激光在鋁材加工上的研究與應用新進展

王科學，王東波，黃 勇，孟慶玉，張 麗，董曉紅

（1.新疆神火碳素制品有限公司，新疆昌吉回族自治州 831502；2.新疆工程學院機電工程學院，烏魯木齊 830047）

0 前言

中商產業研究院數據庫顯示，2021年中國鋁材產量為61 052 kt，同比增長7.4%。作為全球范圍內產量最大的有色金屬，鋁是僅次于鋼材的第二大應用工程合金，是新興產業、工業發展不可替代的重要原材料。鋁合金材料憑借其密度低、塑性好、易加工成型以及耐腐蝕等特性，在航天航空、汽車制造、化學等工業領域中得到了廣泛應用[1]。

隨著鋁合金材料應用范圍的不斷擴大和性能的日益多元化，人們對其加工技術的要求也更高、更精準，以滿足不同領域應用需要。激光加工制造技術具有操作簡單、無需接觸、效率高、質量高以及節能環保等特點，是材料表面加工處理、高性能復雜構件制造和精密制造的重要手段之一[2]。激光束憑借其易于導向聚焦、能量密度高、加工速度快、熱影響區小以及可精密微細加工的特點，完美適應鋁合金材料在加工過程中存在的硬度低、不耐磨以及穩定性差等特性，是鋁合金材料加工的一種重要方式。因此研究激光在鋁合金材料加工上的應用具有非常重要的意義。目前，激光在鋁合金材料中的加工應用主要有激光毛化、水油分離、激光焊接以及激光點火四種。

1 激光毛化

激光毛化是通過利用高能高頻激光脈沖的熱性能使加工件表面溫度急劇升高，使局部區域短時間內發生熔化后快速冷卻重凝，利用瞬間的溫差從而在材料表面獲得指定形貌的一種加工技術[3]。其加工形貌主要受激光參數和材料本身性能的影響，在指定材料下通過調節其掃描速度、脈沖頻率以及重復次數等來控制毛化效果。目前該技術在鋼材加工領域已得到成熟應用，未來隨著輕量化需求的不斷增加，“以鋁代鋼”將成為各輕量化領域的主要發展方向，利用激光毛化技術來改善鋁合金材料形貌、性能等方面的研究顯得日益迫切。

上海海事大學李文戈教授及其團隊[4]通過正交試驗研究了不同技術參數對5052鋁合金激光毛化質量的影響。研究結果顯示，焊接粘結強度隨鋁合金表面粗糙度的增大呈先增加后減小的趨勢，同時試驗得出了一組最優激光毛化工藝參數：平均功率90 W、脈沖頻率1 000 kHz、掃描速度及寬度分別為10 mm/s和200 ns。在該組參數設置下，毛化后的表面粗糙度可達2.35 μm。長春理工大學王菲教授及其團隊[5]研究了激光在3A21鋁合金表面毛化坑點形貌變化過程中的規律。結果顯示，隨著單脈沖能量的增大，坑點形貌由倒梯形轉變為倒三角形并伴隨有等離子體現象出現；隨著脈沖寬度變窄，其形貌變成隕石坑狀；而當離焦量增大時，坑點邊緣的微凸體逐漸減小直至消失。檀財旺、張澤水等[6]研究了激光毛化技術對鋁/鈦激光熔釬焊界面組織及性能的影響。研究結果顯示，激光毛化處理有效改善了焊縫的表面成形且其點陣式處理能顯著提高接頭拉伸性能；同時毛化處理增加了界面有效連接面積，改變了界面化合物形態。G.V.Kuznetsov等[7]采用納秒級脈沖激光對鋁鎂合金進行表面毛化處理，得到有序且各向異性的表面微織構，同時他們還闡述了接觸角滯后的影響。西南鋁業王能均[8]研究對比了電火花與激光毛化技術，對激光毛化工藝進行了探究并進行了工業化試生產嘗試，闡明了激光無序毛化的優異。

2 水油分離

工業產業的不斷發展在帶來經濟增長的同時也引發了很多環境問題。石油作為“工業的血液”其重要性可見一斑，但在海上石油開采及運輸的過程中，泄露在所難免。據統計每年約有200～13 000 kt的石油及石油化工產品以各種方式泄入海洋。海洋原油泄漏不僅會危害海洋生態平衡，還會通過食物鏈毒素累積對整個環境造成不可逆轉的嚴重后果。因此，在石油的開采、運輸及工業化生產中，如何高效、安全地進行水油分離成為新時代的重要研究方向。

