CN116727862A - 一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金氧化膜激光‑电弧复合清洗方法，涉及铝合金焊接/增材制造技术领域。该方法首先用激光清洗去除母材/工件表面一致深度的氧化膜，由于表面氧化膜/污渍厚度不一，激光清洗后表面残余氧化膜将以散点形式分布。后紧跟电弧阴极清洗，此时阴极斑点将自动寻找残余氧化膜，实现氧化膜的定点清洗。本发明能够最大程度地去除铝合金表面的氧化膜，清洗区域可自由调节，不会对母材组织造成明显不良影响，可以做到随清随焊，有效防止氧化膜的再生，工作效率得到明显提升。
Description
技术领域
本发明属于铝合金焊接/增材制造技术领域，更具体地说，是涉及一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法。
背景技术
传统的焊接过程中缺少对氧化膜的清洗过程，仅在钎焊过程中采用钎剂去除母材表面的氧化膜；传统的增材过程中大多采用单一清洗方式进行母材的氧化膜去除。但是钎剂具有腐蚀性，不仅会对技术人员健康造成损害，还会降低焊接工件的使用寿命，而单一的清洗方式往往存在清洗不完全、容易发生二次氧化的情况。
焊接/增材过程中通常使用激光清洗母板，但是激光功率较小时，主要作用为铝合金表面条纹孔中的气体和水分受热膨胀，产生较大的爆破力，使氧化膜局部破碎剥离；激光功率适中时，主要作用为氧化膜受光能转换的热能影响而受热膨胀，产生的冲击力大于氧化膜的附着力，从而使氧化膜剥离；激光功率过高时，氧化膜完全剥离，光能转变的热能被母材吸收，母材发生过度熔化并发生二次氧化。并且在增材过程中，沉积层的层高变化会造成激光作用点不再是焦点，激光能量密度会发生较大变化，此时沉积层表面激光清洗效能会受到较大影响。激光清洗过程中的去除深度可近似看作一致，而污渍和氧化膜的层高分布往往并不一致，所以单一激光清洗容易造成沉积层表面去除深度不一致以及去除深度不到位或者去除深度过深导致再氧化的情况。
焊接/增材过程中所使用的另一种清洗方法是电弧阴极清洗，即母材/工件接电源负极，钨极接电源正极，铝合金母材上覆盖的氧化膜具有逸出功低的特点，所以阴极斑点会首先作用于氧化膜。但是阴极斑点的运动方式属于无规则运动，当有氧化膜和污渍以铺面形式存在时，阴极斑点的清洗效果是随机的，导致该清洗方式清洗区域有限，并且反极性比EP提升到一定程度时，相同时间内清洗区域也不再增大。因此单一阴极清洗方式容易出现微观程度清洗不完全的情况。
因此，需要技术人员提出一种清洗方法，克服上述单一清洗方法中出现的不足，更好的解决氧化膜清洗问题，减少焊接/增材过程中的氧化膜夹渣、气孔和熔滴铺展不顺等缺陷，实现更为优良的冶金结合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其基本原理是利用激光对氧化膜的去除深度一致特点，为电弧阴极清洗氧化膜定点清除提供前置条件，使用两种清洗方式结合实现高质量的氧化膜清洗。本发明采用适中功率的激光作用于母材表面，去除固定深度的氧化膜和污渍，剩余氧化膜和污渍呈类点阵分布；紧跟着用带有惰性气体保护的小电流电弧阴极清洗，此时电弧内具有极高电流密度的阴极斑点将自动寻找残余氧化膜并将其蒸发清洗，同时具有极高温度的电弧将隔绝空气中的氧气，在保护气的笼罩下，清洗后的区域存在时间和空间进行焊接/增材工作。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，首先，激光清洗去除母材/工件表面一致深度的氧化膜，由于表面氧化膜/污渍厚度不一，激光清洗后表面残余氧化膜将以散点形式分布；然后，用电弧阴极清洗，此时阴极斑点将自动寻找残余氧化膜，实现氧化膜的定点清洗，两种清洗方式结合以达到更有效的清洗效果，提高后续焊接/增材质量。
优选地，采用3D扫描单元得到当前层表面高度，实时反馈至激光清洗单元，使得激光清洗作用区域的激光能量密度一致。
优选地，激光出光口与钨极相对位置保持不变，激光作用处与电弧作用处的相对位置间隔紧密且不重叠。
优选地，钨极接电源负极，母材/工件接电源正极。电弧电流为30～60A，当铝合金母材/工件作阴极时，即EP阶段，发射电子方式主要为场致发射，电弧不能持续稳定存在，故电弧为交流电弧，交流频率为10-50Hz，EP阶段占比为40～80％。
优选地，电弧枪枪口为椭圆形，形成电弧横截面也为椭圆形，相比圆形能够在小电流工况下达到更大清洗宽度，同时减小硬件之间的干涉可能性。
优选地，激光清洗宽度大于电弧清洗宽度，电弧清洗宽度大于焊接/增材宽度，以确保清洗方式的正确实施。
优选地，电弧清理过程中，采取的小电流、高EP占比电弧热输入量小，不会造成母材/工件的表面熔化。
优选地，激光作用区域以及小电流电弧作用区域在工作期间一直处于惰性气体保护范围之内，避免清洗后的二次氧化。
优选地，保护气流量对清洗区域大小具有较为显著影响，可根据后续焊接/增材宽度要求以改变保护气流量，从而实现对清洗区域的调节，气流量范围为3～15L/min。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明结合两种清洗方式特点，采用激光清洗为先，随后采用小电流电弧阴极清洗实现母材表面污渍以及氧化膜去除。本发明中激光清洗的光斑焦距受到3D扫描单元返回层高轮廓数据的调控，使得激光在清洗氧化膜时，作用点的激光能量密度一致。经过激光清洗之后，母材表面残余氧化膜将以散点分布存在，此时阴极清洗则可以实现定点清洗，同时电弧提供的高温区域将以电离等形式隔绝空气中的氧气，在该区域增加保护气能够有效防止清洗后的再次氧化，并且可以通过对保护气流量的改变对清洗区域大小进行自由调节。因此，本发明能够更好地解决氧化膜清洗问题，也提供了足够的无氧化膜时间与空间以实现随清随焊，能够减少焊接/增材过程中的氧化膜夹渣、气孔和熔滴铺展不顺等缺陷，实现更为优良的冶金结合。综上所述，本发明能够最大程度地去除铝合金表面的氧化膜，清洗区域可自由调节，不会对母材组织造成明显不良影响，可以做到随清随焊，有效防止氧化膜的再生，工作效率得到明显提升。
