激光燒蝕鋁合金表面對其膠接接頭耐腐蝕性能的影響

朱傳敏 呂珊珊 梅 雨 林建平

1.同濟大學機械與能源工程學院,上海,2018042. 同濟大學上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室,上海,201804

激光燒蝕鋁合金表面對其膠接接頭耐腐蝕性能的影響

朱傳敏1,2呂珊珊1,2梅 雨1,2林建平1,2

1.同濟大學機械與能源工程學院,上海,2018042. 同濟大學上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室,上海,201804

采用激光對5052鋁合金進行表面燒蝕處理,對其表面物化特性進行觀察分析，并測試了其膠接接頭在鹽霧環(huán)境腐蝕后的剪切強度與失效模式。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)激光表面處理后，接頭的剩余強度在鹽霧環(huán)境腐蝕后強度增大了40%，并且失效模式由幾乎完全界面失效變成內(nèi)聚失效。經(jīng)分析測量，處理后的鋁合金表面粗糙度從0.09 μm增大到1.77 μm，并且在其表面形成了凹凸不平的多孔結(jié)構(gòu)，膠接時發(fā)現(xiàn)膠粘劑滲入其中增強了膠接界面的粘接；同時，經(jīng)過表面元素能譜分析，發(fā)現(xiàn)氧元素含量增加，鋁合金表面生成氧化鋁，也有利于增強鋁合金基體的抗腐蝕性能，證明激光表面處理可以提高膠接接頭的耐腐蝕性能。

鋁合金；激光燒蝕；膠接接頭；耐腐蝕性能

0 引言

鋁合金質(zhì)量輕、力學性能好,已經(jīng)被廣泛應用于各行業(yè)中，尤其是輕量化要求高的汽車、航天航空領(lǐng)域[1]。鋁合金構(gòu)件之間多用機械連接或膠接，因膠接結(jié)構(gòu)有增重小、成本低和應力分布均勻等優(yōu)點而得到廣泛應用[2]。但膠接結(jié)構(gòu)常暴露于惡劣環(huán)境中而導致接頭力學性能下降，進而影響其使用壽命和可靠性，因此對鋁合金膠接結(jié)構(gòu)耐腐蝕性能的研究一直是膠接技術(shù)研究中的重點[3-4]。

由于鋁與氧親和力較強，即使在干燥的空氣中鋁也容易被氧化，形成弱氧化層，從而會影響鋁合金的粘接性能，所以對鋁合金進行表面處理以改變其表面特性從而提高其粘接性能是很有必要的[5]。目前，鋁合金表面處理技術(shù)中應用較廣的是機械打磨、化學涂層等方法，但這些方法的主要作用都體現(xiàn)在對鋁合金膠接接頭基本強度的增大，并且機械打磨工藝參數(shù)難以控制，同時化學方法存在效率低、成本較高等問題[6-10]。 WU等[11]通過研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)激光處理后的鋁合金膠接接頭的強度明顯增大，且失效模式也發(fā)生了變化。目前對經(jīng)激光處理后的鋁合金膠接接頭的耐腐蝕性能的研究較少。

本文對5052鋁合金表面進行激光燒蝕處理，分析了激光處理對鋁合金表面理化特性的影響，測試了鋁合金膠接接頭經(jīng)激光處理后的基本強度與鹽霧腐蝕后的剩余強度，并分析了激光表面處理對鋁合金膠接接頭耐腐蝕性能影響的原因。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用材料為5052鋁合金，厚度為2 mm,其力學性能見表1。實驗所用膠粘劑為DOW 1486單組份結(jié)構(gòu)膠，主要成分為環(huán)氧樹脂，其力學性能見表2。

