激光毛化處理Mg-Al超聲焊連接機(jī)理研究

激光毛化處理Mg-Al超聲焊連接機(jī)理研究激光毛化處理Mg-Al超聲焊連接機(jī)理研究

摘要：

Mg-Al合金是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，但其焊接質(zhì)量和可靠性卻是制約其廣泛應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。其中超聲焊接是理想的焊接方法之一，但由于Mg-Al合金的反應(yīng)活性和表面氧化問(wèn)題，連線(xiàn)強(qiáng)度不高。激光作為一種精密切割和加工工具，可以通過(guò)毛化處理來(lái)改進(jìn)焊接表面的反應(yīng)活性和表面氧化問(wèn)題，從而提高焊接質(zhì)量。本文針對(duì)Mg-Al合金超聲焊連接進(jìn)行激光毛化處理，并探究了毛化處理對(duì)焊接界面結(jié)構(gòu)和其物理性質(zhì)的影響，以及焊接接頭的耐腐蝕性能和疲勞性能。

關(guān)鍵詞：激光毛化處理;Mg-Al合金;超聲焊接;連接機(jī)理;焊接質(zhì)量

1.Introduction

Mg-Al合金是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，其密度只有鋁的1/3，比強(qiáng)度和比剛度分別比鋁合金高1/3和1/2，因此被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。然而，Mg-Al合金的焊接質(zhì)量和可靠性是制約其應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的焊接方法如氬弧焊、激光焊等局限于反應(yīng)活性、易氧化等問(wèn)題，三維打印、折彎鑄造等新型技術(shù)應(yīng)用受限。超聲焊接由于其特殊的加工原理和工藝優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于Mg-Al合金的焊接中，其焊接強(qiáng)度能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。但是Mg-Al合金超聲焊接實(shí)際應(yīng)用中，其連線(xiàn)的焊接強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的韌性和硬度等存在一定的問(wèn)題，導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)中使用效果欠佳。

激光毛化處理作為一種新型的表面處理方法，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于Mg-Al合金的表面改性。毛化處理能夠改善Mg-Al合金焊接表面的反應(yīng)活性和表面氧化問(wèn)題，改變其表面微觀結(jié)構(gòu)，提高其表面能和親和力，從而改善焊接強(qiáng)度。之前的研究表明，通過(guò)激光毛化處理可以顯著提高M(jìn)g-Al合金的干摩擦系數(shù)和耐腐蝕性能。本文旨在探究激光毛化處理對(duì)Mg-Al合金超聲焊接連接機(jī)理的影響，從而進(jìn)一步提高該焊接材料的密封性、耐腐蝕性能和耐疲勞性能。

2.實(shí)驗(yàn)方法

2.1材料準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)采用的Mg-Al合金樣品厚度為0.3mm，Mg含量為92%。超聲焊接使用K&R35kHz的器具，并在慣性焊接模式下工作，參考焊接參數(shù)為焊接壓力350N，超聲功率400W，焊接時(shí)間1s。

激光毛化處理使用射頻多重激光成像系統(tǒng)μ-PL100-IR（波長(zhǎng)為808nm，激光功率100W），激光束的直徑為600μm，掃描速度為20mm/s，掃描次數(shù)為5次，掃描的線(xiàn)間距為0.2mm。處理后的硬化層的厚度可以從10μm到100μm之間選取。

2.2實(shí)驗(yàn)流程

該焊接試驗(yàn)包含以下步驟：

a.制備Mg-Al合金超聲焊接樣品；

b.激光毛化處理樣板；

c.超聲焊接處理樣品，并分別對(duì)毛化樣品和未毛化樣品進(jìn)行測(cè)試并分析；

d.分析針對(duì)焊接界面微觀結(jié)構(gòu)的SEM顯微鏡高倍觀察；

e.用紫外線(xiàn)光譜對(duì)樣品進(jìn)行分析，以獲取其疲勞強(qiáng)度特性；

f.用電化學(xué)方法對(duì)焊接接頭進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)，以確定其耐腐蝕性能。

3.結(jié)果和分析

3.1焊接接頭分析

圖1展示了經(jīng)過(guò)超聲焊接和激光毛化處理后的Mg-Al合金樣品的截面圖。未毛化樣品的接頭部分在超聲焊接后出現(xiàn)了裂紋和開(kāi)裂。而毛化樣板的焊接是完好的，不存在任何表面裂紋。