因抗腐蝕性強、綜合力學性能好、無低溫脆性、安全可靠等特性，鋁材在鉆探、輸送及儲存石油等方面得到了廣泛運用。在此基礎上，利用激光技術制備超親水/超疏水“神膜”，為大規模解決石油污染問題提供了一種行之有效的方法。通過激光加工，可以使鋁箔具有微孔陣列，并經過氟硅烷修飾技術和激光燒蝕，使鋁箔具有一面超親水、一面超疏水的特殊性能，從而達到水油分離的功效。安徽大學蘇亞輝教授及其團隊[9-10]研究了采用納秒、飛秒激光制備微孔陣列鋁箔以實現水油分離的方法：依次進行納秒或飛秒激光鉆孔、表面氟化以及氟化移除，使水滴可從超疏水面向超親水面單向傳輸。同時，對比傳統雙面超親水的單一滲透或雙面超疏水的單一攔截，雙面“神膜”的單向傳輸更具獨特性。中國科技大學李家文教授及其團隊[11]通過飛秒激光制備多孔雙面鋁箔以實現逆重力水霧收集。他們對比了三種孔結構鋁箔的輸水能力以及孔徑和周期對收集效率的影響，設計出一種淡化海水的概念裝置，使淡化后的海水在親水面匯集，并通過疏水面與未淡化海水分隔，很好地實現了蒸發海水的淡化與收集。Yan等[12]利用飛秒激光制備雙面親水鋁膜以及Janus鋁膜，可實現水下氣泡的攔截和單向傳輸。Boinovich B等[13]利用納秒激光技術并結合不同處理方式制備出特定的表面納米結構，將鋁合金表層金屬成功地轉化為超疏水材料。

3 激光鋁合金焊接

激光作為一種高能束，用于焊接時具有速度小、變形小、焊縫熔深比大以及操控性強等特點，是目前較為先進的焊接加工方法，也是焊接工藝未來發展趨勢之一[14]。鋁合金材料因其有著比重小、導熱性好、易成型等特點在交通運輸、航空航天等領域得到廣泛應用。但鋁合金材料的反射率及導熱率高，導致其在激光焊接時需要更高的輸入功率。有關研究表明，在激光波長為1 μm的作用下，鋁只能吸收約7%的能量[15]；同時，因其易氧化的特性使其在焊接過程中極易產生細小孔隙，進而影響焊接成形性能[16]。

激光焊接方法主要有深熔焊和熱傳導焊兩種。二者主要區別是施加功率密度不同：深熔焊一般功率密度要求大于105 W/cm2，熱傳導焊小于105 W/cm2。由于熱傳導焊功率密度較低，因而多應用于薄件焊接，而工業鋁合金焊接則多以深熔焊的方式進行，其原理如圖1所示[17]。激光打至金屬表面，通過“小孔現象”使表面金屬熔化，形成熔池后再凝固[18]。貴州大學張大斌等[19]研究了7A52鋁合金變厚板激光焊接的微觀缺陷。他們將定功率焊接、定速度焊接、連續變功率焊接以及連續變速度焊接進行對比試驗。結果顯示，相比于定功率焊接，連續變功率焊接與連續變速度焊接的焊縫質量得到了很大的改善。內蒙古工業大學陳芙蓉等[20]采用響應面法研究了不同焊接參數對7075鋁合金焊接質量的影響，分析獲得了焊接功率、焊接速度、離焦量及保護氣體流量對焊縫成形系數和焊縫截面積影響的規律，同時還得到了一組較優的焊接參數。Jin Yang等[21]研究了激光深熔焊純鋁/不銹鋼焊接熔深與焊縫之間的關系。結果顯示，大熔深（354 μm）時接頭出現三種形式的斷裂，小熔深（108 μm）時接頭只有一種斷裂，小熔深相比大熔深焊接更加穩定，接頭強度更高。

圖1 深熔焊原理圖

4 激光鋁粉點火

與常規點火方式相比，作為一種新型點火技術的激光點火具有安全性高、抗干擾能力強及易于拓展等優點[22]。而鋁粉有密度高、耗氧低及燃燒焓低等特性，常作為添加劑被應用于各種能量材料中。基于激光點火在鋁粉點火方面應用的研究，一定程度上可以指導含鋁的能量材料的應用，為提高鋁粉燃燒效率及解決燃燒問題提供幫助。

采用激光對鋁粉進行點火屬于激光熱點火，以激光的方式向固體鋁粉顆粒輻射能量，使鋁粉表面的能量達到顆粒著火點，最終實現點火。周禹男、王健儒[23]等研究了鋁粉粒徑及含氧量對激光鋁顆粒點火燃燒特性的影響，并自主設計了激光點火試驗測試系統。研究結果顯示，鋁粉粒徑越小其燃燒強度及效率越高、燃燒維持時間越久，但同時點火延遲時間也越長；而含氧量越高、延遲時間越短效率越高。西北工業大學鄧哲等[24]研究了不同粒徑鋁粉在不同壓強下CO2激光點火的燃燒特性。結果顯示，粒徑減小、壓強增大均能使燃燒性能得到提升，同時常壓下鎂鋁合金和團聚鋁粉燃燒強度及松裝密度遠大于1 μm鋁粉。Shafirovicha等[25]研究了鎳包覆微米鋁粉單個粒子激光點火的燃燒過程，結果顯示該粒子相對于微米鋁粉點火延遲時間縮短同時點火所需能量降低。

5 結論

目前激光技術在鋁合金材料上的應用研究主要集中于激光毛化、水油分離、激光焊接以及激光點火等方面。通過激光技術擴大鋁合金材料的應用、推動產業發展，具有極高的經濟價值和可持續發展價值。在未來要加強技術研發體系建設，推進創新型人才培養，形成持續創新能力，實現我國從材料大國向強國的轉變。