D406A超高強度鋼激光清理工藝分析①

王秉祥，張廣成，王常建

(1.西安交通大學，西安 710049；2.西安航天動力機械有限公司，西安 710025)

0 引言

固體火箭發動機在飛行過程中需要承受較大的載荷與內壓，對其金屬殼體的焊縫質量要求極高。因此，焊接坡口的清理質量則顯得尤為關鍵。由于發動機所用D406A超高強度鋼材料在焊接前經過了旋壓、熱處理、機加等工序，致使材料表面形成了致密的氧化皮、油污等不利于焊接質量的成分。當前主要采用傳統噴砂與打磨的方式進行機械化清理去除，但存在后處理工序多、焊縫處壁厚減薄明顯、勞動強度大、清理一致性差等問題，降低了發動機的可靠性，亟需開展先進清理技術研究，以提高產品質量與生產效率。

激光清理技術是指利用一定波長的激光把物體表面的附著物震碎，使附著物剝離基材表面的一種新興技術，具有無損性、精確性、高效性、環保性等特點，現已廣泛應用于油污銹跡、涂層清理、電子元器件清理等多個方面。國內中科院任志國等研究了Q235A低碳鋼表面激光除銹工藝對金屬基底及表面性能的影響，結果表明，利用激光清理方法去除表面鐵銹具有快速、高效等特點，對基體性能無顯著影響；西南交通大學的陳婧雯等利用激光清理方法對12 mm厚熱軋A7N01-T4鋁合金進行焊前清理研究，重點分析了激光清理參數與表面形貌的規律，得出不同激光清洗參數對材料表面的形貌、粗糙度、疏水性有不同的影響；華中科技大學李宇強等研究了6061鋁合金氧化膜焊前激光清理試驗，得出激光功率影響凹坑形貌的尺寸變化，進而改變表面粗糙度的結論；中國航發西航的趙華衛等做過GH4169合金真空電子束焊前激光清理工藝研究，試驗表明，激光清理的效果優于傳統丙酮清洗，且對焊接質量無影響。國外激光清洗技術應用范圍更廣，研究更為深入，MICHALOWSKI等使用超短脈沖激光對高溫處理后的不銹鋼表面氧化層進行試驗，并且根據基體表面溫度變化規律建立了能量沉積模型；JASIM等采用納秒脈沖光纖激光器對鋁合金表面20 μm厚聚合物進行去除，評估了激光工藝參量對清洗效果的影響和燒蝕分析；GRIGOR等對銅及其合金激光除銹時發現，清洗后金屬顏色發生改變，但在保護氣作用下，則可避免該情況的發生；MESSAOUDI等使用皮秒激光系統對22MnB5鋼表面的Al-Si層進行清洗，研究基體燒蝕率與激光波長的關系，在30～50 μm時清洗面更加平整光滑。

上述研究就金屬材料表面氧化物的激光清洗分別從清理效果、材料燒蝕、基體性能、焊接質量影響等方面開展了工藝研究，取得了良好的試驗效果。本文在此基礎上，開展退火態D406A超高強度鋼表面氧化物激光清理試驗，并通過清理后的表觀形貌、清理質量、材料減薄量、化學成分、力學性能等綜合評估試驗結果，為該材料激光清理工程化應用提供參考依據。

1 試驗方法

本試驗選取退火態D406A旋壓板料為研究對象，利用激光清理方法開展材料表觀氧化皮激光清理工藝試驗。首先，通過正交試驗確定激光清理工藝參數；其次，采用確定后的工藝參數清理基材試板與焊接試板坡口，并對焊接試板采用常規TIG方法焊接，制取拉伸與彎曲試樣，試樣按退火、調質兩種制度分別進行熱處理后測試其力學性能，其中退火參數為(680±10) ℃、保溫90～120 min；調質參數為(930±10) ℃進行油淬、(300±10) ℃保溫180 min進行回火；最后，通過對比分析激光清理質量、材料成分、力學性能、減薄量等因素影響，綜合評定退火態D406A旋壓板料激光清洗的可行性。

