光纤激光加工对Ti6Al4V粘接强度影响的研究

张 冲,王 冠,刘赞丰,张雅文

(1.广东工业大学机电工程学院,广东 广州 510006;2.广东四会实力连杆有限公司,广东 四会 526200)

1 引 言

钛合金因其比强度高、抗腐蚀性好等优异的特性,已被广泛应用于轻质结构中,尤其是在航空航天工业[1]及汽车工业[2]。轻质结构制造在多数情况下不是一体成型,而是通过部件与部件之间相互连接而成。如今在轻质结构的连接中,常采用胶接代替螺栓连接、铆接或焊接,因为胶接不仅可以减轻结构重量,节省成本,而且可以减小结构的电偶腐蚀及应力集中[3-4]。

通常要实现金属之间的可靠胶接,必须对粘接表面进行预处理,以获得清洁、均匀、稳定,且具有一定粗糙度和润湿性的粘接面。目前常用的金属表面处理工艺可分为两类,一类是机械加工,例如:研磨[5]、喷砂[6]、微滚压[7]等,另一类是化学加工,例如:阳极氧化[8-9]、化学蚀刻[10-11]、新型等离子体喷涂[12]等。然而这些方法产生的化学废物或研磨废物会对环境产生一定影响,而激光加工因环保性好、稳定性高,已成为上述工艺的有效替代方案[13-14]。

本研究首先研究激光工艺参数对加工后Ti6Al4V基板表面形貌的影响,然后通过单塔接拉伸实验测试粘接接头的剪接强度,从而更好地揭示激光工艺参数与Ti6Al4V粘接接头强度之间的关系。

2 实验条件与方法

实验设备采用脉冲光纤激光加工装备,其主要参数见表1。由于激光器的脉冲能量与脉宽、频率及平均功率百分比有关。实验中为了方便调节脉冲能量且保持其他条件不变,故保持脉宽γ为100 ns,脉冲频率f为10 kHz,通过改变平均功率百分比ψ来调节脉冲能量。通过激光功率仪对所选参数的平均功率Pave进行了测量,并通过公式1对激光功率密度Φ进行了计算,其结果见表2。如图2所示,先对Ti6Al4V基板进行线扫描加工预实验,并对单槽的形貌进行测量,然后根据槽宽W,选取不同的扫描间距H,在Ti6Al4V基板上加工线阵及网格2种微结构,扫描速度v为100 mm/s。

表1 激光设备主要参数

表2 不同平均功率百分比下的能量密度

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图1 激光加工示意图

实验材料为宝鸡钛业股份有限公司生产的Ti6Al4V钛合金,其化学成分列于表3中。

表3 Ti6Al4V元素含量

由于轧制工艺制成的钛合金板表面粗糙度差异较大,基板在进行激光微加工前,采用3000目砂纸对其表面进行了抛光处理,以避免原表面差异性对实验结果的影响。使用双组分室温固化环氧胶3M DP460粘接基板,粘接剂的机械性能列于表4中。

表4 完全固化的3M DP460粘合剂的机械性能

在激光处理前,所有样品均在乙醇溶液中采用超声清洗5 min。单塔接拉伸试样几何尺寸如图2(a)所示。其制备方法如下:①用乙醇清洗待粘接面(激光烧蚀区域)；②将基板放置在定位装置上；③通过手持式注射枪将粘合剂涂在两个基板的待粘接区；④为保持粘合层厚度一致,将少许玻璃球(直径0.25 mm)散布在粘合剂中,并通过夹具施加压力(如图2b)；⑤去除粘合区域外的多余粘合剂,以形成直边；⑥根据供应商推荐的胶水固化参数(即在40 ℃下固化24 h)在烘箱中进行固化；⑦将垫片粘接到基板的两端,重复步骤⑥。根据ASTM D1002-10标准,在电子万能试验机(AGS-X-50KND)上进行准静态测试(如图2(c)),以1 mm /min的速率对单塔接试样加载直至断裂,获取位移-载荷曲线,每个试样以实验条件下最大载荷除以粘合面的重叠面积作为搭接剪切强度,每组参数重复3次。

图2 拉伸试样

3 结果与讨论

3.1 脉冲能量对单槽形貌的影响

使用激光共聚焦电子显微镜(OLYMPUS OLS4000)对激光加工后基板表面的单槽的深度D、宽度W及边沿高度A进行了测量。如图3所示,槽中央部位为表面材料发生熔化、汽化、熔化物对流及重新凝固后形成的凹槽,边沿为熔化物重新凝固形成的凸起,槽呈现出中部深边缘浅的形状,这是由于激光束的光斑能量大致呈高斯分布,光斑的能量密度从中心到边缘逐渐减弱,从而会在基板上烧蚀出中央深边缘浅的槽。

图3 ψ=10 %时槽的形貌及截面轮廓图

如图4所示,在脉冲能量较小时,槽的深度D、宽度W及边沿高度A随着脉冲能量的增加大致呈线性增加,因为较高的脉冲能量会产生更大的熔池。当脉冲能量增加到一定值时,D、W及A的增加速度就会逐渐减慢,特别是在脉冲能量相对较高时,D、W及A大小会逐渐呈饱和趋势。

图4 槽深度、宽度及边沿高度与脉冲能量的关系

为了更方便地描述扫描间距,现引入重叠率λ这一新参数,其具体表达见公式2。

后续,选取λ=-50 %、-25 %、0 %、50 %,ψ=10 %、30 %、60 %、100 %,在基板上加工线阵及网格2种不同类型的微结构,以研究激光加工参数对表面形貌的影响。