表2 DOW 1486膠粘劑的力學性能Tab.2 Mechanics properties of DOW 1486 adhesive

1.2 激光處理工藝與膠接接頭強度測試

鋁合金試片的激光處理由激光打標機Trumpf 5000系列完成，激光輸出波長為1064 nm，最大輸出功率為20 W，激光頻率在1～500 kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出激光的脈寬(即脈沖作用時間)在9～200 ns范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，掃描速率在0～10 000 mm/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，激光光斑在聚焦處的圓點直徑為67 μm。為了簡化激光處理的模式來方便實驗分析，以保證受處理區(qū)域的激光光斑均勻分布且被激光完全覆蓋，本實驗將2個激光點之間的直線距離與兩列激光的行間距設(shè)置為相等(即等于掃描速率v除以脈沖頻率f)，并設(shè)置行間距l(xiāng)=0.04 mm，激光脈沖頻率f=20 000 Hz，掃描速率v=800 mm/s。圖1為激光斑分布示意圖。由圖1可以看出，激光掃描區(qū)域為鋁合金膠接接頭搭接區(qū)域，激光掃描方向為箭頭方向所指(即鋁合金試樣的寬度方向)。

圖1 激光光斑分布示意圖Fig.1 Laser spots configuration

圖2所示為鋁合金表面經(jīng)激光處理后結(jié)構(gòu)制備鋁合金的膠接接頭試樣。將膠粘劑均勻涂覆在鋁合金表面搭接區(qū)域，經(jīng)搭接、夾具加壓后放入固化爐進行固化。膠層厚度用直徑為0.20 mm的玻璃珠控制，設(shè)定固化溫度為180±2 ℃，保溫20 min后，放室溫下靜置24 h。為了保證實驗數(shù)據(jù)可靠性，每組均設(shè)有5個試樣，共4組，即原始鋁合金表面與激光處理后所制膠接接頭各2組，分別用于室溫下與腐蝕環(huán)境后的拉伸實驗。在MTS-E45.105拉伸試驗機上測試鋁合金膠接接頭的拉剪破壞強度，拉伸速率為10 mm/s。在拉伸過程中，試樣兩端均粘有厚度為2 mm的墊片，以減小扭矩對剪切強度的影響。為模擬鋁合金膠接結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境，本文進行了鹽霧環(huán)境腐蝕實驗。實驗環(huán)境根據(jù)標準ASTM B117-2003[12]，設(shè)定溫度為35±1 ℃，氯化鈉溶液質(zhì)量濃度為50±5 g/L，噴霧壓力值為0.3 MPa，試樣在鹽霧中暴露時間為168 h。

圖2 膠接接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Joint configuration

由于激光脈沖能量高，使得鋁合金表面經(jīng)歷了高溫熔融再凝固的過程，且這一過程中鋁合金表面發(fā)生了復雜的物理化學變化[13]。為分析鋁合金經(jīng)激光處理前后的表面理化特性變化，本文進行了表面粗糙度測量，用掃描電鏡對鋁合金表面微觀形貌與膠接界面進行了觀察，并結(jié)合能譜儀對其表面進行了元素組成分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁合金經(jīng)激光表面處理表面形貌與組成分析

圖3所示為經(jīng)激光處理前后鋁合金表面粗糙度的實驗結(jié)果。由圖3可以看出，原始表面粗糙度只有0.09 μm,而經(jīng)激光處理后的表面粗糙度增大到1.77 μm，是原始表面粗糙度的19倍。圖4所示為鋁合金經(jīng)激光處理前后的表面形貌。因鋁合金表面金屬經(jīng)過高溫熔融后再凝結(jié)，故在其表面形成了多孔的凹凸不平的表面，孔的直徑為5～7 μm。鋁合金基體的表面形貌對其膠接性能

圖3 激光處理前后的鋁合金表面粗糙度Fig.3 Surface roughness before & after laser ablation

的影響有重要作用。而經(jīng)激光處理后形成的多孔的凹凸不平的表面形貌，因孔徑較大，易于膠粘劑的滲入，進而有利于增強膠接界面的機械連接。

(a)原始表面

(b)激光處理后圖4 鋁合金表面形貌Fig.4 Effect of laser ablation on surface texture of Al alloy

鋁合金表面經(jīng)激光處理后，不僅改變了其物理形貌，也改變了其化學組成。主要是由于在高溫燒蝕下，鋁更容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應。表3所示為鋁合金激光表面處理前后的元素組成。由表3可以看出，經(jīng)激光表面處理后的氧元素含量明顯增加，說明生成了新的氧化鋁。