激光清理設備選用HST-200型手持激光清理機，設備所帶透鏡激光波長為1064 nm，激光功率0～200 W，激光頻率10～200 kHz，表面聚焦，掃描幅寬根據焊縫坡口清理需求設定為30 mm；焊機及焊縫X光探傷機均采用行業通用設備；力學性能設備采用CMT5305電子萬能試驗機300 kN/0.5級；硬度測試設備采用HR-150A臺式機；微觀組織分析采用CX31奧林巴斯顯微鏡；化學成分檢測設備為瑞士ARL公司的ARL3460型直讀光譜儀，精度0.000 1%；激光清理減薄量測量選用CTS30B超聲波測厚儀，量程0.8～400 mm，精度0.01 mm。

1.1 試驗材料

本試驗選用材料為6 mm厚退火態D406A旋壓成型板料，由于板料經過旋壓、熱處理等工序，沿橫向分布有肉眼可見旋壓紋路，板材表面附著有一層厚度不均、形狀不規則黑褐色氧化皮，如圖1所示。另外，為便于后續化學成分檢測、激光清理減薄量的測量，試驗還準備了一塊10 mm厚退火態D406A旋壓板料，并將其加工為100 mm×50 mm×8 mm的等厚度板料。

圖1 退火態D406A旋壓試板形態

1.2 激光清洗工藝參數確定

本激光清理試驗中取激光功率100、150、200 W，激光頻率80、150、200 kHz，清理速度5、10、15 mm/s，設計3因子正交試驗，選用L9 (34)正交試驗，正交試驗因素水平如表1所示。

在當前工程應用中，焊接坡口的清理標準以材料表面氧化物的去除程度進行直接評判，一般以呈現金屬色澤、無肉眼可見氧化物，即可滿足焊接要求。因此，將清理效果(即所呈現金屬光澤度)作為響應，清理效果定義為1～10進行評分，并根據表1中的激光工藝參數，開展正交試驗。

圖2為截取的不同激光清理參數試驗效果圖。其中，圖2(a)激光功率為100 W，掃描頻率80 kHz，清理速度5 mm/s，清理效果呈暗灰色，氧化層去除不明顯；圖2(b)與(a)相比，其余參數不變，掃描頻率為200 kHz，清理后表面氧化物浮層已被去除，形貌規整，但整體呈現深黑色，說明氧化層基未被清除；圖2(c)～(e)的激光功率均增大到150 W，可以看出清理面已呈現灰白色，具有一定效果，但局部仍存在不規則氧化層痕跡，說明清理還不夠徹底，通過清理效果也可以看出，當激光功率為150 W時，清理速度越低清理效果越好；圖2(f)～(h)的激光功率均為200 W，其中圖2(f)清理速度5 mm/s，清理面整體呈現暗褐色，說明有過燒及氧化現象；圖2(g)整體呈現銀白色，氧化層去除徹底，達到了焊接清理要求；圖2(h)清理速度15 mm/s、掃描頻率200 kHz，清理面淺褐色，與圖2(c)清理效果相近，清理還不夠徹底。

表1 正交試驗因素水平

(a)100 W,80 kHz,5 mm/s (b)100 W,200 kHz,5 mm/s (c)150 W,150 kHz,10 mm/s (d)150 W,200 kHz,15 mm/s

(e)150 W,80 kHz,5 mm/s (f)200 W,80 kHz,5 mm/s (g)200 W,150 kHz,10 mm/s (h)200 W,200 kHz,15 mm/s

