光纖激光加工對Ti6Al4V粘接強度影響的研究

張 沖,王 冠,劉贊豐,張雅文

(1.廣東工業大學機電工程學院,廣東 廣州 510006;2.廣東四會實力連桿有限公司,廣東 四會 526200)

1 引 言

鈦合金因其比強度高、抗腐蝕性好等優異的特性,已被廣泛應用于輕質結構中,尤其是在航空航天工業[1]及汽車工業[2]。輕質結構制造在多數情況下不是一體成型,而是通過部件與部件之間相互連接而成。如今在輕質結構的連接中,常采用膠接代替螺栓連接、鉚接或焊接,因為膠接不僅可以減輕結構重量,節省成本,而且可以減小結構的電偶腐蝕及應力集中[3-4]。

通常要實現金屬之間的可靠膠接,必須對粘接表面進行預處理,以獲得清潔、均勻、穩定,且具有一定粗糙度和潤濕性的粘接面。目前常用的金屬表面處理工藝可分為兩類,一類是機械加工,例如:研磨[5]、噴砂[6]、微滾壓[7]等,另一類是化學加工,例如:陽極氧化[8-9]、化學蝕刻[10-11]、新型等離子體噴涂[12]等。然而這些方法產生的化學廢物或研磨廢物會對環境產生一定影響,而激光加工因環保性好、穩定性高,已成為上述工藝的有效替代方案[13-14]。

本研究首先研究激光工藝參數對加工后Ti6Al4V基板表面形貌的影響,然后通過單塔接拉伸實驗測試粘接接頭的剪接強度,從而更好地揭示激光工藝參數與Ti6Al4V粘接接頭強度之間的關系。

2 實驗條件與方法

實驗設備采用脈沖光纖激光加工裝備,其主要參數見表1。由于激光器的脈沖能量與脈寬、頻率及平均功率百分比有關。實驗中為了方便調節脈沖能量且保持其他條件不變,故保持脈寬γ為100 ns,脈沖頻率f為10 kHz,通過改變平均功率百分比ψ來調節脈沖能量。通過激光功率儀對所選參數的平均功率Pave進行了測量,并通過公式1對激光功率密度Φ進行了計算,其結果見表2。如圖2所示,先對Ti6Al4V基板進行線掃描加工預實驗,并對單槽的形貌進行測量,然后根據槽寬W,選取不同的掃描間距H,在Ti6Al4V基板上加工線陣及網格2種微結構,掃描速度v為100 mm/s。

表1 激光設備主要參數

表2 不同平均功率百分比下的能量密度

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圖1 激光加工示意圖

實驗材料為寶雞鈦業股份有限公司生產的Ti6Al4V鈦合金,其化學成分列于表3中。

表3 Ti6Al4V元素含量

由于軋制工藝制成的鈦合金板表面粗糙度差異較大,基板在進行激光微加工前,采用3000目砂紙對其表面進行了拋光處理,以避免原表面差異性對實驗結果的影響。使用雙組分室溫固化環氧膠3M DP460粘接基板,粘接劑的機械性能列于表4中。

表4 完全固化的3M DP460粘合劑的機械性能

在激光處理前,所有樣品均在乙醇溶液中采用超聲清洗5 min。單塔接拉伸試樣幾何尺寸如圖2(a)所示。其制備方法如下:①用乙醇清洗待粘接面(激光燒蝕區域)；②將基板放置在定位裝置上；③通過手持式注射槍將粘合劑涂在兩個基板的待粘接區；④為保持粘合層厚度一致,將少許玻璃球(直徑0.25 mm)散布在粘合劑中,并通過夾具施加壓力(如圖2b)；⑤去除粘合區域外的多余粘合劑,以形成直邊；⑥根據供應商推薦的膠水固化參數(即在40 ℃下固化24 h)在烘箱中進行固化；⑦將墊片粘接到基板的兩端,重復步驟⑥。根據ASTM D1002-10標準,在電子萬能試驗機(AGS-X-50KND)上進行準靜態測試(如圖2(c)),以1 mm /min的速率對單塔接試樣加載直至斷裂,獲取位移-載荷曲線,每個試樣以實驗條件下最大載荷除以粘合面的重疊面積作為搭接剪切強度,每組參數重復3次。