表3 鋁合金表面激光處理前后元素組成Tab.3 The elemental composition of Al %

2.2 激光表面處理對鋁合金膠接接頭耐腐蝕性能的影響

為分析激光表面處理對鋁合金膠接接頭耐腐蝕性能的影響，分別對置于室溫24 h和鹽霧環(huán)境168 h后的鋁合金膠接接頭做了拉伸測試，圖5所示為實驗結(jié)果。由圖5可以看出，置于室溫24 h后拉伸的膠接接頭，原始表面的接頭強度為17.13 MPa,經(jīng)激光表面處理后的剪切強度為19.06 MPa，較初始表面的膠接接頭增大了約11%；而經(jīng)過168 h鹽霧環(huán)境后拉伸的膠接接頭，原始表面的膠接接頭的剩余強度為13.12 MPa,經(jīng)激光表面處理后的剩余強度為18.21 MPa,比未經(jīng)處理的膠接接頭增大了約40%。同時，比較強度減小百分比可以發(fā)現(xiàn)，原始表面的膠接接頭剪切強度在被鹽霧腐蝕后減小了23.41%，而經(jīng)激光處理后的膠接接頭強度只減小了4%。

圖5 膠接接頭拉剪強度Fig.5 Lap-shear strength of adhesive-bonded Al joints

膠接接頭的腐蝕通常分為腐蝕介質(zhì)對膠接界面、膠層與被粘物表面的腐蝕三部分。由于本文中經(jīng)激光處理前后所用的膠粘劑不變，所以不討論腐蝕介質(zhì)對膠層的影響。腐蝕介質(zhì)通過膠層或界面滲入到膠接結(jié)構(gòu)并擴散，會引起被粘鋁合金表面產(chǎn)生電化學腐蝕，由此產(chǎn)生的氧化層會替代鋁合金基體與膠粘劑之間原有的粘接；同時，腐蝕介質(zhì)在界面的迅速擴散也會破壞膠粘劑與被粘物之間原來的粘接。

膠接構(gòu)件的表面狀態(tài)也會影響膠接接頭的破壞模式，膠接副在拉剪載荷作用下主要有被膠接件的拉伸破壞、膠層的剪切破壞和剝離破壞。其中，剝離破壞包括膠層剝離破壞與被膠接件的剝離破壞等多種破壞模式或幾種破壞模式的組合。 圖6為經(jīng)拉伸試驗后的膠接接頭失效模式照片。由圖6可以看出，在室溫下，原始表面與經(jīng)激光處理后的膠接接頭的失效模式差異不大，均為內(nèi)聚失效模式。但經(jīng)鹽霧腐蝕后，由于原始表面的鋁合金進入到膠接界面的腐蝕介質(zhì)(如水分子、鈉離子等)而發(fā)生電化學腐蝕，膠粘劑與鋁合金基體原有的粘接被破壞，導致失效模式呈現(xiàn)為完全界面破壞；而經(jīng)激光處理后的鋁合金表面由于粗糙不平且多孔的形貌，使得其與膠粘劑之間的粘接更加牢固，減緩了腐蝕介質(zhì)在界面的擴散速度，且由于氧化鋁的存在，鋁合金基體的抗腐蝕性能增強，阻止了電化學腐蝕的發(fā)生，其與膠粘劑之間的原有的粘接難以被破壞，所以失效模式依舊為內(nèi)聚破壞。

(a)原始表面，室溫下拉斷

(b)激光處理后，室溫下拉斷

(c)原始表面，鹽霧腐蝕后拉斷

(d)激光處理后，鹽霧腐蝕后拉斷圖6 激光表面處理對膠接接頭失效模式的影響Fig.6 Effect of laser ablation on failure mode of adhesive-bonded Al alloy

