CN105537774A - 一种基于飞秒激光刻蚀的氧化膜去除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞秒激光刻蚀的氧化膜去除方法，应用于铝合金、镁合金等金属焊接前的表面氧化膜清理。该方法利用飞秒脉冲激光作为直接工具，通过扫描振镜实现脉冲序列在工件表面的横向或纵向逐行扫描。在超强超短飞秒脉冲激光的作用下，氧化膜瞬间汽化蒸发，并被表面形成的蒸汽流带动逸出或从表面脱附，实现氧化膜的高效、精确可控去除。或与工件直线运动相结合，可实现大幅面工件表面指定区域氧化膜的精准刻蚀去除，又有效避免了热效应对基材组织性能的影响，同时氧化膜清理干净、环境友好。该方法在铝、镁等轻金属熔化焊接的氧化膜清理具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于轻金属焊接技术领域，具体涉及一种利用飞秒脉冲激光刻蚀去除铝、镁等轻金属表面氧化膜的方法。
背景技术
铝、镁合金作为重要的轻金属结构材料，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车等领域。但由于铝、镁等合金本身的化学活泼性很强，其在自然条件下表面会生成一层氧化膜。如铝合金表面的氧化膜的主要成分为氧化铝，其厚度约为4～5nm，这层氧化膜结构疏松且耐蚀性较差。这些不致密的氧化膜可以吸收较多的水分，吸收的水分可以结晶水的形式存在，如Al2O3·H2O或者Al2O3·3H2O，也可以化合水的形式存在，如Al(OH)3。在焊接过程中，氧化膜中的结晶水和化合水将逐步分解。分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在熔池中直接分解产生H：
H2O(气))→H+HO
也可以与铝液发生反应生成H：
高温时，氢在铝的熔池中溶解度很高，而在冷却过程中，随着温度的降低，氢在熔池中的溶解度急剧下降，过饱和溶解氢在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡；或者直接在未完全熔化的氧化膜上产生气泡，这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔，甚至在焊缝中产生密集的气孔缺陷，对焊缝质量造成严重影响。过饱和溶解氢的析出成为铝、镁合金焊缝中氢气的主要来源之一。特别是在轻金属激光焊接中，由于激光焊接熔池体积较常规熔焊方法小很多，同时其深宽比又很大，熔池的冷却结晶速度极快，更不利于气泡的上浮逸出。所以，激光焊接熔池中一旦产生气泡是很难逸出的。因此在激光焊接铝、镁合金等轻金属材料时，必须严格清理氧化膜，有研究结果表明，必须双面去除超过0.1mm才能有效减少焊接气孔的产生。
近年来，新发展的高性能Al-Li合金在行航空航天工业中获得广泛应用。由于Al-Li合金含有较多活性的Li元素，在轧制、热处理以及在氧化环境中更容易形成一层厚而脆的、无保护性的氧化膜，表面氧化膜主要由Li的化合物如Li2O、LiOH、LiH、Mg(OH)2、Li2CO3、Li3N和Al(OH)3等化合物组成，这种不致密的氧化膜吸收的水分较其它系铝合金更多，焊接时这些锂化物发生分解形成H和CO2，因而Al-Li合金具有更大的气孔倾向。如何高效可靠去除焊接区的氧化膜成为该类合金焊接必须解决的难题。
通常去除铝合金表面的氧化膜的做法是采用化学腐蚀方法或机械打磨的方法清除。打磨是目前去除表面氧化膜应用最广泛的一种物理方法，但通常会在基体表面产生划痕等物理损伤，同时采用机械清理的方法，对操作者的技术水平要求高，清理厚度和宽度难以精确控制，清理效果难以保证。化学清理氧化膜的方法尽管清理效果好，但需要首先对不清理区域进行涂胶保护，腐蚀完还需对保护胶进行清理，工序复杂，效率低，同时还存在严重的环境污染。基于交流或直流反接电弧的阴极雾化作用的摆动电弧阴极雾化氧化膜清理方法可以控制清理位置，但由于仅是把高熔点的金属氧化膜打碎并推到熔池边缘，清理不完全，另一方面，受电弧摆动限制，不适合大区间清理。
综上，对于大幅面轻金属构件焊接时氧化膜的精确可控高效清理要求，迫切需要开发一种清理区间、位置及厚度可以精确控制的轻金属氧化膜去除新方法。
发明内容
针对上述问题的不足之处，本发明采取了如下技术方案：一种基于飞秒激光刻蚀的氧化膜去除方法，其特征在于：飞秒脉冲激光直接作用于待去除区域的氧化膜，在超强超短飞秒脉冲激光的作用下，氧化膜汽化蒸发，并被表面形成的蒸汽流带动逸出或从表面脱附，在空气或惰性气体保护气氛下实现氧化膜的去除；激光光束扫描方式为横向或纵向逐行扫描，或者是横向扫描叠加纵向扫描的多次扫描；激光光束的运动是单纯的振镜扫描或振镜扫描与工件直线运动叠加。
进一步，飞秒脉冲激光的平均功率在20～80W之间。
飞秒脉冲序列从激光器输出后，通过传输镜进入扫描振镜，设定扫描振镜扫描方式，激光光束扫描方式为横向或纵向逐行扫描，或者是横向扫描叠加纵向扫描的多次扫描，实现待去除区域的氧化膜的快速刻蚀去除。