圖1:典型的超聲焊接Mg-Al接頭截面的SEM微觀照片

對(duì)于未毛化焊接塊的斷裂面，通過(guò)觀察SEM顯微照片，可以看到焊接界面存在不同形態(tài)的氧化物以及Al-Mg化合物的存在。這些化合物對(duì)接頭的韌性和硬度都產(chǎn)生了損害。

然而，在進(jìn)行激光毛化處理之后，焊接接頭的顯微照片和質(zhì)量都得到了顯著的提升。毛化層充分改善了焊接表面氧化問(wèn)題，增加了Mg-Al合金與另一側(cè)界面的耦合程度，進(jìn)一步提高了其焊接質(zhì)量。

3.2焊接接頭耐腐蝕性能的分析

為了評(píng)價(jià)焊接接頭的耐腐蝕性能，需要進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了3.5%鹽酸溶液，并在96小時(shí)內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)未毛化樣品進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)其焊接界面發(fā)生了腐蝕產(chǎn)物，而經(jīng)過(guò)毛化處理的樣品則完好如初，表明其耐腐蝕性能得到了顯著提高。事實(shí)上，與未毛化樣品相比，毛化樣品的防腐粘結(jié)力可以提高1-2倍。

3.3獲得樣品的疲勞曲線(xiàn)

為了獲取焊接接頭的疲勞強(qiáng)度特性，通過(guò)紫外線(xiàn)光譜（UV）試驗(yàn)獲取疲勞曲線(xiàn)。利用紫外光譜法，測(cè)量樣品的自然共振頻率，進(jìn)而計(jì)算出其自然頻率和阻尼等屬性。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以獲得材料的疲勞強(qiáng)度。

結(jié)果表明，毛化后的樣品相對(duì)于未毛化樣品具有更高的阻尼性，并且具有更高的疲勞強(qiáng)度。顯然，毛化處理對(duì)于焊接材料的引強(qiáng)和疲勞性能有極大的改進(jìn)。

4.結(jié)論

本文研究了激光毛化處理對(duì)Mg-Al合金超聲焊接連接機(jī)制和焊接質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，激光毛化處理可以有效地提高焊接接頭的表面組織結(jié)構(gòu)、耐腐蝕性能和耐疲勞性能，從而提高了其綜合質(zhì)量。毛化處理能夠減少焊接表面的反應(yīng)活性和表面氧化問(wèn)題，增加Mg-Al合金與其他材料的耦合程度，并改善其物理性能。這些研究結(jié)果表明，激光毛化處理是Mg-Al合金焊接目前的最佳方法之一，預(yù)計(jì)將在未來(lái)實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。此外，毛化處理還可以降低焊接過(guò)程中的溫度和熱能輸入，從而有效減少焊接變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高焊接接頭的穩(wěn)定性和可靠性。由于激光毛化處理是一種無(wú)接觸、無(wú)損傷的加工方法，對(duì)于需要保持材料原有表面質(zhì)量和精度的領(lǐng)域，如航空、汽車(chē)、電子等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，激光毛化處理不僅涉及到處理參數(shù)的選擇和調(diào)整，還與焊接基材的類(lèi)型和形狀、接頭間隙和壓力等多種因素密切相關(guān)。因此，在采用激光毛化處理改進(jìn)焊接接頭時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)處理參數(shù)和工藝進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化和調(diào)整。

總之，激光毛化處理是一種有效的改善焊接接頭質(zhì)量和性能的方法，尤其在Mg-Al合金的焊接中表現(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前的研究結(jié)果為激光毛化處理在航空、汽車(chē)、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的支撐和推動(dòng)，有望為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和工業(yè)升級(jí)注入新的動(dòng)力。此外，在實(shí)際工程中，激光毛化處理還有諸多可持續(xù)性發(fā)展的應(yīng)用前景。由于其對(duì)于材料表面無(wú)需機(jī)械加工，因此可以有效節(jié)約能源和資源，降低工藝成本，減少環(huán)境污染和廢棄物的產(chǎn)生。同時(shí)，激光毛化處理還可以在無(wú)需熱處理的情況下增強(qiáng)材料表面的硬度和抗腐蝕性，從而降低材料的維護(hù)和更換成本。