圖2 拉伸試樣

3 結果與討論

3.1 脈沖能量對單槽形貌的影響

使用激光共聚焦電子顯微鏡(OLYMPUS OLS4000)對激光加工后基板表面的單槽的深度D、寬度W及邊沿高度A進行了測量。如圖3所示,槽中央部位為表面材料發生熔化、汽化、熔化物對流及重新凝固后形成的凹槽,邊沿為熔化物重新凝固形成的凸起,槽呈現出中部深邊緣淺的形狀,這是由于激光束的光斑能量大致呈高斯分布,光斑的能量密度從中心到邊緣逐漸減弱,從而會在基板上燒蝕出中央深邊緣淺的槽。

圖3 ψ=10 %時槽的形貌及截面輪廓圖

如圖4所示,在脈沖能量較小時,槽的深度D、寬度W及邊沿高度A隨著脈沖能量的增加大致呈線性增加,因為較高的脈沖能量會產生更大的熔池。當脈沖能量增加到一定值時,D、W及A的增加速度就會逐漸減慢,特別是在脈沖能量相對較高時,D、W及A大小會逐漸呈飽和趨勢。

圖4 槽深度、寬度及邊沿高度與脈沖能量的關系

為了更方便地描述掃描間距,現引入重疊率λ這一新參數,其具體表達見公式2。

后續,選取λ=-50 %、-25 %、0 %、50 %,ψ=10 %、30 %、60 %、100 %,在基板上加工線陣及網格2種不同類型的微結構,以研究激光加工參數對表面形貌的影響。

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3.2 脈沖能量和掃描間距對表面形貌的影響

從圖5(d)、(h)、(l)、(p),(c)、(g)、(k)、(o)各分圖可知,當λ=-50 %、-25 %時基板表面均存在未被激光燒蝕的區域,且未被燒蝕區域的面積隨λ的增加而減小；從圖5(b)、(f)、(j)、(n)可看出,當λ=0 %時基板表面均被激光全完燒蝕；從圖5(a)、(e)、(i)、(m)可看出,當λ=50 %時基板部分區域被激光重復燒蝕多次。

圖5 激光加工后基板表面的SEM圖

為了進一步對激光加工后的表面形貌進行分析,采用激光共聚焦電子顯微鏡在加工表面隨機選取5個位置,根據ISO 25178-2標準,對其表面算術平均高度Sa及表面積增加比Sdr進行了計算,Sa、Sdr的具體含義見表5。

表5 表面特征參數

圖6 繪制出了Sa和Sdr與λ和ψ的關系。由圖6(a)和6(b)可知,對于線陣或網格結構,當ψ取值一定時,Sa都在λ=0 %處有最大值；當λ取值一定時,Sa隨ψ的增大而增大,ψ=100 %時Sa有最大值,綜合二者可知其Sa都在λ=0 %、ψ=100 %處有最大值,其值分別為5.108 μm、6.766 μm。由圖6(c)可知,對于線陣結構,當ψ取值一定時,Sdr隨λ的增大而增大,λ=50 %時SSd有最大值；當λ取值一定時,Sdr隨ψ的增大而增大,ψ=100 %時Sdr有最大值,因此其Sa在λ=50 %、ψ=100 %處有最大值,其值為2.675。對比圖6(a)和6(c)可知,Sa與Sdr的變化趨勢并非完全一致,這表明對于線陣結構其粗糙度最大時,其表面積不一定最大。由圖6(d)可知,對于網格結構,當ψ=10 %時,Sdr隨λ的增大而增大,Sdr都在λ=50 %處有最大值；當ψ=30 %、60 %、100 %時,Sdr都在λ=0 %處有最大值；當λ取值一定時,Sa都在ψ=100 %處有最大值,其最大值為3.349。對比圖6(b)和6(d)可知,除ψ=10 %外,Sa與Sdr的變化趨勢基本一致,這表明對于網格結構其粗糙度最大時,其表面積也最大。綜上可知:當λ和ψ取相同值時,網格結構比線陣結構能得到更大的粗糙度及表面積。

