王妍琴，謝蘭生，周希文，黃 珺

(1．南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

(2．中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

激光毛化過(guò)程從本質(zhì)上說(shuō)是一種激光表面重熔過(guò)程，但激光毛化加工時(shí)激光與材料作用時(shí)間很短，比一般的激光表面重熔時(shí)間要短得多，導(dǎo)致材料熔化與冷卻速度極高，因此，激光毛化的物理機(jī)制、毛化點(diǎn)的微觀形貌和晶粒組織結(jié)構(gòu)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(diǎn)毛化，毛化的坑點(diǎn)形成可控幾何間距和合理的表面形貌。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(rùn)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(diǎn)在于如何調(diào)節(jié)各個(gè)激光參數(shù)，使薄板不被擊穿，達(dá)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(qiáng)度。

1 激光參數(shù)控制實(shí)驗(yàn)

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(duì)于毛化形貌的影響。實(shí)驗(yàn)采用BD-JG-600型多功能激光加工機(jī)，如圖1所示。

激光器的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

試樣材料為T(mén)C4薄板，尺寸為3mm×3mm×0．25mm。用砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)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(tái)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(diǎn);(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(guò)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(cè)量?jī)x測(cè)試每組熔池凹坑幾何尺寸，每組測(cè)4個(gè)點(diǎn)，取平均值;(5)測(cè)量毛化板的表面粗糙度，每組取4次，取平均值;(6)分析測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出每組毛化點(diǎn)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(duì)于激光輸入電流、脈沖寬度、離焦量和加工速度4個(gè)主要因素采用單因素輪換法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光輸入電流對(duì)毛化微觀形貌影響

為了分析激光電流單因素對(duì)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(hù)。圖2和3所示為不同激光電流下毛化形貌和幾何統(tǒng)計(jì)的圖片。圖4是電流對(duì)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(jì)

圖4 電流對(duì)粗糙度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光輸入電流對(duì)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(guān)。能量比較低的時(shí)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(yàn)用材是0．25mm厚的薄板，過(guò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，薄板背面有燒灼痕跡。因此，峰值電流不能超過(guò)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(duì)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(hù)。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(jì)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(jì)

圖7 (a)中所測(cè)毛化點(diǎn)直徑為與掃描方向垂直的直徑，即為毛化點(diǎn)橢圓形貌的短軸直徑?？梢?jiàn)，在所采用的幾種重復(fù)頻率(重復(fù)頻率不變時(shí)掃描速度不變)毛化時(shí)，脈寬從1ms增大到3ms，毛化點(diǎn)的大小隨著激光脈沖寬度增加而增大，兩者幾乎成線性關(guān)系。這說(shuō)明在激光快速毛化過(guò)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(yīng)增大。與此同時(shí)，粗糙度值也隨之增加，如圖7所示。

圖7 不同的脈寬對(duì)于粗糙度的影響

2.3 離焦量對(duì)微凸體形貌幾何參數(shù)的影響

離焦量對(duì)毛化坑型的大小和深度影響也較大，實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)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(hù)。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(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。圖8所示為不同的離焦量對(duì)于表面粗糙度的影響。

表2 不同離焦量下的幾何形貌

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正負(fù)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?yàn)殡S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(shí)驗(yàn)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(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，要根據(jù)具體的形貌要求來(lái)選擇離焦量的大小。

圖8 不同的離焦量對(duì)于表面粗糙度的影響

2.4 激光脈沖頻率對(duì)毛化點(diǎn)大小的影響

在脈寬和其他參數(shù)保持不變時(shí)，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(diǎn)直徑有所減小，不過(guò)減小量較少。在激光峰值功率一定時(shí)，毛化點(diǎn)的大小主要由單脈沖能量決定，由于激光頻率增大時(shí)，激光脈沖峰值功率有所下降，導(dǎo)致單脈沖能量減小，因而使毛化點(diǎn)的直徑有所減小。

2.5 掃描速度對(duì)毛化點(diǎn)橢圓度的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，加工速度對(duì)毛化的微觀形貌也有著影響。激光毛化過(guò)程中，工作臺(tái)以一定的速度平動(dòng)，在頻率一定的情況下，加工速度越大，點(diǎn)密度越小，但是加工速度超過(guò)一定程度，形成的毛化點(diǎn)將成為一個(gè)橢圓形狀。圖9所示為掃描速度對(duì)毛化點(diǎn)橢圓度的影響，圖10所示為掃描速度對(duì)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(diǎn)都存在一定的橢圓度，可以通過(guò)提高激光脈沖峰值功率、增大脈沖寬度來(lái)減小毛化點(diǎn)的橢圓度，還可以利用側(cè)吹氣體對(duì)熔池的影響，改善毛化點(diǎn)形貌。

2.6 其他因素對(duì)于毛化形貌的影響

毛化時(shí)側(cè)吹氣體的角度和壓力對(duì)毛化點(diǎn)的形貌也有一定影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，側(cè)吹氣角度為45°時(shí)毛化成型效果比較好。吹氣壓力過(guò)大或過(guò)小都不利于毛化點(diǎn)的形成，一般氣壓范圍選擇為0．05～0．20MPa。

圖9 掃描速度對(duì)毛化點(diǎn)橢圓度的影響

圖10 掃描速度對(duì)粗糙度的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

鈦合金薄板的激光毛化實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(hù)。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。激光毛化之后的薄板因?yàn)橛形⑼贵w，所以表面粗糙度也相應(yīng)提高。這種形貌，將會(huì)有利于鈦合金薄板與復(fù)合材料之間的粘結(jié)。

［1］ 趙新，金杰，姚建銓?zhuān)す獗砻娓男约夹g(shù)的研究與發(fā)展［J］．光電子·激光，2000，11(3)：324-328．

［2］ 劉瑩，陳大融，楊文言．軋輥表面微凸體形貌激光毛化技術(shù)的試驗(yàn)研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39(7)：107-110．

［3］ 熊惟皓．模具表面處理與表面加工［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［4］ 晃擁軍．工模具材料強(qiáng)化處理應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．