CN105772447A - 一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法 - Google Patents

一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，是一种高效、高质、环保、稳定的清洗工艺，解决目前化学和机械清洗方法存在工序多、效率低、表面划痕损伤、稳定性差、污染环境等问题。方法包括：位置设置步骤：激光振镜头能发出纳秒级短脉冲的激光束，激光束的光轴与待清洗表面在交点处形成夹角α，30°≤α≤60°；设置压缩空气喷嘴指向所述交点，并与所述待清洗表面形成夹角β，10°≤β≤20°；设置吸尘系统的吸嘴指向所述交点，并与所述待清洗表面形成90°的夹角γ；功率设置步骤：根据待清洗表面的氧化膜的厚度，设定激光束的平均功率和清洗速度；清洗步骤：以所述平均功率和清洗速度对待清洗表面进行激光清洗。

Description

一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法
技术领域
本发明涉及激光清洗和激光焊接技术，特别是涉及一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法。
背景技术
铝合金表面的氧化膜存在不同的形态，在比较低的温度下，氧化物的形态多数是拜耳体，其成分为氢氧化铝，即Al(OH)3，也可以写成Al2O3·3H2O。而比较高的温度下，生成以勃姆体AlO(OH)(也可以写成Al2O3·H2O)为主体形态的氧化膜。
铝合金在大气中形成的天然氧化膜厚度只有2～30nm，人工制备氧化膜的方法主要有两种：一是化学氧化法，其制备出的氧化膜的厚度为1～2.5μm，二是阳极氧化法，该方法制备出的氧化膜的厚度为2.5～150μm。
铝合金氧化膜的存在对焊缝质量有不利影响，因为铝合金氧化膜熔点高达2050℃，远远超过铝合金的熔点(660℃)，焊接过程中不熔化，焊缝易形成夹渣缺陷。而且，该氧化膜易吸潮，在焊接时氧化膜分解放出大量气体，熔池结晶过程中大量的气孔来不及逸出，导致焊缝易出现气孔缺陷。
为提高铝合金焊缝质量，焊接前都要清除铝合金表面氧化膜。目前铝合金焊前氧化膜的清洗方法主要有化学法和机械法。
酸碱法加上刮刀刮削法是目前铝合金焊前氧化膜清洗最有效的一种方法，已在航空航天、车辆、压力容器等行业中广泛应用，该方法的工艺流程一般为：
(1)除油
将待清洗的铝合金件浸泡在Na2CO3溶液中，温度为60℃，时间为5～10分钟；
(2)冲洗
使用清水冲洗铝合金件，温度为25～30℃，时间为2分钟；
(3)干燥
使用干布擦干铝合金件；
(4)碱洗
将铝合金件浸泡在NaOH溶液中，温度为50～60℃，时间为5～7分钟；
(5)冲洗
使用清水冲铝合金件，温度为25～30℃，时间为2分钟；
(6)中和光化
将铝合金件浸泡在HNO3溶液中，温度为25～30℃，时间为2～3分钟；
(7)冲洗
使用清水冲洗铝合金件，温度为25～30℃，时间为2分钟；
(8)干燥
将铝合金件吹干或100～110℃烘干。
(9)刮刀刮
采用刮刀刮待焊接件正反面距离焊缝中心25mm内的区域和试件侧面。
酸碱洗法加上机械法虽然能有效清除铝合金氧化膜，但是该方法工序较多，效率低，而且酸、碱处理过程中，产生的刺鼻气体对人体健康有严重的损害作用，伴随酸、碱清洗带来的环境污染问题也厄待解决。同时，刮刀刮削法会对铝合金表面造成划痕等物理损伤，并产生残余应力，影响焊缝性能，而且刮削时产生的铝合金粉尘对人体健康有危害。超声波法利用超声波的空化作用清除氧化膜，但是该方法要求将待清洗的铝合金件放入液体中，而且，超声波法仅适用于处理氧化膜结构相对疏松的小铝合金结构件，对于较大的铝合金件上的氧化膜清除效率较低，极大的限制了该方法的应用。
总之，上述铝合金表面氧化膜清洗方法虽然都较好的清除了氧化膜，但是都不同程度的存在各自的问题，限制了其在铝合金表面氧化膜清洗中的应用和推广，因此，从清洗效率、人体健康和环境保护等方面考虑，急需开发新的铝合金表面氧化膜焊前清洗方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，提供一种高效、高质、环保、稳定的铝合金表面氧化膜焊前激光清洗工艺，解决目前化学和机械清洗方法存在工序多、效率低、表面划痕损伤、稳定性差、污染环境等问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，包括：