附图说明
图1为未清理的母材表面示意图；
图2为经过激光清理后的母材表面示意图；
图3为经过激光-电弧复合清理后的母材表面示意图；
图4为激光-电弧作用区域示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法首先用激光清洗去除母材/工件表面一致深度的氧化膜，由于表面氧化膜/污渍厚度不一(如图1所示)，激光清洗后表面残余氧化膜将以散点形式分布(如图2所示)。其中，采用3D扫描单元得到当前层表面高度，实时反馈至激光清洗单元，使得激光清洗作用区域的激光能量密度一致。激光出光口与钨极相对位置保持不变，激光作用处与电弧作用处的相对位置间隔紧密且不重叠。
然后，用电弧阴极清洗，此时阴极斑点将自动寻找残余氧化膜，实现氧化膜的定点清洗，两种清洗方式结合以达到更有效的清洗效果(如图3所示)，提高后续焊接/增材质量。其中，钨极接电源负极，母材/工件接电源正极。电弧电流为30～90A，当铝合金母材/工件作阴极时，即EP阶段，发射电子方式主要为场致发射，电弧不能持续稳定存在，故电弧为交流电弧，交流频率为10-50Hz，EP阶段占比为40～80％。电弧枪枪口为椭圆形，形成电弧横截面也为椭圆形，相比圆形能够在小电流工况下达到更大清洗宽度，同时减小硬件之间的干涉可能性。激光清洗宽度大于电弧清洗宽度，电弧清洗宽度大于焊接/增材宽度，以确保清洗方式的正确实施。电弧清理过程中，采取的小电流、高EP占比电弧热输入量小，不会造成母材/工件的表面熔化。如图4所示，激光作用区域以及小电流电弧作用区域在工作期间一直处于惰性气体保护范围之内，避免清洗后的二次氧化。保护气流量对清洗区域大小具有较为显著影响，可根据后续焊接/增材宽度要求以改变保护气流量，从而实现对清洗区域的调节，气流量范围为3～15L/min。
本发明的一个具体实施例如下：
步骤一：开启3D扫描单元指示红外光，开启激光清洗单元指示红外光，保持3D扫描作用区、激光作用区和电弧作用区如图2所示。母材接电源正极，钨极接电源负极，钨极离母材距离2mm；
步骤二：调节激光频率10kHz，脉宽30ns，功率为20W，扫描宽度50mm；
步骤三：调节电源EN阶段电流幅值为30A，EP阶段电流幅值为30A，EP阶段占比60％，交流频率为40Hz，电流波形为矩形波，保护气流量为5L/min。
步骤四：起弧并开启激光，电弧与激光作用区域相对位置保持不变，与母材的相对运动速度为200mm/min。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，首先，用激光清洗去除母材/工件表面一致深度的一层氧化膜，表面氧化膜/污渍厚度不一，激光清洗后母材/工件表面残余氧化膜将以散点形式分布；然后，用电弧阴极清洗去除母材/工件表面散点形式的残余氧化膜，此时阴极斑点将自动寻找残余氧化膜，实现氧化膜的定点清洗。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，采用3D扫描单元得到当前氧化层表面高度，实时反馈至激光清洗单元，使得激光清洗作用区域的激光能量密度一致。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，激光出光口与钨极相对位置保持不变，激光作用处与电弧作用处的相对位置间隔紧密且不重叠。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，钨极接电源负极，母材/工件接电源正极，当铝合金母材/工件做阴极时，为EP阶段；当铝合金母材/工件做阳极时，为EN阶段；EN与EP阶段转换频率为10-50Hz。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，电弧枪枪口为椭圆形，形成电弧横截面也为椭圆形。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，激光清洗宽度大于电弧清洗宽度，电弧清洗宽度大于焊接/增材宽度。
7.根据权利要求4所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于：电弧清理过程中，采取小电流，小电流大小范围为30～90A；采取高EP占比，EP阶段时间占比为单个周期的40～80％。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，激光作用区域以及小电流电弧作用区域在工作期间一直处于惰性气体保护范围之内，避免清洗后的二次氧化。
9.根据权利要求1所述的一种铝合金氧化膜激光-电弧复合清洗方法，其特征在于，根据后续焊接/增材宽度要求以改变保护气流量，从而实现对清洗区域的调节，气流量范围为3～15L/min。
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