圖6 Sa和Sdr與λ和ψ的關系

由于在不同ψ下,表面形貌隨λ的變化趨勢基本一致,為了減少實驗次數,后續僅選取λ=-50%、-25%、0%、50%,ψ=10%、100%,研究線陣及網格對粘接強度的影響。

3.3 脈沖能量和掃描間距對粘接強度的影響

通過拉伸測試驗證激光燒蝕的表面形貌對Ti6Al4V粘合接頭強度的影響。接頭的強度σ由拉伸試驗的最大載荷通過下式計算得到:

(3)

其中,Fmax是拉伸試驗的最大載荷;S是兩個基板之間的粘合面積(12.7 mm×25.4 mm)。

如圖7所示,通過拉伸載荷-位移曲線可知接頭都是在彈性階段達到斷裂強度后直接斷裂,因此在拉伸-剪切力的作用下,本類型粘接接頭的失效形式為準脆性斷裂。

圖7 拉伸載荷-位移曲線

如圖8所示,當λ取值一定時,對于線陣結構和網格結構,ψ=100%都比ψ=10 %更有助于提升接頭的強度；當ψ取值一定時,對于線陣結構,接頭強度隨λ的增大而增大,在λ=50%處接頭強度最大,而對于網格結構,在λ=0%處接頭強度最大；線陣結構在λ=50%、ψ=100%時,接頭有最大剪切強度25.2 MPa,相比未經激光處理的粘接接頭,其強度可提高50.5%；網格結構在λ=0 %、ψ=100 %時,接頭有最大剪切強度27.2 MPa,相比未經激光處理的粘接接頭,其強度可提高62.5 %。綜上可知:當λ和ψ的取值相同時,網格結構相比線陣結構更有利于提高接頭的強度,這是由于網格結構可以得到更大的表面粗糙度及表面積,為粘接面提供更多的互鎖結構。

圖8 剪切強度與λ和ψ的關系

4 結 論

本文通過光纖脈沖激光對Ti6Al4V表面進行微加工,研究了脈沖能量和掃描間距對線陣及網格結構表面形貌及粘接強度的關系,研究表明激光能有效改善粘接接頭的強度。

(1)在脈沖能量較低時,單個槽的寬度、深度及邊沿高度隨著脈沖能量的增加而大致呈線性增加,在脈沖能量相對較高時,其增加會逐漸呈現飽和趨勢。

(2)對于線陣及網格結構,當ψ取值一定時,Sa都在λ=0 %處有最大值,當λ取值一定時,Sa在ψ的增大而增大；對于線陣結構,Sdr隨λ或ψ的增大而增大；對于網格結構,當ψ=10%時,Sdr隨λ的增大而增大,當ψ=30 %、60 %、100 %時,Sdr在λ=0%處有最大值,當λ取值一定時,Sa都在ψ=100%處有最大值；當λ和ψ取相同值時,網格結構比線陣結構能得到更大的粗糙度及表面積。

(3)線陣結構和網格結構分別在λ=50%、ψ=100%,λ=0%、ψ=100 %時,接頭有最大剪切強度,分別為25.2 MPa、 27.2 MPa,與未經激光處理的粘接接頭相比,其強度分別提高50.5 %,62.5 %；當λ和ψ取相同值時,網格結構比線陣結構能得到更大的粗糙度及表面積。