激光燒蝕坑陣列微結構對7075-T6粘接強度的影響

金 捷，張 沖，張永康, 朱 然

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006)

引 言

粘接是指通過具有粘附能力的物質，將材料連接在一起的方法[1]。相比于機械連接，粘接具有質量輕、應力分布均勻、耐腐蝕等優點，是一種理想的輕量化連接技術[2]。粘接區域的表面質量是影響粘接性能的重要因素之一，合適的表面處理方法可以去除表面污染物和氧化層[3]，提高表面濕潤性和粗糙度，使粘接劑和基底緊密接觸，并形成機械互鎖[4]和界面分子的化學作用[5]，獲得優異的粘接性能。粗糙的界面也可以阻止有害物體的入侵，增加接頭的環境耐久性[6]。常規的表面處理方法有：機械打磨[7]、噴砂[8]、電化學腐蝕[9]和等離子處理[10]。隨著激光技術的發展，激光表面處理具有高效、環保、自動化等優點[11]。通過控制激光參量優化粘接區域的表面形貌，提高粘接性能[12]。鋁合金具有比強度高、力學性能良好等優點[13]，鋁合金粘接被廣泛應用于對輕量化要求較高的汽車領域[14]，因此，激光處理提高鋁合金粘接性能的研究具有重要意義。

WU等人[15]研究了激光能量密度對AA6022-T4粘接接頭性能的影響，結果表明，相比于原始材料，較高的能量密度(19.01J/cm2)處理使接頭強度增加25%，并增加了浸水暴露后內聚破壞模式的程度；較低的能量密度(小于19.01J/cm2)可以去除表面污染物。ROMOLI等人[16]研究激光表面紋理對鋁合金粘接強度的影響，結果表明，接觸面積增加可以促進基體和粘接劑的機械互鎖，但過大的粗糙度和深度會使氣泡進入紋理深處，削弱粘接強度的提高。

激光加工參量對7075-T6鋁合金基底粘接強度的影響尚未得到深入研究，作者利用納秒光纖脈沖激光加工鋁基板，建立單脈沖能量與所形成燒蝕燒蝕坑直徑及深度的關系，通過控制脈沖能量和燒蝕坑重疊率在粘接區域形成陣列微結構，研究不同參量對表面形貌和粘接強度的影響，探究斷裂模式影響剪切強度的機理。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為7075-T6鋁基板和3M DP460雙組份常溫固化環氧膠。表1和表2中分別為材料的力學性能參量。

Table 1 Mechanical properties of 7075-T6

Table 2 3M DP460 mechanical properties after curing

1.2 激光加工燒蝕坑陣列微結構

表3中為激光器的參量。脈沖能量E主要由脈沖頻率f、脈沖寬度τ和最大功率百分比η控制，加工時保持f=10kHz、τ=200ns；單脈沖位置主要由掃描速率v和掃描間距H控制。

圖1為激光燒蝕坑陣列微結構的示意圖。圖中，D為燒蝕坑直徑，δv和δH分別為掃描速率和掃描間距方向的燒蝕坑重疊率,δv由v、f和D共同確定，δH由H和D共同確定。在加工激光燒蝕坑陣列微結構時保持δv=δH，則加工參量需要滿足下式:

δ=(1-v/Df)×100%=(1-H/D)×100%

Fig.1 Schematic diagram of laser ablation crater array microstructure

式中，δ為燒蝕坑重疊率。單個燒蝕坑的直徑D僅與E相關，故f=10kHz不變時，燒蝕坑陣列微結構可僅由E和δ確定。因此，在加工燒蝕坑陣列微結構之前，首先需要確定E和D之間的關系，然后根據所需的E和δ，通過(1)式計算得到激光加工時所需的v和H。激光加工之前，所有基板均在超聲水浴中清洗5min，以去除基板表面的油污及灰塵。此外，使用表面未經激光處理的樣品作為參考組。

1.3 單塔接試樣件的制作以及準靜態拉伸剪切測試

圖2a為單塔接試樣的幾何尺寸。基板尺寸為101.6mm×25.4mm×1.5mm，粘接區域的面積為25.4mm×12.7mm。圖2b為單塔接試樣件的制作裝置。其中，采用超聲水浴清洗去除激光加工的殘留物[17]；在粘接劑中添加少量直徑為0.3mm的玻璃微珠來控制膠層厚度[18]；試樣件在25℃下固化72h；每組參量制作5個試樣。圖2c為準靜態拉伸剪切測試。使用最大載荷為100kN的電子萬能試驗機，根據ASTM D1002-2001標準來測量接頭的拉伸剪切強度[19]，拉伸速率為1mm/min。