為了更清楚地分析激光表面處理對鋁合金膠接界面的影響，需要對固化后的鋁合金膠接接頭的斷面圖進行分析。圖7為激光表面處理前后的膠粘劑與鋁合金的粘接界面的斷面圖，A為鋁合金基體，B為固化后的膠粘劑。由圖7可以看出，未經(jīng)激光表面處理的膠接界面較平滑，且膠粘劑與鋁合金基體的有明顯的分界。經(jīng)激光處理的膠接界面粗糙且起伏較大，在鋁合金表面形成的凹坑深度為5～10 μm，增大了膠粘劑與鋁合金基體的接觸面積，且膠粘劑與鋁合金基體之間互相鑲嵌，說明膠粒子已滲透到鋁合金表面空隙中，從而增強了膠接界面的機械連接，同時，減緩了腐蝕介質(zhì)對膠接界面產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)語

(a)原始界面SEM照片

(b)經(jīng)激光處理后界面SEM照片圖7 激光表面處理對鋁合金膠接界面的影響Fig.7 Effect of laser ablation on adhesive-Al interface

經(jīng)激光處理后的5052鋁合金膠接接頭在鹽霧腐蝕后的剩余強度增大了40%，失效模式也由完全界面破壞改變成內(nèi)聚破壞。分析表明，激光表面處理將鋁合金表面粗糙度增大了19倍，增加了膠粘劑與鋁合金基體的接觸面積；并且形成了凹凸不平的多孔微觀形貌，孔洞直徑達到5～7 μm，使得膠粘劑能夠滲入到基體，形成更加牢固的機械粘接，也阻止了腐蝕介質(zhì)的侵入，減緩了腐蝕介質(zhì)對膠接界面的破壞。同時，經(jīng)激光處理后的鋁合金表面生成了新的氧化膜，可以增強鋁合金基體自身的耐腐蝕性能，從而也增強了鋁合金膠接界面的耐腐蝕性能。

[1] 鄭銳,林建平,吳倩倩，等.結(jié)構(gòu)膠膠接汽車車身金屬接頭抗環(huán)境腐蝕性能研究進展[J]. 材料工程,2015,43(3):98-105.

ZHENG Rui, LIN Jianping, WU Qianqian, et al. Progress in Research on Environmental Corrosion-resistance of Structural Adhesive Bonding Automotive-body Metal Joint [J]. Journal of Materials Engineering,2015,43(3):98-105.

[2] 周鵬. 鋁合金新型連接方法及接頭組織性能研究[D].西安：西安建筑科技大學,2006.

ZHOU Peng. Research on Microstructure and Properties and Joints Using a New Type of Joint Method [D]. Xi’an：Xi’an University of Architecture and Technology,2006.

[3] 李智,游敏,豐平. 膠接接頭界面理論及其表面處理技術(shù)研究進展[J]. 材料導報,2006,20(10):48-51.

LI Zhi, YOU Min, FENG Ping. A Review of Research on the Interface of Bonded Joints and Its Theories [J]. Materials Review,2006,20(10):48-51.

[4] 聶光磊. 膠接接頭的濕熱環(huán)境老化特性研究[D].大連:大連理工大學,2015.

NIE Guanglei. Aging Characteristics Study of Adhesively Bonded Joint in Hygro-thermal Environment[D]. Dalian: Dalian University of Technology,2015.

[5] WAN T T, LIU Z X, BU M Z, et al.Effect of Surface Pretreatment on Corrosion Resistance and Bond Strength of Magnesium AZ31 Alloy [J]. Corrosion Science,2013,66(1):33-42.

[6] 吳倩倩, 林建平, 康柳根,等. 潤滑油對鋼板膠接強度及環(huán)境腐蝕性能的影響[J]. 材料科學與工程學報,2015,33(1):75-79.

WU Qianqian, LIN Jianping, KANG Liugen, et al. Effect of Lubricant on Strength and Environmental Corrosion-resistance of Adhesive Bonding Steel [J]. Journal of Materials Science & Engineering,2015,33(1):75-79.

