激光切割技術(shù)在鈦合金鍛件上的應(yīng)用研究

文／黃定輝，王治平，魏麗，洪鑫，仲惟光，蘇化冰，楊恩超·無錫透平葉片有限公司

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，鈦合金一直是航空航天工業(yè)的“脊柱”之一，近年來，鈦合金在石油、化工、冶金、生物醫(yī)學(xué)和體育用品等領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用，并已成為新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備不可缺少的金屬材料，鈦工業(yè)進(jìn)入一個新的蓬勃發(fā)展時期。各類結(jié)構(gòu)、各種尺寸的鈦合金零部件相繼出現(xiàn)，對鈦合金零部件加工的各種嘗試也逐漸開展起來。

一般而言，激光切割具有切縫窄、速度快、熱變形小、質(zhì)量高、省材省工時、切割范圍廣、加工靈活性好、容易實(shí)現(xiàn)自動化、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，激光切割技術(shù)的應(yīng)用范圍也很寬，目前已應(yīng)用于切割鋼板、不銹鋼、厚度1.5mm 左右的鈦板以及鉭、鈮、鎳、銅、鋅、鋁、石英、陶瓷、半導(dǎo)體材料等，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋食品、醫(yī)藥、電子、紡織、汽車工業(yè)及航空航天等，但在更厚尺寸的鈦合金板材或鍛件上的應(yīng)用未見報道。

在鍛造行業(yè)，結(jié)構(gòu)鋼及不銹鋼鍛件的飛邊及連皮已大量采用激光切邊技術(shù)，而在鈦合金鍛件上激光切割技術(shù)在國內(nèi)仍屬于禁用或限用工藝。但隨著激光切割設(shè)備日新月異的發(fā)展，激光設(shè)備功率的提升和激光切割氣氛的多樣化，給激光切割鈦合金鍛件的高質(zhì)量應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。因此，激光切割技術(shù)在鈦合金鍛件上的應(yīng)用研究就更有意義了。

試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

選取不同厚度的TC11 鈦合金材料，分別在輔助氣體為O2、功率為3000W 的激光設(shè)備及輔助氣體為N2、功率為15000W 的激光設(shè)備上進(jìn)行切割試驗(yàn)。試驗(yàn)料外觀及對應(yīng)厚度尺寸見圖1 和表1。對切割后試驗(yàn)材料的切割面進(jìn)行宏觀和微觀組織形貌觀察，通過高倍金相組織形貌評估不同激光器切割條件下熱影響層深度，并通過顯微硬度進(jìn)行熱影響層厚度的驗(yàn)證評估。

圖1 激光切割用試驗(yàn)料外觀形貌

表1 試驗(yàn)料編號與厚度尺寸

試驗(yàn)結(jié)果與分析

在每組試驗(yàn)料切割前都會在相應(yīng)厚度的材料上進(jìn)行切割參數(shù)調(diào)試，調(diào)試包括調(diào)節(jié)激光功率、切割速度、調(diào)整透鏡焦平面距離工件的距離以及輔助氣體噴嘴形狀、大小等參數(shù)，通過調(diào)整找到最佳的切割參數(shù)后再進(jìn)行實(shí)物的切割。

3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割鈦合金的應(yīng)用研究

3000W 功率、O2輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌見圖2，對應(yīng)顯微組織見圖3。從其宏觀和顯微組織上看，此條件下激光切割鈦合金鍛件的切割面凹凸不平、氧化現(xiàn)象明顯，且切割面凹凸程度及熱影響層厚度隨切割厚度的增加而增加，這與鈦合金熱傳導(dǎo)率差及其易與O2反應(yīng)的特性有關(guān)。O2在冷卻激光透鏡及噴嘴的同時，鈦合金與O2發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)并放出大量熱量，因鈦合金導(dǎo)熱率差熱量難以擴(kuò)散而集聚，便產(chǎn)生了切割面凹凸不平的氧化結(jié)果，而O2起到一定的助燃作用，使得激光切割過程中發(fā)出耀眼白光，且因?yàn)橹?，其在切割過程中未出現(xiàn)切割功率不足而難以切割的現(xiàn)象，切割厚度可不受限。但隨切割鍛件厚度的增加，氧化程度加劇明顯。