接頭的剪切強度σ由下式得到：

σ=F/S

(2)

式中，F是接頭斷裂前的最大載荷(單位為N)，S是粘接區域的面積(25.4mm×12.7mm)。

Fig.2 Specimen making and shear strength test

1.4 表面形貌和斷裂模式表征

使用掃描電鏡(HITACHI TM3030)觀察表面形貌，使用激光共聚焦顯微鏡(OLYMPUS OLS4000)計算表面粗糙度Ra和表面面積增加比Rs，每個樣品隨機選擇5個位置測量[20]。單塔接剪切測試后，使用掃描電鏡觀察接頭典型斷面。

2 結果與討論

2.1 激光加工燒蝕坑參量選擇

首先使用激光功率計測量不同η下平均功率P，然后通過下式計算得到單個光斑的E(f=10kHz)：

E=P/f

(3)

表4中為單光斑脈沖能量參量。圖3為單個燒蝕坑的表面形貌和截面輪廓線圖。其中圖3a、圖3b和圖3c分別是E為176μJ，528μJ和880μJ的燒蝕坑，圖4為圖3a、圖3b和圖3c的截面輪廓線。D和V分別為燒蝕坑的直徑和深度。由圖3a、圖3b和圖3c可以看出，燒蝕坑是通過基板材料熔化、熱毛細對流及汽化形成的。由圖4可以看出，燒蝕坑呈中間深邊緣淺的“隕石坑”形狀，且隨著E的增大，D和V分別增大。

Table 4 Single spot pulse energy parameter

Fig.3 Surface morphology of a single ablation pit

Fig.4 Cross-sectional profile of a single ablation pit

圖5為單個脈沖能量下的燒蝕坑直徑D和深度V。當E較小時，D和V隨著E的增加呈線性增加，因為較高的E可以產生更大的熔池。當E增大到一定值時，D和V的增長逐漸減慢，特別是當E相對較高時，D和V的值逐漸飽和。

Fig.5 Diameter and depth of ablation crater under single pulse energy

Table 5 Laser processing parameter

后面實驗中，選取E為176μJ，528μJ，880μJ和δ為 0%，30%，60%加工燒蝕坑陣列微結構。表5中為通過(1)式計算得到的激光加工所需的參量。

2.2 脈沖能量和燒蝕坑重疊率對表面形貌的影響

圖6a顯示了不同脈沖能量E下表面粗糙度Ra與燒蝕坑重疊率δ的關系。沒有激光處理時，Ra=0.31μm。當δ一定時，Ra隨E幾乎無變化，這表明E對Ra幾乎無影響；當E一定時，Ra隨δ的變化較大，Ra先隨δ的增大而大幅減小，δ=30%之后，Ra稍許增大，這表明δ是Ra的主要影響因素。圖6b顯示了不同E下表面面積增加比Rs與δ的關系。沒有激光處理時Rs=1.22。可以看出，當δ一定時，Rs隨E變化較小，這表明E對Rs影響較小；當E一定時，Rs隨δ的變化較大，Rs隨著δ的增加而增加，這表明δ是Rs的主要影響因素。

Fig.6 Surface roughness and developed interfacial area ratio a—surface roughness b—developed interfacial area ratio

圖7為不同脈沖能量E和燒蝕坑重疊率δ的基底截面輪廓線圖。由圖7可以看出，當δ相同時，隨著E的增加，燒蝕坑的深度相對變化不明顯，直徑變大，數量減少，3種因素疊加導致E對Ra幾乎無影響。

由于E對Ra幾乎無影響，對E=176μJ時的基底表面形貌和掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)圖進行分析。圖8a為材料原始表面形貌，表面平整，Ra最小。圖8b為δ=0%時的表面形貌，表面存在未處理區域，高度差大，Ra最大。圖8c為δ=30%時的表面形貌，表面被完全處理，表面落差小，相比δ=0%時，Ra大幅降低。圖8d為δ=60%時的表面形貌，大量表面區域被重復加工，熔融殘留物較多，相比δ=60%時，Ra稍許增加。圖8b中截面1的參量為E=176μJ，δ=0%。圖6討論的其它參量的截面位置同理，分別平行于xz軸組成的平面并穿過燒蝕坑中心。由圖8d中SEM圖可以看出，當E=176μJ時，表面具有明顯的孔洞特征，這是影響Rs的主要因素。由于脈沖寬度不變，即作用在材料的時間不變，則E=528μJ和E=880μJ時，同樣形成類似的孔洞特征，所以E對Rs影響較小。由圖8可以看出，隨著δ的增加，表面被重復處理區域越多，凹凸和孔洞特征越明顯，即Rs隨著δ的增加而增加。