試驗發現，激光功率、清理速度、激光頻率對清理效果均有影響，隨著激光功率的增加，激光能量密度也隨之增大，清洗效果逐漸上升，但當激光功率為200 W時，清理速度匹配過慢則會產生燒蝕，如圖2(f)所示；在激光功率一定的情況下，清理速度過慢，還容易產生較大飛濺，清理速度過快，則出現清理不徹底現象，掃描頻率對清理效果的影響主要體現在清理后的表觀紋路上，掃描頻率越大，清理紋路越致密，均勻性、一致性越好。

通過試驗，得出退火態D406A旋壓板料激光清理的工藝參數范圍為激光功率180～200 W、清理速度8～10 mm/s、激光頻率130～150 kHz；其中，激光功率200 W、激光頻率135 kHz、清理速度8 mm/s的參數匹配效果最佳，清理面呈純銀白色金屬光澤，一致性好，如圖3所示。

圖3 200 W、135 kHz、8 mm/s參數下的清理效果圖

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織分析

圖4(a)激光功率為150 W、清理速度10 mm/s，上半部分激光頻率為80 kHz，激光掃描點較為稀疏，掃描單點較為清晰，但清理面一致性較差，掃描點之間存在未徹底清除的氧化物痕跡；下半部分激光頻率為135 kHz，激光掃描點相互重疊，激光清洗區域一致性較好，無氧化物痕跡，并且清理紋路呈魚鱗狀均勻規則分布，可以看出，隨著激光頻率的增加，材料表面光斑清理的痕跡更為密集，這是由于激光頻率增大，使得相同時間內激光光斑數量增多所致。

圖4(b)激光功率為150 W、激光頻率為120 kHz，上半部分清理速度15 mm/s，光斑掃描間距較大，單點光斑較清晰；下半部分清理速度5 mm/s，光斑出現重疊現象，說明隨著激光清理速度的增大，材料表面的光斑清理痕跡越來稀疏，且點狀光斑掃描痕跡越來越明顯，清理速度越慢，單位面積的光斑重疊率越高。

圖4(c)激光頻率為120 kHz，清理速度10 mm/s，上半部分激光功率為100 W，單點光斑存在較多疏松孔，斑點邊界輪廓不明顯，掃描斑點間存在未清理不到位區域；下半部分激光功率為200 W，光斑掃描表面圓滑，一致性較好，斑點邊界輪廓明顯，無清理盲區，說明激光功率增大，單位面積接收到的脈沖能量增加，氧化層去除更徹底。

(a)Influence of laser frequency

(b)Influence of clean-up speed

(c)Influence of laser power

圖5 為200 W、135 kHz、8 mm/s激光參數下材料清理界面的截面圖。可以看出，清理面處材料組織與基體組織基本一致，說明激光清理未改變原材料組織形態，對材料組織基本無影響，后續將通過力學性能測試進一步驗證。

圖5 200 W、135 kHz、8 mm/s激光清理界面圖

2.2 化學成分分析

采用光譜儀對激光清理前、后的基材化學成分進行檢測對比分析，材料為選用8 mm厚D406A機加試板，圖6為200 W、135 kHz、8 mm/s激光清理前、后材料表面化學成分檢測圖例，檢測結果見表2，發現化學成分差異不大于0.01%，滿足GJB 1951—1994中材料成分所允許的偏差，說明激光清理對材料化學成分的影響可以接受。

2.3 力學性能分析

實驗選取退火態6 mm厚D406A板料，采用200 W、135 kHz、8 mm/s參數激光清理，后加工為基材拉伸試樣、基材彎曲試樣、焊接拉伸試樣、焊接彎曲試樣。其中焊接接頭坡口鈍邊為1 mm，坡口角度為35°，激光清理焊接坡口后采用TIG填絲焊接成型，激光清理過程如圖7所示，焊后對焊縫內部質量進行X射線檢測，焊縫滿足QJ 175—1993標準0級要求。

圖6 化學成分檢測試樣

全部試樣加工完成后分為退火、調質兩種熱處理狀態進行對比試驗，并做了硬度檢測，全部試樣經力學性能測試，結果均合格，如表3所示(表中實測值為6個樣本均值)，說明激光清理對基體材料力學性能、材料焊接質量及焊接接頭的力學性能影響可以接受。

