激光參數(shù)對鈦合金薄板毛化形貌的影響

王妍琴，謝蘭生，周希文，黃 珺

(1．南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

(2．中國直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

激光毛化過程從本質(zhì)上說是一種激光表面重熔過程，但激光毛化加工時激光與材料作用時間很短，比一般的激光表面重熔時間要短得多，導致材料熔化與冷卻速度極高，因此，激光毛化的物理機制、毛化點的微觀形貌和晶粒組織結(jié)構與普通激光表面重熔相比并不相同。鈦合金薄板的激光毛化是逐點毛化，毛化的坑點形成可控幾何間距和合理的表面形貌。目前，國內(nèi)對于激光毛化的研究大都集中在軋輥和拉伸模具的表面處理，摩擦和潤滑條件的改善，以及提高軋輥和模具的使用壽命上 。鈦合金薄板的激光毛化工藝難點在于如何調(diào)節(jié)各個激光參數(shù)，使薄板不被擊穿，達到要求的形貌效果。本文研究的目的在于得到合適的毛化形貌，增大鈦合金薄板和槳葉的粘結(jié)強度。

1 激光參數(shù)控制實驗

要想獲得制備鈦合金薄板毛化形貌的可行方案，首先要研究激光電流、脈沖寬度、離焦量、脈沖頻率、加工速度等參數(shù)對于毛化形貌的影響。實驗采用BD-JG-600型多功能激光加工機，如圖1所示。

激光器的基本參數(shù)見表1。

試樣材料為TC4薄板，尺寸為3mm×3mm×0．25mm。用砂紙對試樣表面進行手工研磨，并用丙酮清洗表面，放入干燥器皿中備用。

圖1 激光器

表1 激光器基本參數(shù)

工藝流程為：(1)將試樣裝夾在工作臺上，定位，調(diào)節(jié)激光參數(shù);(2)使用調(diào)節(jié)好的參數(shù)在試樣的中部位置加工毛化點;(3)用丙酮溶液清洗毛化后試樣的加工面，去除試樣表面在激光毛化過程中產(chǎn)生的金屬熔化小顆粒及其他臟物，晾干待用;(4)使用三維形貌測量儀測試每組熔池凹坑幾何尺寸，每組測4個點，取平均值;(5)測量毛化板的表面粗糙度，每組取4次，取平均值;(6)分析測量獲得的數(shù)據(jù)，計算出每組毛化點的平均幾何尺寸和表面粗糙度值。觀察毛化后試樣是否發(fā)生彎曲變形，觀察熔池是否貫穿板料，并選出優(yōu)化的毛化工藝參數(shù)。

對于激光輸入電流、脈沖寬度、離焦量和加工速度4個主要因素采用單因素輪換法進行實驗。輔助氣體選用惰性氣體氬氣，吹氣方向與水平方向成45°夾角。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 激光輸入電流對毛化微觀形貌影響

為了分析激光電流單因素對毛化形貌的影響，固定以下參數(shù)：脈寬為1ms，激光頻率為1Hz，離焦量為0，加工速度為50mm/min，氬氣保護。圖2和3所示為不同激光電流下毛化形貌和幾何統(tǒng)計的圖片。圖4是電流對粗糙度的影響。

圖2 不同激光電流下的毛化形貌

圖3 不同激光電流下的幾何統(tǒng)計

圖4 電流對粗糙度的影響

實驗結(jié)果表明，激光輸入電流對微凸體的高度、直徑影響是很大的，毛化形成的微凸體與激光熔凝金屬的體積密切相關。能量比較低的時候，熔化金屬就比較少，因此微凸體高度和直徑值均較小。由于試驗用材是0．25mm厚的薄板，過大的電流可能造成薄板擊穿，所以要找到合適的電流參數(shù)。經(jīng)實驗驗證，在固定脈寬、頻率、加工速度和離焦量的情況下，電流在70A時，薄板背面有燒灼痕跡。因此，峰值電流不能超過70A，而激光器要求的最低電流是60A，只能在此電流區(qū)間內(nèi)尋求最佳值。

2.2 激光單脈沖寬度對毛化微觀形貌影響

固定激光輸入電流為60A，頻率1Hz，離焦量為0，加工速度50mm/min，氬氣保護。調(diào)整脈寬分別為1ms、2ms、3ms。不同脈寬下毛化形貌和微凸體幾何參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 不同脈寬下毛化形貌

