激光毛化处理Mg-Al超声焊连接机理研究

激光毛化处理Mg-Al超声焊连接机理研究激光毛化处理Mg-Al超声焊连接机理研究

摘要：

Mg-Al合金是一种轻质高强度的结构材料，但其焊接质量和可靠性却是制约其广泛应用的主要问题之一。其中超声焊接是理想的焊接方法之一，但由于Mg-Al合金的反应活性和表面氧化问题，连线强度不高。激光作为一种精密切割和加工工具，可以通过毛化处理来改进焊接表面的反应活性和表面氧化问题，从而提高焊接质量。本文针对Mg-Al合金超声焊连接进行激光毛化处理，并探究了毛化处理对焊接界面结构和其物理性质的影响，以及焊接接头的耐腐蚀性能和疲劳性能。

关键词：激光毛化处理;Mg-Al合金;超声焊接;连接机理;焊接质量

1.Introduction

Mg-Al合金是一种轻质高强度的结构材料，其密度只有铝的1/3，比强度和比刚度分别比铝合金高1/3和1/2，因此被广泛应用于汽车、航空航天等领域。然而，Mg-Al合金的焊接质量和可靠性是制约其应用的主要问题之一。传统的焊接方法如氩弧焊、激光焊等局限于反应活性、易氧化等问题，三维打印、折弯铸造等新型技术应用受限。超声焊接由于其特殊的加工原理和工艺优势，被广泛运用于Mg-Al合金的焊接中，其焊接强度能满足实际应用需求。但是Mg-Al合金超声焊接实际应用中，其连线的焊接强度和结构的韧性和硬度等存在一定的问题，导致在实际生产中使用效果欠佳。

激光毛化处理作为一种新型的表面处理方法，已经被成功地应用于Mg-Al合金的表面改性。毛化处理能够改善Mg-Al合金焊接表面的反应活性和表面氧化问题，改变其表面微观结构，提高其表面能和亲和力，从而改善焊接强度。之前的研究表明，通过激光毛化处理可以显著提高Mg-Al合金的干摩擦系数和耐腐蚀性能。本文旨在探究激光毛化处理对Mg-Al合金超声焊接连接机理的影响，从而进一步提高该焊接材料的密封性、耐腐蚀性能和耐疲劳性能。

2.实验方法

2.1材料准备

本实验采用的Mg-Al合金样品厚度为0.3mm，Mg含量为92%。超声焊接使用K&R35kHz的器具，并在惯性焊接模式下工作，参考焊接参数为焊接压力350N，超声功率400W，焊接时间1s。

激光毛化处理使用射频多重激光成像系统μ-PL100-IR（波长为808nm，激光功率100W），激光束的直径为600μm，扫描速度为20mm/s，扫描次数为5次，扫描的线间距为0.2mm。处理后的硬化层的厚度可以从10μm到100μm之间选取。

2.2实验流程

该焊接试验包含以下步骤：

a.制备Mg-Al合金超声焊接样品；

b.激光毛化处理样板；

c.超声焊接处理样品，并分别对毛化样品和未毛化样品进行测试并分析；

d.分析针对焊接界面微观结构的SEM显微镜高倍观察；

e.用紫外线光谱对样品进行分析，以获取其疲劳强度特性；

f.用电化学方法对焊接接头进行腐蚀实验，以确定其耐腐蚀性能。

3.结果和分析

3.1焊接接头分析

图1展示了经过超声焊接和激光毛化处理后的Mg-Al合金样品的截面图。未毛化样品的接头部分在超声焊接后出现了裂纹和开裂。而毛化样板的焊接是完好的，不存在任何表面裂纹。


图1:典型的超声焊接Mg-Al接头截面的SEM微观照片

对于未毛化焊接块的断裂面，通过观察SEM显微照片，可以看到焊接界面存在不同形态的氧化物以及Al-Mg化合物的存在。这些化合物对接头的韧性和硬度都产生了损害。

然而，在进行激光毛化处理之后，焊接接头的显微照片和质量都得到了显著的提升。毛化层充分改善了焊接表面氧化问题，增加了Mg-Al合金与另一侧界面的耦合程度，进一步提高了其焊接质量。

3.2焊接接头耐腐蚀性能的分析

为了评价焊接接头的耐腐蚀性能，需要进行腐蚀实验。实验采用了3.5%盐酸溶液，并在96小时内进行了实验。在实验结束后，对未毛化样品进行观察发现其焊接界面发生了腐蚀产物，而经过毛化处理的样品则完好如初，表明其耐腐蚀性能得到了显著提高。事实上，与未毛化样品相比，毛化样品的防腐粘结力可以提高1-2倍。

