铝合金表面毛化坑点形貌变化过程中的规律。结果显示，随着单脉冲能量的增大，坑点形貌由倒梯形转变为倒三角形并伴随有等离子体现象出现；随着脉冲宽度变窄，其形貌变成陨石坑状；而当离焦量增大时，坑点边缘的微凸体逐渐减小直至消失。檀财旺、张泽水等[6]研究了激光毛化技术对铝/钛激光熔钎焊界面组织及性能的影响。研究结果显示，激光毛化处理有效改善了焊缝的表面成形且其点阵式处理能显著提高接头拉伸性能；同时毛化处理增加了界面有效连接面积，改变了界面化合物形态。G.V.Kuznetsov等[7]采用纳秒级脉冲激光对铝镁合金进行表面毛化处理，得到有序且各向异性的表面微织构，同时他们还阐述了接触角滞后的影响。西南铝业王能均[8]研究对比了电火花与激光毛化技术，对激光毛化工艺进行了探究并进行了工业化试生产尝试，阐明了激光无序毛化的优异。

2 水油分离

工业产业的不断发展在带来经济增长的同时也引发了很多环境问题。石油作为“工业的血液”其重要性可见一斑，但在海上石油开采及运输的过程中，泄露在所难免。据统计每年约有200～13 000 kt的石油及石油化工产品以各种方式泄入海洋。海洋原油泄漏不仅会危害海洋生态平衡，还会通过食物链毒素累积对整个环境造成不可逆转的严重后果。因此，在石油的开采、运输及工业化生产中，如何高效、安全地进行水油分离成为新时代的重要研究方向。

因抗腐蚀性强、综合力学性能好、无低温脆性、安全可靠等特性，铝材在钻探、输送及储存石油等方面得到了广泛运用。在此基础上，利用激光技术制备超亲水/超疏水“神膜”，为大规模解决石油污染问题提供了一种行之有效的方法。通过激光加工，可以使铝箔具有微孔阵列，并经过氟硅烷修饰技术和激光烧蚀，使铝箔具有一面超亲水、一面超疏水的特殊性能，从而达到水油分离的功效。安徽大学苏亚辉教授及其团队[9-10]研究了采用纳秒、飞秒激光制备微孔阵列铝箔以实现水油分离的方法：依次进行纳秒或飞秒激光钻孔、表面氟化以及氟化移除，使水滴可从超疏水面向超亲水面单向传输。同时，对比传统双面超亲水的单一渗透或双面超疏水的单一拦截，双面“神膜”的单向传输更具独特性。中国科技大学李家文教授及其团队[11]通过飞秒激光制备多孔双面铝箔以实现逆重力水雾收集。他们对比了三种孔结构铝箔的输水能力以及孔径和周期对收集效率的影响，设计出一种淡化海水的概念装置，使淡化后的海水在亲水面汇集，并通过疏水面与未淡化海水分隔，很好地实现了蒸发海水的淡化与收集。Yan等[12]利用飞秒激光制备双面亲水铝膜以及Janus铝膜，可实现水下气泡的拦截和单向传输。Boinovich B等[13]利用纳秒激光技术并结合不同处理方式制备出特定的表面纳米结构，将铝合金表层金属成功地转化为超疏水材料。

3 激光铝合金焊接

激光作为一种高能束，用于焊接时具有速度小、变形小、焊缝熔深比大以及操控性强等特点，是目前较为先进的焊接加工方法，也是焊接工艺未来发展趋势之一[14]。铝合金材料因其有着比重小、导热性好、易成型等特点在交通运输、航空航天等领域得到广泛应用。但铝合金材料的反射率及导热率高，导致其在激光焊接时需要更高的输入功率。有关研究表明，在激光波长为1 μm的作用下，铝只能吸收约7%的能量[15]；同时，因其易氧化的特性使其在焊接过程中极易产生细小孔隙，进而影响焊接成形性能[16]。

激光焊接方法主要有深熔焊和热传导焊两种。二者主要区别是施加功率密度不同：深熔焊一般功率密度要求大于105 W/cm2，热传导焊小于105 W/cm2。由于热传导焊功率密度较低，因而多应用于薄件焊接，而工业铝合金焊接则多以深熔焊的方式进行，其原理如图1所示[17]。激光打至金属表面，通过“小孔现象”使表面金属熔化，形成熔池后再凝固[18]。贵州大学张大斌等[19]研究了7A52铝合金变厚板激光焊接的微观缺陷。他们将定功率焊接、定速度焊接、连续变功率焊接以及连续变速度焊接进行对比试验。结果显示，相比于定功率焊接，连续变功率焊接与连续变速度焊接的焊缝质量得到了很大的改善。内蒙古工业大学陈芙蓉等[20]采用响应面法研究了不同焊接参数对7075铝合金焊接质量的影响，分析获得了焊接功率、焊接速度、离焦量及保护气体流量对焊缝成形系数和焊缝截面积影响的规律，同时还得到了一组较优的焊接参数。Jin Yang等[21]研究了激光深熔焊纯铝/不锈钢焊接熔深与焊缝之间的关系。结果显示，大熔深（354 μm）时接头出现三种形式的断裂，小熔深（108 μm）时接头只有一种断裂，小熔深相比大熔深焊接更加稳定，接头强度更高。

图1 深熔焊原理图

4 激光铝粉点火

与常规点火方式相比，作为一种新型点火技术的激光点火具有安全性高、抗干扰能力强及易于拓展等优点[22]。而铝粉有密度高、耗氧低及燃烧焓低等特性，常作为添加剂被应用于各种能量材料中。基于激光点火在铝粉点火方面应用的研究，一定程度上可以指导含铝的能量材料的应用，为提高铝粉燃烧效率及解决燃烧问题提供帮助。

采用激光对铝粉进行点火属于激光热点火，以激光的方式向固体铝粉颗粒辐射能量，使铝粉表面的能量达到颗粒着火点，最终实现点火。周禹男、王健儒[23]等研究了铝粉粒径及含氧量对激光铝颗粒点火燃烧特性的影响，并自主设计了激光点火试验测试系统。研究结果显示，铝粉粒径越小其燃烧强度及效率越高、燃烧维持时间越久，但同时点火延迟时间也越长；而含氧量越高、延迟时间越短效率越高。西北工业大学邓哲等[24]研究了不同粒径铝粉在不同压强下CO2激光点火的燃烧特性。结果显示，粒径减小、压强增大均能使燃烧性能得到提升，同时常压下镁铝合金和团聚铝粉燃烧强度及松装密度远大于1 μm铝粉。Shafirovicha等[25]研究了镍包覆微米铝粉单个粒子激光点火的燃烧过程，结果显示该粒子相对于微米铝粉点火延迟时间缩短同时点火所需能量降低。