【摘 要】
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铝合金具有密度低、比强度高等优点,被广泛用作汽车车身材料。但铝合金表面的氧化层会严重影响焊接质量,亟需一种高质高效的清除技术。激光清洗是一种利用高能量脉冲激光去除表面物质的工艺,具有非接触、无污染、可控性好等优点。但是,激光清洗过程中热烧蚀作用会引起的明显的表面形貌变化,对焊接、涂装等后续加工影响较大。目前,关于铝合金激光清洗表面形貌动态演变行为的研究较少,表面形貌的形成机理尚不清楚。本文针对60
【基金项目】
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国家自然科学基金国际合作交流项目“面向低碳制造的激光加工工艺及系统优化基础理论与关键技术”,编号:51861165202
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铝合金具有密度低、比强度高等优点,被广泛用作汽车车身材料。但铝合金表面的氧化层会严重影响焊接质量,亟需一种高质高效的清除技术。激光清洗是一种利用高能量脉冲激光去除表面物质的工艺,具有非接触、无污染、可控性好等优点。但是,激光清洗过程中热烧蚀作用会引起的明显的表面形貌变化,对焊接、涂装等后续加工影响较大。目前,关于铝合金激光清洗表面形貌动态演变行为的研究较少,表面形貌的形成机理尚不清楚。本文针对6061铝合金在激光清洗过程中的表面形貌变化,通过工艺试验和数值模拟方法进行了深入研究。首先,基于工艺实验方法,探究了激光清洗工艺参数、铝合金表面形貌和粗糙度的关联关系;随后,建立了铝合金激光清洗的传热和流动耦合模型,分析了激光清洗过程中铝合金表面形貌的动态演变行为;最后,基于响应面分析方法对激光清洗工艺参数进行优化,获取最佳的表面形貌。取得的主要成果如下:（1）探究了激光清洗工艺参数、表面形貌和粗糙度的关联关系,建立了6061铝合金自然氧化层的激光清洗工艺窗口,发现:（1）随着平均功率P的升高,铝合金表面粗糙度呈现着增大的趋势,当功率由15W升高至75W时,粗糙度Sa由0.608μm增大至1.636μm。（2）随着扫描速度v和线间距ly的增大,粗糙度呈现先增大后减小的趋势。激光功率为45W时,在扫描速度4000mm/s、线间距0.04mm位置处,粗糙度Sa达到最大为1.364μm。（3）激光清洗6061铝合金表面自然氧化层的工艺参数窗口为:30W≤P≤60W,3000mm/s≤v≤5000mm/s,0.03mm≤ly≤0.05mm。（2）建立了6061铝合金激光清洗的传热和流动耦合模型,分析了激光清洗过程中表面形貌的动态演变行为,发现:（1）低功率（20W）激光清洗过程中,铝合金表面1μm厚的材料层达到气化温度,表面形貌变化平缓,无金属飞溅。熔池表面中部的流体向深处流动,在固液界面附近发生回流。最大流动速度为5m/s,形成的凹坑形貌尺寸小,表面形貌的高低起伏间距为2μm。（2）高功率（40W、60W）激光清洗过程中,表面分别有3μm、6μm厚的材料层达到气化温度,最大流动速度达到150m/s。高温熔体飞离表面导致更大凹坑形貌的形成,表面形貌的高低起伏间距分别达到7μm、17μm。（3）铝合金激光清洗过程中,熔池深度分别在激光功率20W、40W、60W时达到4.5μm、5μm和8μm。飞溅的液滴带走了大量热量,功率60W激光清洗过程中,在0.6μs时刻凹坑壁面局部已降至固相线温度以下。（3）基于上述建立的激光清洗工艺窗口,构建了工艺参数与粗糙度关系的响应面模型,并以粗糙度达到最大为目标对工艺参数进行优化,发现:（1）在30W≤P≤60W,3000mm/s≤v≤5000mm/s,0.03mm≤ly≤0.05mm参数范围内,对粗糙度影响的显著性顺序依次为:平均功率、扫描速度、线间距。（2）在此工艺参数范围内,达到最大粗糙度的工艺参数为激光功率60W、扫描速度4950mm/s、线间距0.041mm,表面粗糙度Sa为1.584μm。元素能谱测试结果显示,此工艺参数激光清洗后表面氧元素的相对含量低于1%,满足工业应用需求。
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