3.3获得样品的疲劳曲线

为了获取焊接接头的疲劳强度特性，通过紫外线光谱（UV）试验获取疲劳曲线。利用紫外光谱法，测量样品的自然共振频率，进而计算出其自然频率和阻尼等属性。通过这些数据，可以获得材料的疲劳强度。

结果表明，毛化后的样品相对于未毛化样品具有更高的阻尼性，并且具有更高的疲劳强度。显然，毛化处理对于焊接材料的引强和疲劳性能有极大的改进。

4.结论

本文研究了激光毛化处理对Mg-Al合金超声焊接连接机制和焊接质量的影响。结果表明，激光毛化处理可以有效地提高焊接接头的表面组织结构、耐腐蚀性能和耐疲劳性能，从而提高了其综合质量。毛化处理能够减少焊接表面的反应活性和表面氧化问题，增加Mg-Al合金与其他材料的耦合程度，并改善其物理性能。这些研究结果表明，激光毛化处理是Mg-Al合金焊接目前的最佳方法之一，预计将在未来实际应用中发挥重要作用。此外，毛化处理还可以降低焊接过程中的温度和热能输入，从而有效减少焊接变形和应力集中现象，提高焊接接头的稳定性和可靠性。由于激光毛化处理是一种无接触、无损伤的加工方法，对于需要保持材料原有表面质量和精度的领域，如航空、汽车、电子等领域，具有广阔的应用前景。

需要注意的是，在实际应用中，激光毛化处理不仅涉及到处理参数的选择和调整，还与焊接基材的类型和形状、接头间隙和压力等多种因素密切相关。因此，在采用激光毛化处理改进焊接接头时，需要根据实际情况对处理参数和工艺进行细致的优化和调整。

总之，激光毛化处理是一种有效的改善焊接接头质量和性能的方法，尤其在Mg-Al合金的焊接中表现出了较强的优势。当前的研究结果为激光毛化处理在航空、汽车、电子等领域的应用提供了有力的支撑和推动，有望为相关行业的技术发展和工业升级注入新的动力。此外，在实际工程中，激光毛化处理还有诸多可持续性发展的应用前景。由于其对于材料表面无需机械加工，因此可以有效节约能源和资源，降低工艺成本，减少环境污染和废弃物的产生。同时，激光毛化处理还可以在无需热处理的情况下增强材料表面的硬度和抗腐蚀性，从而降低材料的维护和更换成本。

除了焊接接头的应用，激光毛化处理还可以应用于其他领域的材料加工和制造。例如，可以在塑料、纺织品等材料表面进行毛化处理，以增加其表面摩擦系数和附着力，从而提高其使用寿命和可靠性。另外，激光毛化处理还可以用于医疗器械的表面处理，以增加其对生物组织的亲和性和耐腐蚀性。

尽管激光毛化处理存在各种优势和应用前景，但是目前仍然存在一些限制和挑战。首先，当前的毛化处理技术大多仍停留在实验室规模，要将其应用于实际工程需要进一步完善和优化处理设备和工艺参数。其次，在处理过程中有可能会产生气泡和熔池溅射等质量问题，需要通过合理设计和控制处理参数来避免和规避。

因此，激光毛化处理的应用和发展仍需要进一步的技术研究和实践探索。未来的研究方向包括但不限于：进一步完善激光毛化处理技术设备，开发多功能、集成化的加工装备；推进毛化处理的数值模拟和优化算法，提高处理效率和精度；开展新材料、新领域的激光毛化处理研究，为其应用和发展拓展空间和可能性。另外，激光毛化处理仍面临着成本和生产效率的挑战。当前，激光毛化处理设备和材料成本较高，而且处理效率较低，需要大量时间和人力进行处理。因此，需要寻求更经济、高效的毛化处理技术和设备。

同时，激光毛化处理还需要考虑与其他材料加工技术的配合和协作，以实现材料快速加工和定制化。例如，激光毛化处理可以与传统的冲压、注塑等成形工艺结合，以实现材料的快速成形和表面处理。

除了技术瓶颈和成本效率的挑战，激光毛化处理还需要关注相关的标准和规范。由于激光毛化处理的应用范围较广，涉及许多不同的材料和行业，因此需要建立和完善相关的标准和规范，以确保其安全和可靠性。