Fig.7 Substrate cross-section contour line drawing

Fig.8 Surface topography and SEM images of substratea—untreated,E=176μJ b—δ=0% c—δ=30% d—δ=60%

2.3 脈沖能量和燒蝕坑重疊率對剪切強度的影響

圖9為不同脈沖能量E和燒蝕坑重疊率δ下接頭的剪切強度σ。當δ一定時，σ幾乎不隨E變化，這表明E對σ幾乎無影響；當E一定時，σ隨δ的變化較大，σ先隨δ的增大而增大，δ=30%之后，σ隨δ的增大而減小，這表明δ是σ的主要影響因素。另外,未經激光處理時，σ=10MPa，激光處理后的σ至少提升了150%;當E=880μJ，δ=30%時，σ=27.76MPa，提升最大。

2.4 接頭斷裂模式分析

接頭失效后，粘接區域有界面斷裂、內聚斷裂(粘接劑斷裂)和基體斷裂[21]3種斷裂模式。內聚斷裂是優選的，因為能量耗散主要發生在粘接劑中，從而提高了接頭強度和韌性[22]。當完全發生內聚斷裂時，接頭的強度最接近于粘接劑自身的強度，此時接頭的強度由粘接劑的強度決定。

Fig.9 Shear strength of joint

由于E對σ幾乎無影響，對E=176μJ的接頭斷裂模式進行分析，并揭示δ影響σ的機理。圖10為接頭斷面的宏觀照片及典型區域的SEM圖。其中區域1和區域2分別與區域3和區域4相對應。從宏觀照片可以看出，無論δ取何值時，斷裂面都發生了混合斷裂(至少有兩種斷裂模式)。通過SEM進一步判斷典型的斷裂模式。如圖10a所示，當δ=0%時，區域1的斷裂模式為界面斷裂，區域2中燒蝕坑內部的斷裂模式為內聚斷裂，外部的斷裂模式為界面斷裂。如圖10b所示，當δ=30%時，區域1的斷裂模式為主要為界面斷裂，區域2斷裂模式為內聚斷裂。如圖10c所示，當δ=60%時，區域1的斷裂模式為基體斷裂，區域2斷裂模式為內聚斷裂。通過對比可知：當δ=30%時，粘接區域發生內聚斷裂斷的面積最大，僅有少部分區域發生了界面斷裂;當δ=0%時，燒蝕坑外部未經激光處理的區域易發生界面斷裂，這使得粘接區域發生界面斷裂的面積比δ=30%時有所增加，因此σ相比δ=30%時有所減小;當δ=60%時，大部分粘接區域發生了基體斷裂，僅有少許區域發生了內聚斷裂,這使得σ相比δ=30%時有所減小。

Fig.10 Macro section of joint and SEM images of typical section E=176μJ

綜上可知：當δ較小時(小于30%)，未被激光加工的區域易發生界面斷裂，會對σ產生負面的影響；隨著δ的增大，激光重復加工的區域增多，使表面覆蓋的熔融殘留物越多，造成粘接區域易發生基體斷裂，也會對σ產生負面的影響。

3 結 論

單個燒蝕坑直徑D和深度V隨著脈沖能量E的增加而增加，當E<528μJ時，D和V隨著E呈線性增加；當E>528μJ時，D和V的增長速率逐漸減慢，并逐漸達到飽和。

表面粗糙度Ra和表面面積增加比Rs受脈沖能量E的影響不大，而受燒蝕坑重疊率δ的影響較大。具體表現為：Ra先隨δ的增大而大幅減小，δ=30%之后，Ra稍許增大；Rs隨著δ的增加而增加。

相比激光未處理時，激光處理后都發生混合斷裂模式，剪切強度至少提升150%,其中，E=880μJ，δ=30%時最大為27.76MPa。

剪切強度和斷裂模式受脈沖能量E的影響不大，而受燒蝕坑重疊率δ的影響較大。具體表現為：當δ=30%時，粘接區域發生內聚斷裂斷的面積最大，剪切強度最大；當δ=0%時，粘接表面未被激光加工的區域易發生界面斷裂，導致剪切強度相比δ=30%降低；當δ=60%，粘接表面大量區域被重復加工，使表面被一層熔融殘留物覆蓋，該區域易發生基體斷裂，也會對導致剪切強度相比δ=30%降低。