位置设置步骤：设置铝合金工件和激光振镜头的位置，所述激光振镜头能发出纳秒级短脉冲的激光束，所述激光束的光轴与所述铝合金工件的待清洗表面相交，并且在交点处形成夹角α，30°≤α≤60°；设置压缩空气喷嘴指向所述交点，并使得所述压缩空气喷嘴与所述待清洗表面形成夹角β，10°≤β≤20°；设置吸尘系统的吸嘴指向所述交点，并使得所述吸嘴与所述待清洗表面形成90°的夹角γ；
功率设置步骤：根据所述待清洗表面的氧化膜的厚度，设定所述激光束的平均功率和清洗速度；
清洗步骤：以所述平均功率和清洗速度对所述待清洗表面进行激光清洗。
优选的，上述的方法中，所述激光振镜头采用的激光器是纳秒脉冲固体激光器，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ。
优选的，上述的方法中，所述激光器的光斑直径为0.8mm。
优选的，上述的方法中，所述激光振镜头发出的线光斑的长度为0.8～75mm；所述激光振镜头是2维平面振镜头，扫描速度为3m/s。
优选的，上述的方法中，所述压缩空气喷嘴的压缩空气流量为30～50l/min；所述吸尘系统的功率为0.135kW。
优选的，上述的方法中，在所述功率设置步骤中，所述激光束的平均功率为40W～400W；所述清洗速度为1～2.4m/min。
优选的，上述的方法中，在所述功率设置步骤中，
如果所述氧化膜的厚度小于15μm，则所述平均功率为200W、所述线光斑的长度为25mm、所述清洗速度为2.4m/min；
如果所述氧化膜的厚度大于等于15μm并且小于等于30μm，则所述平均功率为400W、所述线光斑的长度为25mm、所述清洗速度为1.2m/min；
如果所述氧化膜的厚度大于30μm，则所述平均功率为400W、所述线光斑的长度25mm、所述清洗速度为1.2m/min。
优选的，上述的方法中，如果所述氧化膜的厚度大于30μm，则进行多次重复清洗。
优选的，上述的方法中，所述待清洗表面包括所述铝合金工件的正反面距离焊缝中心25mm内的区域，还包括焊缝中所述铝合金工件的侧面区域。
本发明实施例具有以下技术效果：
1)本发明实施例中，采用短脉冲(纳秒)激光，可以使铝合金表面的油污瞬间气化，铝合金表面的氧化膜(主要为Al2O3)也会因为热应力的作用，龟裂，并在脉冲激光产生的等离子体冲击波作用下，脱离铝合金表面。而且，短脉冲的激光作用，近似于冷加工，不影响铝合金基体的性能。
2)本发明实施例为非接触式的清洗方法，自动化程度高；无需清洗液；配备的吸尘系统将气化的油污和剥离的氧化膜颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术。
3)所述激光振镜头发出的是线光斑，能够大大提高清洗效率。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是本发明方法实施例的步骤流程图；
图2是本发明方法实施例的激光清洗示意图；
图3是本发明方法实施例的铝合金表面氧化膜剥离示意图。
具体实施方式
图1是本发明一个方法实施例的步骤流程图，图2是激光清洗示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，包括：
位置设置步骤10：设置铝合金工件和激光振镜头的位置，所述激光振镜头能发出纳秒级短脉冲的激光束101，所述激光束101的光轴与所述铝合金工件的待清洗表面102相交，并且在交点处形成夹角α，30°≤α≤60°；设置压缩空气喷嘴103指向所述交点，并使得所述压缩空气喷嘴103与所述待清洗表面102形成夹角β，10°≤β≤20°；设置吸尘系统的吸嘴104指向所述交点，并使得所述吸嘴104与所述待清洗表面形成90°的夹角γ；
功率设置步骤20：根据所述待清洗表面的氧化膜的厚度，设定所述激光束的平均功率和清洗速度；
清洗步骤30：以所述平均功率和清洗速度对所述待清洗表面102进行激光清洗。