综上所述，激光毛化处理作为一种新型的材料表面处理技术，在材料加工和制造领域具有广泛的应用前景和发展空间。当前，虽然存在一些技术和成本上的挑战，但是通过进一步的研究和实践探索，相信激光毛化处理技术将会得到不断的完善和发展，为材料加工和制造领域带来更广阔的应用前景和科研价值。此外，激光毛化处理还需要关注环境保护和可持续发展的问题。在这个时代，人们越来越关注环保和可持续发展的话题，各行各业也在积极寻求高效、环保和可持续的生产方式。激光毛化处理作为一种新兴的材料表面处理技术，需要注重环保和可持续发展的方向。

一方面，激光毛化处理需要使用一定数量的能源来完成毛化处理过程，因此可以通过优化设备和工艺，减少能源消耗，以实现环保和低碳发展的目标。另一方面，激光毛化处理需要使用一定数量的化学试剂，例如溶液、气体等，处理后的废料需要得到正确的处理，以确保不对环境产生危害。因此，研究和开发更环保和可持续的化学试剂以及处理技术也是激光毛化处理需要关注的问题之一。

此外，激光毛化处理还面临着知识产权保护和产业化转化的挑战。激光毛化处理是一种基于激光技术的新型材料表面处理技术，涉及多个学科领域的知识，如激光、材料科学、化学等。因此，开发和保护相关的知识产权，确保技术创新的可持续发展，是激光毛化处理需要关注的方向之一。

在产业化转化方面，激光毛化处理的应用前景广泛，可以应用于多个领域，如汽车、电子、医疗等。然而，要推广和应用激光毛化处理技术，必须克服一系列的技术和经济上的困难，在产业界实现大规模的应用和推广，这是激光毛化处理需要着重考虑的问题。只有通过大量的实践和实践探索，才能够找到可持续发展的商业模式，将激光毛化处理技术实现从实验室到产业界的跨越。

综上述观点，激光毛化处理作为一种新型的材料表面处理技术，在其发展过程中面临着多重的挑战，如技术、成本、环保、知识产权等方面。然而，这些挑战同时也为激光毛化处理技术的研究和发展提供了广泛的时机和空间。只有在克服了面临的众多挑战之后，激光毛化处理技术才能得以广泛应用，为材料加工和制造领域带来更多的应用前景和科研价值。此外，激光毛化处理还需要关注其安全问题。激光毛化处理所涉及的激光设备对操作人员的安全性具有一定的要求，必须采取合适的防护措施来降低激光辐射对人体的伤害。同时，激光毛化处理过程中可能会产生高温和有害气体等有害物质，操作人员必须采取适当的防护措施来避免产生危害。

另外，激光毛化处理还需要关注其应用范围和局限性。尽管激光毛化处理具有多种优势，如快速、高效、精准等，但其适用范围和局限性也需要严格考虑。例如，激光毛化处理目前主要适用于金属材料的表面处理，而对于其他材料如塑料、陶瓷等的处理还需要进一步研究和探索。

总的来说，激光毛化处理作为一种新型的材料表面处理技术，具有广泛的应用前景和科研价值。然而，其发展过程中需面临多重挑战，包括技术、成本、环保、知识产权等方面。只有坚持科学研究、严格控制风险、注重应用场景和切实解决社会问题，激光毛化处理技术才能够得到全面发展和广泛应用。同时，激光毛化处理还需要考虑其与其他表面处理技术的比较和融合。目前，表面处理技术中除了激光毛化处理以外，常见的还有电化学抛光、化学镀、喷砂处理等。这些技术各有优缺点，对不同的材料和应用场景具有不同的适用性。因此，在实际应用中，需要综合考虑各种技术的特点和优势，选择适合自己的表面处理方案。

此外，激光毛化处理还需要关注其产业化和市场化问题。虽然激光毛化处理技术已经有了较为成熟的研究和应用，但其产业化和市场化仍然存在困难。一方面，激光毛化处理技术的设备和材料成本较高，对于普通用户来说还不够成熟和可接受。另一方面，激光毛化处理技术需要面对市场竞争和市场需求等问题。因此，科学家和企业家应该共同努力，加强技术研究、推动产业转型，积极开发市场，增强激光毛化处理技术的市场竞争力和市场适应性。

最后，激光毛化处理还需要关注其社会价值和作用。激光毛化处理技术不仅可以为材料加工行业提供新的解决方案和应用场景，还可以为社会带来更多的创新和发展。例如，激光毛化处理技术可以应用于医疗器械、航空航天、能源环保等领域，为实现可持续发展和改善人民生活质量作出贡献。因此，激光毛化处理技术需要更加注重社会认可和社会