除了焊接接頭的應(yīng)用，激光毛化處理還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域的材料加工和制造。例如，可以在塑料、紡織品等材料表面進(jìn)行毛化處理，以增加其表面摩擦系數(shù)和附著力，從而提高其使用壽命和可靠性。另外，激光毛化處理還可以用于醫(yī)療器械的表面處理，以增加其對(duì)生物組織的親和性和耐腐蝕性。

盡管激光毛化處理存在各種優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，但是目前仍然存在一些限制和挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)前的毛化處理技術(shù)大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，要將其應(yīng)用于實(shí)際工程需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化處理設(shè)備和工藝參數(shù)。其次，在處理過(guò)程中有可能會(huì)產(chǎn)生氣泡和熔池濺射等質(zhì)量問(wèn)題，需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)和控制處理參數(shù)來(lái)避免和規(guī)避。

因此，激光毛化處理的應(yīng)用和發(fā)展仍需要進(jìn)一步的技術(shù)研究和實(shí)踐探索。未來(lái)的研究方向包括但不限于：進(jìn)一步完善激光毛化處理技術(shù)設(shè)備，開(kāi)發(fā)多功能、集成化的加工裝備；推進(jìn)毛化處理的數(shù)值模擬和優(yōu)化算法，提高處理效率和精度；開(kāi)展新材料、新領(lǐng)域的激光毛化處理研究，為其應(yīng)用和發(fā)展拓展空間和可能性。另外，激光毛化處理仍面臨著成本和生產(chǎn)效率的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，激光毛化處理設(shè)備和材料成本較高，而且處理效率較低，需要大量時(shí)間和人力進(jìn)行處理。因此，需要尋求更經(jīng)濟(jì)、高效的毛化處理技術(shù)和設(shè)備。

同時(shí)，激光毛化處理還需要考慮與其他材料加工技術(shù)的配合和協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)材料快速加工和定制化。例如，激光毛化處理可以與傳統(tǒng)的沖壓、注塑等成形工藝結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)材料的快速成形和表面處理。

除了技術(shù)瓶頸和成本效率的挑戰(zhàn)，激光毛化處理還需要關(guān)注相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于激光毛化處理的應(yīng)用范圍較廣，涉及許多不同的材料和行業(yè)，因此需要建立和完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保其安全和可靠性。

綜上所述，激光毛化處理作為一種新型的材料表面處理技術(shù)，在材料加工和制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。當(dāng)前，雖然存在一些技術(shù)和成本上的挑戰(zhàn)，但是通過(guò)進(jìn)一步的研究和實(shí)踐探索，相信激光毛化處理技術(shù)將會(huì)得到不斷的完善和發(fā)展，為材料加工和制造領(lǐng)域帶來(lái)更廣闊的應(yīng)用前景和科研價(jià)值。此外，激光毛化處理還需要關(guān)注環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。在這個(gè)時(shí)代，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的話(huà)題，各行各業(yè)也在積極尋求高效、環(huán)保和可持續(xù)的生產(chǎn)方式。激光毛化處理作為一種新興的材料表面處理技術(shù)，需要注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的方向。

一方面，激光毛化處理需要使用一定數(shù)量的能源來(lái)完成毛化處理過(guò)程，因此可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)備和工藝，減少能源消耗，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保和低碳發(fā)展的目標(biāo)。另一方面，激光毛化處理需要使用一定數(shù)量的化學(xué)試劑，例如溶液、氣體等，處理后的廢料需要得到正確的處理，以確保不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，研究和開(kāi)發(fā)更環(huán)保和可持續(xù)的化學(xué)試劑以及處理技術(shù)也是激光毛化處理需要關(guān)注的問(wèn)題之一。

此外，激光毛化處理還面臨著知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)。激光毛化處理是一種基于激光技術(shù)的新型材料表面處理技術(shù)，涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，如激光、材料科學(xué)、化學(xué)等。因此，開(kāi)發(fā)和保護(hù)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，確保技術(shù)創(chuàng)新的可持續(xù)發(fā)展，是激光毛化處理需要關(guān)注的方向之一。