表2 激光清理材料化學成分對比

表3 激光清理D406A基材及焊接接頭力學性能

圖7 焊接坡口激光清理過程示意圖

2.4 激光清理減薄量測試

取試驗中100 mm×50 mm×8 mm的等厚D406A板料，選取局部進行參數為200 W、135 kHz、8 mm/s的激光清理，如圖8所示，并通過測厚儀測量激光清理前、后的壁厚變化數據，如表4所示，得出激光清理的壁厚減薄量為0.01～0.02 mm，該減薄量滿足常規固體火箭發動機殼體壁厚工藝要求。

圖8 激光清理減薄試驗件

2.5 激光清理清潔度等級及粗糙度

選用200 W、135 kHz、8 mm/s激光參數清理，圖9(a)為激光清理表面宏觀組織圖，清理面呈現金屬光澤，無可見油污、氧化皮等異物，表面清理等級達到GB/T 8923.1—2011 標準Sa 2.5級，滿足焊接清理要求。圖9(b)為激光清理截面微觀組織放大圖，激光清理后從激光清理截面的微觀組織測量可知，激光清理后的輪廓幾何形狀差異約為6～7 μm，粗糙度達到Ra 6.3，而清理前原始表面粗糙度約為Ra 12.5，說明激光清理對表面微觀凹坑形貌具有修飾作用，在一定程度上可提升表面粗糙度等級。

表4 激光清理薄厚減薄數據

(a)Macro-organization (b)Micro-structure

3 產品激光清理實際應用效果

D406A超高強度鋼材料激光清理的可行性得到驗證后，選用產品焊接試板進行了自動激光清理試驗，并對焊接后的焊縫進行了清理，清理參數200 W、135 kHz、8 mm/s。可以看出，清理表面呈銀白色金屬光澤，激光清理紋路均勻性、一致性較好，完全滿足焊接要求，其形貌特征如圖10所示。該焊接試樣調質處理后力學性能測試結果全部合格，其中焊接接頭抗拉強度達1580 MPa以上，焊接接頭彎曲角65°以上。

(a)Weld the outside of the groove (b)Weld the inside of the groove (c)Weld surface cleaning

某D406A材料產品壁厚僅為0.8 mm，外表面需要焊接較大外部件，由于旋壓圓筒表面附著有一定厚度氧化皮，傳統砂輪機清理極易減薄產品壁厚，清理不徹底也給產品焊接質量控制帶來較大難度，經前期試驗，采用激光清理焊縫能夠實現氧化皮的快捷、無死角去除，避免了傳統清理方法帶來的壁厚減薄質量隱患；同時，由于激光清理徹底，使該結構產品角焊縫質量得到了有效保證，如圖11所示。

圖11 角焊縫氧化皮激光清理過程

4 結論

(1)本文通過激光清理設備清理退火態D406A超高強度鋼，當激光功率為200 W、激光頻率為135 kHz、清理速度為8mm/s時，鋼表面清理效果最好，可達到Sa 2.5級清理等級，清理面呈現銀白色金屬光澤。

(2)本文通過激光清理設備清理退火態D406A超高強度鋼，發現激光清理后對其材料化學成分的影響不大于0.01%，能滿足相關國軍標要求；激光清理退火態D406A超高強度鋼焊接坡口，其壁厚減薄約為0.01～0.02 mm，表面粗糙度及清理效果良好，能滿足焊接要求；激光清理D406A超高強度鋼焊接坡口，其焊接接頭內部質量可達到QJ 175—1993 標準0級要求。

(3)激光清理D406A退火態超高強度鋼，焊接接頭力學性能均合格，抗拉強度均值達1573.3 MPa，彎曲角均值達54.8°，能滿足工藝要求，具有可行性。