由上可知，本发明实施例中，采用短脉冲(纳秒)激光，可以使铝合金表面的油污瞬间气化，铝合金表面的氧化膜(主要为Al2O3)也会因为热应力的作用，龟裂，并在脉冲激光产生的等离子体冲击波作用下，脱离铝合金表面。该方法为非接触式的清洗方法，自动化程度高；无需清洗液；配备的吸尘系统将气化的油污和剥离的氧化膜颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术；而且，短脉冲的激光作用，近似于冷加工，不影响铝合金基体的性能。
因此，本发明方法是一种高效、高质、环保、稳定的铝合金表面氧化膜焊前激光清洗工艺，解决了目前化学和机械清洗方法存在工序多、效率低、表面划痕损伤、稳定性差、污染环境等问题。
本发明一个实施例中，所述激光振镜头采用的激光器是纳秒脉冲固体激光器，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ。所述激光器的光斑直径为0.8mm。
本发明一个实施例中，所述激光振镜头发出的线光斑的长度为0.8～75mm；所述激光振镜头是2维平面振镜头，扫描速度为3m/min。所述激光束的平均功率为40W～400W；所述清洗速度为1～2.4m/min。
本发明一个实施例中，在所述功率设置步骤中，
如果所述氧化膜的厚度小于15μm，则所述平均功率为200W、所述线光斑的长度为25mm、所述清洗速度为2.4m/min；
如果所述氧化膜的厚度大于等于15μm并且小于等于30μm，则所述平均功率为400W、所述线光斑的长度为25mm、所述清洗速度为1.2m/min；
如果所述氧化膜的厚度大于30μm，则所述平均功率为400W、所述线光斑的长度25mm、所述清洗速度为1.2m/min，并且进行多次重复清洗，直到氧化膜完全去除。
本发明一个实施例中，所述待清洗表面包括所述铝合金工件的正反面距离焊缝中心25mm内的区域，还包括焊缝中所述铝合金工件的侧面区域，所述压缩空气喷嘴的压缩空气流量为30～50l/min；所述吸尘系统的功率为0.135kW。
如图2所示，本发明一个实施例中，
所述激光束101的光轴与设置压缩空气喷嘴103的中心线以及所述吸嘴104的中心线位于同一平面内，而他们与待清洗表面之间的夹角的设计使得互不干涉并且提升清洗效率。
针对铝合金表面氧化膜厚度小于15μm的激光清洗，本发明实施例提供实施方式一，这种方法特别适合于自然氧化和化学氧化法制备出的氧化膜的激光清洗。用于实施方式一的激光清洗方法的具体步骤如下：
步骤一：依次将待焊接件正反面距离焊缝中心25mm内的区域和试件侧面放置于激光清洗振镜头下方；
步骤二：根据该方法，保持激光束、压缩空气喷嘴、吸尘系统吸嘴与铝合金待清洗表面四者之间的相对位置；
步骤三：根据该方法，设定激光平均功率为200W、线光斑为25mm长、清洗速度为2.4m/min；
步骤四：打开激光器、吸尘器、压缩空气机，启动激光清洗接系统，并实施清洗。
针对铝合金表面氧化膜厚度大于15～30μm的激光清洗，本发明实施例提供实施方式二，这种方法特别适合于阳极氧化法制备出的氧化膜的激光清洗。用于实施方式二的激光清洗方法的具体步骤如下：
步骤一：将待焊接件正反面距离焊缝中心25mm内的区域和试件侧面放置于激光清洗振镜头下方；
步骤二：根据该方法的特征，保持激光束、压缩空气喷嘴、吸尘系统吸嘴与铝合金待清洗表面四者之间的相对位置；
步骤三：设定激光功率为400W、线光斑为25mm长、清洗速度为1.2m/min；
步骤四：打开激光器、吸尘器、压缩空气机，启动激光清洗接系统，并实施清洗。
针对铝合金表面氧化膜厚度大于30μm的激光清洗，本发明实施例提供实施方式三，这种方法特别适合于阳极氧化法制备出的氧化膜的激光清洗。用于实施方式三的激光清洗方法的具体步骤如下：
步骤一：将待焊接件正反面距离焊缝中心25mm内的区域和试件侧面放置于激光清洗振镜头下方；
步骤二：根据该方法的特征，保持激光束、压缩空气喷嘴、吸尘系统吸嘴与铝合金待清洗表面四者之间的相对位置；
步骤三：设定激光功率为400W、线光斑为25mm长、清洗速度为1.2m/min；
步骤四：打开激光器、吸尘器、压缩空气机，启动激光清洗接系统，并实施清洗。
步骤五：保持激光清洗工艺参数，多次清洗，直至氧化膜被清洗干净。