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3.2 脉冲能量和扫描间距对表面形貌的影响

从图5(d)、(h)、(l)、(p),(c)、(g)、(k)、(o)各分图可知,当λ=-50 %、-25 %时基板表面均存在未被激光烧蚀的区域,且未被烧蚀区域的面积随λ的增加而减小；从图5(b)、(f)、(j)、(n)可看出,当λ=0 %时基板表面均被激光全完烧蚀；从图5(a)、(e)、(i)、(m)可看出,当λ=50 %时基板部分区域被激光重复烧蚀多次。

图5 激光加工后基板表面的SEM图

为了进一步对激光加工后的表面形貌进行分析,采用激光共聚焦电子显微镜在加工表面随机选取5个位置,根据ISO 25178-2标准,对其表面算术平均高度Sa及表面积增加比Sdr进行了计算,Sa、Sdr的具体含义见表5。

表5 表面特征参数

图6 绘制出了Sa和Sdr与λ和ψ的关系。由图6(a)和6(b)可知,对于线阵或网格结构,当ψ取值一定时,Sa都在λ=0 %处有最大值；当λ取值一定时,Sa随ψ的增大而增大,ψ=100 %时Sa有最大值,综合二者可知其Sa都在λ=0 %、ψ=100 %处有最大值,其值分别为5.108 μm、6.766 μm。由图6(c)可知,对于线阵结构,当ψ取值一定时,Sdr随λ的增大而增大,λ=50 %时SSd有最大值；当λ取值一定时,Sdr随ψ的增大而增大,ψ=100 %时Sdr有最大值,因此其Sa在λ=50 %、ψ=100 %处有最大值,其值为2.675。对比图6(a)和6(c)可知,Sa与Sdr的变化趋势并非完全一致,这表明对于线阵结构其粗糙度最大时,其表面积不一定最大。由图6(d)可知,对于网格结构,当ψ=10 %时,Sdr随λ的增大而增大,Sdr都在λ=50 %处有最大值；当ψ=30 %、60 %、100 %时,Sdr都在λ=0 %处有最大值；当λ取值一定时,Sa都在ψ=100 %处有最大值,其最大值为3.349。对比图6(b)和6(d)可知,除ψ=10 %外,Sa与Sdr的变化趋势基本一致,这表明对于网格结构其粗糙度最大时,其表面积也最大。综上可知:当λ和ψ取相同值时,网格结构比线阵结构能得到更大的粗糙度及表面积。

图6 Sa和Sdr与λ和ψ的关系

由于在不同ψ下,表面形貌随λ的变化趋势基本一致,为了减少实验次数,后续仅选取λ=-50%、-25%、0%、50%,ψ=10%、100%,研究线阵及网格对粘接强度的影响。

3.3 脉冲能量和扫描间距对粘接强度的影响

通过拉伸测试验证激光烧蚀的表面形貌对Ti6Al4V粘合接头强度的影响。接头的强度σ由拉伸试验的最大载荷通过下式计算得到:

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其中,Fmax是拉伸试验的最大载荷;S是两个基板之间的粘合面积(12.7 mm×25.4 mm)。

如图7所示,通过拉伸载荷-位移曲线可知接头都是在弹性阶段达到断裂强度后直接断裂,因此在拉伸-剪切力的作用下,本类型粘接接头的失效形式为准脆性断裂。

图7 拉伸载荷-位移曲线

如图8所示,当λ取值一定时,对于线阵结构和网格结构,ψ=100%都比ψ=10 %更有助于提升接头的强度；当ψ取值一定时,对于线阵结构,接头强度随λ的增大而增大,在λ=50%处接头强度最大,而对于网格结构,在λ=0%处接头强度最大；线阵结构在λ=50%、ψ=100%时,接头有最大剪切强度25.2 MPa,相比未经激光处理的粘接接头,其强度可提高50.5%；网格结构在λ=0 %、ψ=100 %时,接头有最大剪切强度27.2 MPa,相比未经激光处理的粘接接头,其强度可提高62.5 %。综上可知:当λ和ψ的取值相同时,网格结构相比线阵结构更有利于提高接头的强度,这是由于网格结构可以得到更大的表面粗糙度及表面积,为粘接面提供更多的互锁结构。

图8 剪切强度与λ和ψ的关系

4 结 论

本文通过光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行微加工,研究了脉冲能量和扫描间距对线阵及网格结构表面形貌及粘接强度的关系,研究表明激光能有效改善粘接接头的强度。

(1)在脉冲能量较低时,单个槽的宽度、深度及边沿高度随着脉冲能量的增加而大致呈线性增加,在脉冲能量相对较高时,其增加会逐渐呈现饱和趋势。

(2)对于线阵及网格结构,当ψ取值一定时,Sa都在λ=0 %处有最大值,当λ取值一定时,Sa在ψ的增大而增大；对于线阵结构,Sdr随λ或ψ的增大而增大；对于网格结构,当ψ=10%时,Sdr随λ的增大而增大,当ψ=30 %、60 %、100 %时,Sdr在λ=0%处有最大值,当λ取值一定时,Sa都在ψ=100%处有最大值；当λ和ψ取相同值时,网格结构比线阵结构能得到更大的粗糙度及表面积。

(3)线阵结构和网格结构分别在λ=50%、ψ=100%,λ=0%、ψ=100 %时,接头有最大剪切强度,分别为25.2 MPa、 27.2 MPa,与未经激光处理的粘接接头相比,其强度分别提高50.5 %,62.5 %；当λ和ψ取相同值时,网格结构比线阵结构能得到更大的粗糙度及表面积。