圖2 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌

圖3 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割不同厚度試料熱影響層形貌

為評估金相熱影響層厚度的可信度，選取3#金相試樣進(jìn)行維氏硬度檢測以佐證金相評估方法。維氏硬度檢測均按加載0.5kg，保載12s 進(jìn)行，檢測結(jié)果見圖4，通過金相組織評估其熱影響層深度為2.58mm，通過維氏硬度評估其熱影響層深度為2.49mm，由此證明通過金相組織評估激光切割熱影響層深度的方法可信。

圖4 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割25mm 厚試料熱影響層維氏硬度檢測情況

3000W 功率、O2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件表面通過金相組織對比其熱影響層深度見圖3，結(jié)合切割過程中氧化凹凸影響的深度結(jié)果，統(tǒng)計出不同厚度下切割總影響深度(總影響深度包括熱影響層和氧化凹坑深度)結(jié)果見圖5。由圖5 可以看出，當(dāng)切割試料厚度由13mm增大到25mm時其總影響深度從3.81mm 增大到4.88mm，此影響深度已經(jīng)超過了鍛件的設(shè)計余量，在鍛件飛邊切割、連皮切割及粗加工上不具備使用條件。

圖5 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割不同厚度試料與總影響層深度對應(yīng)關(guān)系

15000W 功率、N2 輔助條件下激光切割鈦合金的應(yīng)用研究

15000W 功率、N2輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌見圖6，對應(yīng)顯微組織見圖7。從其宏觀和顯微組織上看，此條件下激光切割鈦合金鍛件的切割面較為平坦且顯示為光亮的金屬光澤，氧化現(xiàn)象不明顯，切割面熱影響層厚度隨切割厚度的增加而增加，熱影響層厚度較3000W 功率、O2輔助條件下薄很多，這與鈦合金不易與N2反應(yīng)的化學(xué)特性有關(guān)，但隨著切割試料厚度的增加，在切割中因熱量聚集時間加長，氧化現(xiàn)象不可避免，因此，隨切割試料厚度增加其熱影響層厚度會增加。

圖6 15000W 功率、N2 輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌

圖7 激光切割不同厚度試料熱影響層形貌

此條件下的切割過程中光束能量較O2輔助條件下弱，切割更厚試料時，為保障表面氧化程度可接受需要進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)試，但調(diào)整后會出現(xiàn)切割不透的現(xiàn)象，因此，若要保障切割面的質(zhì)量，切割更厚的試料需更大功率的激光切割設(shè)備。

15000W 功率、N2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件表面通過金相組織對比其熱影響層深度見圖7，統(tǒng)計出不同厚度下切割熱影響深度結(jié)果見圖8，由圖8可以看出，當(dāng)切割試料厚度由13mm增大到25mm時其熱影響深度從0.09mm 增大到1.16mm，該熱影響深度還在鍛件的設(shè)計余量范圍內(nèi)，在鍛件飛邊切割、連皮切割及粗加工上具備使用條件。

圖8 15000W 功率、N2 輔助條件下激光切割不同厚度試料與熱影響層深度對應(yīng)關(guān)系

結(jié)論及展望

3000W 功率、O2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件，因鈦與O2極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且O2具有助燃作用，可切割較厚的鈦合金鍛件，但在切割表面出現(xiàn)明顯凹凸不平現(xiàn)象且熱影響層較厚，試料厚度由13mm 增加到25mm時其總影響深度從3.81mm增大到4.88mm，該影響深度已經(jīng)超過了鍛件的設(shè)計余量，不具備推廣應(yīng)用的條件。

15000W 功率、N2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件，因鈦與N2不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可切割鈦合金鍛件厚度有限，但其切割表面光滑且熱影響層較薄，試料厚度由13mm 增大到25mm 時其總影響深度從0.09mm 增大到1.16mm，該影響深度仍在鍛件的設(shè)計余量范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，更大功率的激光設(shè)備在不斷研發(fā)、惰性輔助氣體的應(yīng)用更為多樣化，大功率、惰性氣體輔助的激光設(shè)備用于鈦合金鍛件的加工就顯示出了明顯的效率、成本和環(huán)保優(yōu)勢。激光切割技術(shù)在鈦合金鍛件加工上的“禁用、限用”的約束也必將隨著激光技術(shù)的發(fā)展而被放開。