激光清洗行业大佬藏了10年的干货：激光清洗航空航天系铝合金后的表面性能

激光清洗行业大佬藏了10年的干货：激光清洗航空航天系铝合金后的表面性能。铝合金作为航天飞机的主要建筑材料，广泛用于航天飞机的船体、螺旋桨、油箱、起落架等关键部件。 2XXX系列铝材，以铜为主要合金元素，强度高、耐高温、切削加工性能优良，主要用于飞机表面的大部件。 2XXX系列铝材在空气表面自然形成不规则、不连续的氧化膜，在涂装和焊接前必须将其彻底清除，否则会影响涂层的附着力和质量。涂层。焊接。目前，轧制铝合金零件常用铬酸、硫酸和氢氟酸的混合物来去除表面的氧化膜，而硝酸通常用于注塑成型，但清洗过程化学需要人工处理。 .参与和环境破坏。近年来，由于清洗工艺的广泛适用性、加工精度和环境友好性，激光清洗已成为领先的清洗技术之一并得到广泛应用。工业接头焊接前后和表面涂层去除。基于此，在喷涂和焊接之前使用激光清洗作为处理2XXX系铝合金的一种方法是一种有效的工具。

通过SEM和EMF分析对纯化后的铝合金样品表面研究了不同激光能量密度下铝合金的清洗效果。对纯化的铝合金样品进行残余应力和硬度测试以及摩擦磨损测试。实验表明，激光清洗可以有效去除2024铝合金表面的污染物和氧化物。激光清洗可以改善铝合金表面的摩擦磨损性能。 2024 并随着能量密度的增加而增加。激光清洗可以在2024铝合金表面形成硬化层，同时在表面产生拉应力。本文通过研究激光清洗后铝合金的显微组织和力学性能，作为航空航天工业大规模使用激光清洗的指南。

实验材料为2024加气铝合金，试样尺寸为40mm×40mm×5mm。

1.2 激光清洗测试

测试设备采用脉冲固态激光设备进行Nd:YAG提纯。 . Nd:YAG晶棒作为激光工作材料，与光纤分离，激光清洗头转移到控制系统工作台上完成清洗。整个清洗过程以水冷方式进行。本实验中，清洗速度设置为 5 mm/s，脉冲频率设置为 8 kHz，网点重叠率为 30%。激光能量密度与平均激光功率成正比，通过控制平均激光功率来改变激光能量密度。能量密度设置为 8.5 J/cm 2、10.5 J/cm 2 和 12.5 J/cm 2。实验结束后，通过 SEM 和 EMF 分析（JSM -7610F，JEOL，Tokyo，Japan）对纯化样品进行分析分析清洗效果。

2.1。激光清洗后铝合金表面形貌

从微观形貌可以看出，生铝合金表面有大量的白色氧化物。当能量密度达到8.5 J/cm2时，铝合金表面出现白点，疑似热氧化。目前，工件表面的污染物受到影响，仅释放热量，形成许多白色氧化物。当能量密度达到10.5 J/cm2时，铝合金表面的白色氧化物大大减少，表面变得光滑，并残留少量不显眼的凹坑结构。这是因为激光脉冲的冲击力和铝合金表面的收缩力相结合。随着能量密度继续增加到 12.5 J/cm2，脉冲的冲击振动效应和产热量的增加，井周围开始出现小白点，估计这是由于供热增加所致。以及在井周围形成新的氧化物。 .

结合表面形貌和流程图将进一步分析纯化过程。铝合金表面未清洗时，铝元素含量为53.5%，碳元素含量为38.0%，氧元素含量为3.7%。此时，表面含有许多杂质。当能量密度达到8.5 J/cm2时，铝元素上升到80.9%，碳元素下降到6.3%，氧元素下降到6.5%。目前，铝合金中大部分表面杂质被去除，但表面的环状结构周围有很多氧化物，增加了氧含量。目前还不够干净。当能量密度达到10.5 J/cm2时，元素的铝含量上升到83.2%，氧含量下降到2.8%的最低水平。此时铝合金表面的环状结构消失，表面变得尽可能光滑，这是最好的清洁状态。随着能量密度增加到 12.5 J/cm2，表面元素没有观察到明显的变化，氧浓度略有增加。目前，凹槽周围的铝合金表面被激光光斑热氧化，导致氧浓度新增加，属于清洁间隙过大。

激光清洗后的摩擦磨损

杂质和氧化物附着在脏样品表面，表面比较粗糙，因此磨损深度和平均摩擦系数最高。在 8.5 J/cm2 的能量密度下，杂质和氧化物会进一步从样品表面去除。但环形面的结构增加了摩擦阻力，导致摩擦系数略有下降，磨损痕迹的深度也有所下降。当能量密度达到10.5 J/cm2时，铝合金表面光滑，氧化物含量最低，清洗效果最好。目前，样品磨损路径的深度最小，但平均摩擦系数增加到 8.5 J/cm 2。我们最初的假设是，这可能是由于硬度降低。当能量密度达到12.5 J/cm2时，试样的磨损深度显着增加，平均摩擦系数显着降低。此时铝合金被热氧化，其表面出现新的氧化膜。新形成的氧化膜的附着力较低，导致磨损深度增加。平均摩擦系数降低的原因是由于硬度的增加，这将在本文后面的实验讨论中解释。综上所述，激光清洗可以提高铝合金表面的耐磨性，效果最好的是12.5J/cm2。

金属材料表面微观结构的变化会影响其力学性能，因此我们研究了激光清洗对铝合金表面显微硬度和残余应力的影响。未经净化的铝合金表面显微硬度值为137.97 HP，经激光辐射能量密度净化后的铝合金表面显微硬度为8.5J/cm2、10.5J/cm2、12.5J/cm2。是 119.96 HV，136.82。高压，174.47高压。当能量密度为8.5 J/cm2和10.5 J/cm2时，铝合金的表面硬度低于未清洗的。当能量密度达到12.5 J/cm2（过度净化）时，表面硬度大大提高。图7是激光清洗后铝合金表面硬度增加的示意图。当激光光斑撞击铝合金表面时，由于脉冲激光的作用，在表面形成压痕。冲击压力在空腔内产生微增强物。在不洁状态下，铝合金表面一般呈环状，硬度有所降低。当达到超净状态时，铝合金表面形成大量孔洞，孔洞的均匀分布使样品整个表面形成一层增强膜，增加了硬度。

金属表面的残余应力是反映材料芯部强度和韧性的指标之一。原始状态下铝合金表面残余应力值为7.06 MPa，激光能量密度为8.5 J/cm2，经过铝合金表面残余应力值后为10.5 J/cm2。净化压力分别为41.9 MPa、79.93 MPa和59.16 MPa。激光清洗后，铝合金表面的残余抗拉强度显着增加。根据先前对铝合金表面进行的结构修改，可以得出结论，存在重组和残余抗拉强度的形成。因此，在适当的激光处理参数下，激光清洗可以略微提高铝合金的表面硬度，但会导致残余断裂载荷的产生。