[7] 王雙紅, 劉常升, 單鳳君,等. AA6061鋁合金表面鈦鋯膜的結(jié)構(gòu)及性能研究[J]. 腐蝕科學與防護技術(shù),2008,20(6):420-423.

WANG Shuanghong, LIU Changsheng, SHAN Fengjun, et al. Corrosion Performance of Zr and Ti Containing Passivation Films for AA6061 Aluminum Alloy [J].Corrosion Science and Protection Technology,2008,20(6):420-423.

[8] 黃燕濱, 仲流石, 宋高偉,等.陽極氧化在鋁合金表面粘接技術(shù)中的應用綜述[J]. 裝備環(huán)境工程,2012,9(3):71-74.

HUANG Yanbin, ZHONG Liushi, SONG Gaowei, et al.Application of Anodic Oxidation in Surface Bonding Technology of Aluminum [J]. Equipment Environmental Engineering,2012,9(3):71-74.

[9] 馮馳, 黃運華, 申玉芳,等. 不同表面狀態(tài)對6061鋁合金耐蝕性能的影響研究[J]. 裝備環(huán)境工程,2015,12(4):100-104.

FENG Chi, HUANG Yunhua, SHEN Yufang, et al. Effect of Surface Status on the Corrosion Resistance of 6061 Aluminum Alloy [J]. Equipment Environmental Engineering,2015,12(4):100-104.

[10] 鄭麗, 魏曉偉, 羅松. 鋁基體對陽極氧化膜的影響[J]. 表面技術(shù),2013,42(1):39-41.

ZHENG Li, WEI Xiaowei, LUO Song.Effect of the Aluminum Matrix on Anodic Oxidation Film [J]. Surface Technology,2013,42(1):39-41.

[11] WU Y, LUB J, CARLSON B E, et al. Effect of Laser Ablation Surface Treatment on Performance of Adhesive-bonded Aluminum Alloys [J]. Surface & Coatings Technology,2016,304:340-347.

[12] ASTM B117-03 Standard Practice for Operating Salt Spray Apparatus[S]. West Conshohocken, PA: ASTM International,2003.

[13] RAHMAN M M, MALLIK A K, KHAN M A. Influences of Various Surface Pretreatments on the Mechanical and Degradable Properties of Photografted Oil Palm Fibers [J]. Journal of Applied Polymer Science,2007,105(5):3077-3086.

EffectsofLaserAblationonCorrosionResistanceofAdhesive-bondedAluminumJoint

ZHU Chuanmin1,2LYU Shanshan1,2MEI YU1,2LIN Jianping1,2

1.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai,201804 2.Tongji University Shanghai Key Lab of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems, Shanghai,201804

Physicochemical properties of surfaces were analyzed after laser-treated for aluminum 5052. And lap-shear strength and failure mode of adhesive joints were tested under salt spray environments. The results show that the residual strength of adhesive-bonded laser ablated aluminum alloys increases by 40% after salt spray environments, and the failure mode transferres to cohesive failure from interfacial failure. The values of surface roughness are improved from 0.09 μm to 1.17 μm, and a concavo-convex porous structure formed by laser ablation. It shows that the adhesive may penetrate into the substrates so that the interface is enhanced. Also, more oxygen elements are found on the surfaces after laser ablation which may improve the corrosion resistance of aluminum substrates.

aluminum alloy; laser ablation; adhesive joint; corrosion resistance

TG495

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.018

2017-01-03

國家自然科學基金資助項目(51575397)

(編輯胡佳慧)

朱傳敏，男，1969年生。同濟大學機械與能源工程學院副教授、博士研究生導師。主要研究方向為機械加工及計算機輔助技術(shù)、成形理論與先進材料連接技術(shù)。發(fā)表論文30余篇。E-mail:01065@#edu.cn。呂珊珊，女，1992年生。同濟大學機械與能源工程學院碩士研究生。梅雨，女，1992年生。同濟大學機械與能源工程學院碩士研究生。林建平，男，1958年生。同濟大學機械與能源工程學院教授、博士研究生導師。