圖6 不同脈寬下微凸體幾何參數(shù)統(tǒng)計

圖7 (a)中所測毛化點直徑為與掃描方向垂直的直徑，即為毛化點橢圓形貌的短軸直徑?？梢?，在所采用的幾種重復頻率(重復頻率不變時掃描速度不變)毛化時，脈寬從1ms增大到3ms，毛化點的大小隨著激光脈沖寬度增加而增大，兩者幾乎成線性關系。這說明在激光快速毛化過程中，熔池內(nèi)主要變化是熔化，激光脈寬增加，單脈沖能量線性增加，熔池的大小和深度相應增大。與此同時，粗糙度值也隨之增加，如圖7所示。

圖7 不同的脈寬對于粗糙度的影響

2.3 離焦量對微凸體形貌幾何參數(shù)的影響

離焦量對毛化坑型的大小和深度影響也較大，實驗中，通過調(diào)整不同的離焦量觀察毛化效果。固定激光輸入電流為60A，頻率1Hz，脈寬為1ms，加工速度為50mm/min，氬氣保護。調(diào)整離焦量分別為1．0mm、1．5mm、2．0mm。不同離焦量下微凸體高度和直徑分布統(tǒng)計結(jié)果見表2。圖8所示為不同的離焦量對于表面粗糙度的影響。

表2 不同離焦量下的幾何形貌

實驗結(jié)果表明，在正負離焦位置都可以得到微凸體形貌;微凸體的高度值隨著離焦量的增加而減小，微凸體的直徑隨著離焦量的增加而增大。這是因為隨著離焦量的增加，激光在材料表面光斑直徑增大，激光能量密度減小;在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，離焦量與微凸體高度變化是單調(diào)遞減的，與毛化的直徑是單調(diào)遞增的。粗糙度也隨著離焦量的增加而減小。在實際的生產(chǎn)過程中，要根據(jù)具體的形貌要求來選擇離焦量的大小。

圖8 不同的離焦量對于表面粗糙度的影響

2.4 激光脈沖頻率對毛化點大小的影響

在脈寬和其他參數(shù)保持不變時，即單脈沖能量基本不變，隨著脈沖頻率由1Hz增大到3Hz，毛化點直徑有所減小，不過減小量較少。在激光峰值功率一定時，毛化點的大小主要由單脈沖能量決定，由于激光頻率增大時，激光脈沖峰值功率有所下降，導致單脈沖能量減小，因而使毛化點的直徑有所減小。

2.5 掃描速度對毛化點橢圓度的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，加工速度對毛化的微觀形貌也有著影響。激光毛化過程中，工作臺以一定的速度平動，在頻率一定的情況下，加工速度越大，點密度越小，但是加工速度超過一定程度，形成的毛化點將成為一個橢圓形狀。圖9所示為掃描速度對毛化點橢圓度的影響，圖10所示為掃描速度對粗糙度的影響。由圖可知，掃描速度越快，橢圓度、粗糙度越大。各種參數(shù)下毛化點都存在一定的橢圓度，可以通過提高激光脈沖峰值功率、增大脈沖寬度來減小毛化點的橢圓度，還可以利用側(cè)吹氣體對熔池的影響，改善毛化點形貌。

2.6 其他因素對于毛化形貌的影響

毛化時側(cè)吹氣體的角度和壓力對毛化點的形貌也有一定影響，通過實驗，側(cè)吹氣角度為45°時毛化成型效果比較好。吹氣壓力過大或過小都不利于毛化點的形成，一般氣壓范圍選擇為0．05～0．20MPa。

圖9 掃描速度對毛化點橢圓度的影響

圖10 掃描速度對粗糙度的影響

3 結(jié)束語

鈦合金薄板的激光毛化實驗表明，通過控制激光電流、脈沖寬度、離焦量和加工速度，并采用氬氣作為輔助氣體，可以加工出具有一定表面粗糙度的微凸體形貌。實驗加工基本參數(shù)為：輸入電流60A，激光掃描頻率1Hz，脈寬1ms，氬氣保護。采用數(shù)理統(tǒng)計方法得到的微凸體形貌基本幾何參數(shù)為：高度 2．25～2．65μm，x方向直徑約 264 ～366μm，y方向直徑約268～375μm，表面粗糙度在Ra0．7～1．2之間，幾何尺寸與形貌基本達到預期的設計要求。激光毛化之后的薄板因為有微凸體，所以表面粗糙度也相應提高。這種形貌，將會有利于鈦合金薄板與復合材料之間的粘結(jié)。

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