图3为铝合金表面氧化膜剥离示意图，如图所示，铝合金基体105表面有氧化膜106存在，因为氧化膜主要由Al2O3组成，其平均线热膨胀系数为(7.85±0.02)×10-6/℃，而铝合金的18.81×10-5/℃～23.60×10-6/℃，即铝合金的热膨胀系数是氧化膜(Al2O3)的2.4～3倍，两者热膨胀系数相差较大，在激光清洗过程中，激光束107作用到铝合金表面，铝合金表面的氧化膜和铝合金基体都受热膨胀并冷却收缩，因为脉冲激光的作用时间很短，极热极冷条件下，氧化膜和铝合金基体因热膨胀系数的不同，导致铝合金表面氧化膜发生龟裂，并在脉冲激光引起的等离子体的冲击波作用下，从铝合金基体表面剥落，成为碎屑108，脱离铝合金表面。
由上可知，本发明具有以下优势：
1)本发明实施例中，采用短脉冲(纳秒)激光，可以使铝合金表面的油污瞬间气化，铝合金表面的氧化膜(主要为Al2O3)也会因为热应力的作用，龟裂，并在脉冲激光产生的等离子体冲击波作用下，脱离铝合金表面。而且，短脉冲的激光作用，近似于冷加工，不影响铝合金基体的性能。
2)本发明实施例为非接触式的清洗方法，自动化程度高；无需清洗液；配备的吸尘系统将气化的油污和剥离的氧化膜颗粒回收，不污染环境，属于绿色的清洗技术。
3)所述激光振镜头发出的是线光斑，能够大大提高清洗效率。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种铝合金氧化膜焊前激光清洗的方法，其特征在于，包括：
位置设置步骤：设置铝合金工件和激光振镜头的位置，所述激光振镜头能发出纳秒级短脉冲的激光束(101)，所述激光束(101)的光轴与所述铝合金工件的待清洗表面(102)相交，并且在交点处形成夹角α，30°≤α≤60°；设置压缩空气喷嘴(103)指向所述交点，并使得所述压缩空气喷嘴(103)与所述待清洗表面(102)形成夹角β，10°≤β≤20°；设置吸尘系统的吸嘴(104)指向所述交点，并使得所述吸嘴(104)与所述待清洗表面形成90°的夹角γ；
功率设置步骤：根据所述待清洗表面的氧化膜的厚度，设定所述激光束的平均功率和清洗速度；
清洗步骤：以所述平均功率和清洗速度对所述待清洗表面(102)进行激光清洗。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述激光振镜头采用的激光器是纳秒脉冲固体激光器，激光脉冲宽度为30ns，频率为10kHz，脉冲能量为40mJ。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光器的光斑直径为0.8mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光振镜头发出的线光斑的长度为0.8～75mm；所述激光振镜头是2维平面振镜头，扫描速度为3m/s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩空气喷嘴的压缩空气流量为30～50l/min；所述吸尘系统的功率为0.135kW。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述功率设置步骤中，所述激光束的平均功率为40W～400W；所述清洗速度为1～2.4m/min。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述功率设置步骤中，
如果所述氧化膜的厚度小于15μm，则所述平均功率为200W、所述线光斑的长度为25mm、所述清洗速度为2.4m/min；
如果所述氧化膜的厚度大于等于15μm并且小于等于30μm，则所述平均功率为400W、所述线光斑的长度为25mm、所述清洗速度为1.2m/min；
如果所述氧化膜的厚度大于30μm，则所述平均功率为400W、所述线光斑的长度25mm、所述清洗速度为1.2m/min。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果所述氧化膜的厚度大于30μm，则进行多次重复清洗。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待清洗表面包括所述铝合金工件的正反面距离焊缝中心25mm内的区域，还包括焊缝中所述铝合金工件的侧面区域。
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