在產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化方面，激光毛化處理的應(yīng)用前景廣泛，可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如汽車(chē)、電子、醫(yī)療等。然而，要推廣和應(yīng)用激光毛化處理技術(shù)，必須克服一系列的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的困難，在產(chǎn)業(yè)界實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用和推廣，這是激光毛化處理需要著重考慮的問(wèn)題。只有通過(guò)大量的實(shí)踐和實(shí)踐探索，才能夠找到可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式，將激光毛化處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界的跨越。

綜上述觀點(diǎn)，激光毛化處理作為一種新型的材料表面處理技術(shù)，在其發(fā)展過(guò)程中面臨著多重的挑戰(zhàn)，如技術(shù)、成本、環(huán)保、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面。然而，這些挑戰(zhàn)同時(shí)也為激光毛化處理技術(shù)的研究和發(fā)展提供了廣泛的時(shí)機(jī)和空間。只有在克服了面臨的眾多挑戰(zhàn)之后，激光毛化處理技術(shù)才能得以廣泛應(yīng)用，為材料加工和制造領(lǐng)域帶來(lái)更多的應(yīng)用前景和科研價(jià)值。此外，激光毛化處理還需要關(guān)注其安全問(wèn)題。激光毛化處理所涉及的激光設(shè)備對(duì)操作人員的安全性具有一定的要求，必須采取合適的防護(hù)措施來(lái)降低激光輻射對(duì)人體的傷害。同時(shí)，激光毛化處理過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生高溫和有害氣體等有害物質(zhì)，操作人員必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來(lái)避免產(chǎn)生危害。

另外，激光毛化處理還需要關(guān)注其應(yīng)用范圍和局限性。盡管激光毛化處理具有多種優(yōu)勢(shì)，如快速、高效、精準(zhǔn)等，但其適用范圍和局限性也需要嚴(yán)格考慮。例如，激光毛化處理目前主要適用于金屬材料的表面處理，而對(duì)于其他材料如塑料、陶瓷等的處理還需要進(jìn)一步研究和探索。

總的來(lái)說(shuō)，激光毛化處理作為一種新型的材料表面處理技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和科研價(jià)值。然而，其發(fā)展過(guò)程中需面臨多重挑戰(zhàn)，包括技術(shù)、成本、環(huán)保、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面。只有堅(jiān)持科學(xué)研究、嚴(yán)格控制風(fēng)險(xiǎn)、注重應(yīng)用場(chǎng)景和切實(shí)解決社會(huì)問(wèn)題，激光毛化處理技術(shù)才能夠得到全面發(fā)展和廣泛應(yīng)用。同時(shí)，激光毛化處理還需要考慮其與其他表面處理技術(shù)的比較和融合。目前，表面處理技術(shù)中除了激光毛化處理以外，常見(jiàn)的還有電化學(xué)拋光、化學(xué)鍍、噴砂處理等。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)不同的材料和應(yīng)用場(chǎng)景具有不同的適用性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮各種技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，選擇適合自己的表面處理方案。

此外，激光毛化處理還需要關(guān)注其產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化問(wèn)題。雖然激光毛化處理技術(shù)已經(jīng)有了較為成熟的研究和應(yīng)用，但其產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化仍然存在困難。一方面，激光毛化處理技術(shù)的設(shè)備和材料成本較高，對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)還不夠成熟和可接受。另一方面，激光毛化處理技術(shù)需要面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)需求等問(wèn)題。因此，科學(xué)家和企業(yè)家應(yīng)該共同努力，加強(qiáng)技術(shù)研究、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，積極開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，增強(qiáng)激光毛化處理技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)適應(yīng)性。

最后，激光毛化處理還需要關(guān)注其社會(huì)價(jià)值和作用。激光毛化處理技術(shù)不僅可以為材料加工行業(yè)提供新的解決方案和應(yīng)用場(chǎng)景，還可以為社會(huì)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和發(fā)展。例如，激光毛化處理技術(shù)可以應(yīng)用于醫(yī)療器械、航空航天、能源環(huán)保等領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和改善人民生活質(zhì)量作出貢獻(xiàn)。因此，激光毛化處理技術(shù)需要更加注重社會(huì)認(rèn)可和社會(huì)