本发明的基本原理是采用飞秒脉冲激光作为直接工具，通过扫描振镜与工件的线性运动配合，光束直接作用于被清除区域的氧化膜。由于飞秒激光脉冲持续时间极短，其脉冲周期在飞秒量级(10-15秒)，同时输出飞秒脉冲的功率峰值非常高，在超强超短飞秒脉冲激光的作用下，通过超快脉冲激光对氧化膜的烧蚀作用(Ablation)机制，氧化膜瞬间变成等离子体，快速汽化蒸发，并被表面形成的蒸汽流带动逸出或从表面脱附，实现氧化膜的高效、精确可控去除。另一方面，由于飞秒脉冲持续时间远小于材料内部受激电子的弛豫时间，从根本上抑制热扩散，实现相对意义上的“冷加工”，又可避免热效应对工件基体显微组织及力学性能的影响。通过扫描振镜及工件运动配合，完成大幅面指定区域氧化膜的精准去除。
飞秒激光清除氧化膜时，在平均功率为20～80W，扫描速度为140～400mm/s条件下，即可实现4～5nm厚氧化膜的干净去除。而传统纳秒脉冲激光器要实现同样的氧化膜清理效果，所需的激光功率在103W量级，清除过程中将产生非常大的热效应，这将对热处理强化或形变强化的高性能铝合金基体产生严重的劣化影响，甚至不能接受。另一方面，由于超强超短飞秒激光脉冲作用是近似的冷加工，也进一步避免了热效应对基材组织性能的影响。
本发明所述的技术方案，可实现工件表面指定区域氧化膜的精确刻蚀去除，同时具有短流程、全自动、去除效率高、工序简单、清除区域精确可控、氧化膜去除干净的特点。随后进行的激光焊接实验结果也展示了飞秒脉冲激光清除氧化膜对于铝合金激光焊接时减少气孔形成，改善焊接质量的帮助。
基于飞秒激光刻蚀的氧化膜去除方法在铝合金汽车车身框架结构、高速列车铝合金车体及航空航天大型铝合金结构熔化焊接前的氧化膜清理具有广泛的应用前景，同时也可以避免目前使用的化学清理方法的环境污染问题，是一种绿色的清理方法。
附图说明
图1：基于飞秒激光刻蚀的去除氧化膜方法示意图；
图2：采用飞秒激光刻蚀方法处理一次的AA2060铝锂合金表面及与未清除区对比；
图3：EDS测量的图2中去除区和未去除区中的表面氧元素含量对比；
图4：采用飞秒激光刻蚀方法处理两次后的AA2060铝锂合金表面；
图5：采用飞秒激光刻蚀处理后的AA2060铝锂合金激光焊接焊缝横截面；
图中：1、飞秒激光器，2、传输镜a，3、传输镜b，4、飞秒激光脉冲，5、扫描振镜，6、氧化膜去除区，7、工件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例的技术方案示意图如附图1所示。飞秒激光脉冲4从飞秒激光器1输出后，经过传输镜a及传输镜b传输进入扫描振镜5，扫描振镜5控制飞秒脉冲序列4在工件7的表面横向逐行扫描，同时配合工件的纵向直线运动，实现氧化膜去除区6的氧化膜的干净去除。
激光光束扫描方式为横向或纵向逐行扫描，或者是横向扫描叠加纵向扫描的多次扫描。所述的技术方案可以在空气中进行也可以在惰性气体保护气氛下进行氧化膜刻蚀。
实施例中工件7为2mm厚的AA2060铝锂合金，使用的激光器1为德国Trumpf公司的TruMicro5050FemtoEdition激光器，脉冲宽度为800±200fs。氧化膜去除工艺参数为：飞秒激光平均功率40W，脉冲频率200KHz，基材表面处的光斑直径200um，扫描速度140mm/s，扫描宽度5mm，行间重叠率25％。图2为采用本发明的技术方案处理一次后的基材表面及与原始表面未清除区域的效果对比。图3为采用EDS测量的图2中清除区和未清除区域表面的氧含量，从图中可以看出，扫描区域的氧含量大大减少，表明氧化膜基本清除干净。图4为采用本发明的技术方案处理两次后的表面效果。图5所示为仅采用本发明的技术方案，对AA2060铝锂合金基材正反两面都进行一次扫描去除氧化膜处理后，随后进行激光焊接后的焊缝横截面图，从图中可以看出焊缝横截面几乎没有气孔，显示本发明的技术方案可以有效清除材料表面的氧化膜，大大减少了气孔的形成。
Claims (3)
1.一种基于飞秒激光刻蚀的氧化膜去除方法，其特征在于：飞秒脉冲激光直接作用于待去除区域的氧化膜，在飞秒脉冲激光的作用下，氧化膜汽化蒸发，并被表面形成的蒸汽流带动逸出或从表面脱附，在空气或惰性气体保护气氛下实现氧化膜的去除；激光光束扫描方式为横向或纵向逐行扫描，或者是横向扫描叠加纵向扫描的多次扫描；激光光束的运动是单纯的振镜扫描或振镜扫描与工件直线运动叠加。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻蚀的氧化膜去除方法，其特征在于：飞秒脉冲激光的平均功率在20～80W之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光刻蚀的氧化膜去除方法，其特征在于：飞秒脉冲序列从激光器输出后，通过传输镜进入扫描振镜，设定扫描振镜扫描方式，激光光束扫描方式为横向或纵向逐行扫描，或者是横向扫描叠加纵向扫描的多次扫描，实现待去除区域的氧化膜的快速刻蚀去除。
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