侯紅玲

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

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激光切割對(duì)鋁合金材料的力學(xué)性能影響分析

侯紅玲

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

[摘要]為了探索激光切割技術(shù)對(duì)鋁合金材料力學(xué)性能和疲勞性能的影響，采用試驗(yàn)分析方法,用機(jī)械銑削和激光切割方法分別制備了兩類(lèi)試件，對(duì)其進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)以及切割表面質(zhì)量評(píng)估。對(duì)比分析了兩種加工方式對(duì)其力學(xué)性能和疲勞壽命的影響,分析結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)激光切割后鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度、延伸率均有所下降，但屈服強(qiáng)度稍有增加；激光切割后的疲勞壽命比機(jī)械銑削試件疲勞壽命短，但切縫若經(jīng)過(guò)打磨處理，其壽命又高于不打磨的試件壽命；同時(shí)通過(guò)表面精度測(cè)量分析，激光加工鋁合金雖然存在掛渣，但仍有較高的表面質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]鋁合金;激光切割；切割質(zhì)量；疲勞壽命

近年來(lái)激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種加工領(lǐng)域,如激光切割、激光焊接、激光制孔、激光雕刻、激光3D打印、光化學(xué)沉積、立體光刻、激光雕刻刻蝕等[1-2]。國(guó)外汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中，普遍采用三維激光切割機(jī)對(duì)覆蓋件、門(mén)板等進(jìn)行精確切邊，再采用激光焊接機(jī)械手進(jìn)行高質(zhì)量自動(dòng)焊接，不僅確保產(chǎn)品質(zhì)量，而且生產(chǎn)效率極高[3]。盡管如此，但對(duì)于具有高反射率的材料，如鋁合金，由于對(duì)激光束能量吸收率低，切割質(zhì)量難以控制，容易出現(xiàn)熱致微裂紋、掛渣、條紋等現(xiàn)象，直接影響切割縫表面質(zhì)量、尺寸精度以及力學(xué)性能等[4-5]。

本文以飛機(jī)蒙皮材料2A12硬鋁合金為例,主要探索高反射率材料激光切割后力學(xué)性能和壽命的變化情況，并與常規(guī)機(jī)械加工的試件進(jìn)行對(duì)比，分析變化原因，以確定激光加工這一先進(jìn)制造技術(shù)是否可以應(yīng)用到高反射率材料的加工。

1試驗(yàn)材料及方法

2A12屬于一種硬鋁合金，強(qiáng)度高，有一定的耐熱性。由于綜合性能較好，廣泛用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)蒙皮，常采用機(jī)械銑切的加工方式，至今未使用激光切割。試驗(yàn)材料選用厚度2.5 mm的板件2A12鋁合金，這種材料的機(jī)械及物理性能如表1所示。

表1　2A12合金的機(jī)械及物理性能

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002對(duì)拉伸試件的要求,設(shè)計(jì)拉伸試件如圖1(a)所示；同時(shí)按照GB/T26076—2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)疲勞試件的要求，設(shè)計(jì)了疲勞試件如圖1(b)所示。

(a) 拉伸試樣　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 疲勞試樣圖1　拉伸和疲勞試樣

2試樣制備

在日本馬扎克SUPER TURBO-X 510 MKII 2.5 kW激光加工機(jī)上，根據(jù)圖1試件尺寸，按表2中的工藝參數(shù)，分別切割出圖2所示的拉伸和疲勞2A12鋁合金測(cè)試試樣，并進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)號(hào)，以示區(qū)別。

表2　激光切割工藝參數(shù)

(a) 拉伸試件　　　　　　　　　　(b) 疲勞試件圖2　加工的鋁合金拉伸和疲勞試件

2.1拉伸試樣

拉伸試樣按圖1(a)標(biāo)準(zhǔn)，分別采用機(jī)械銑削和激光切割共獲得6個(gè)試件，分為兩組，如圖2(a)所示，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以確定2A12鋁合金激光加工后抗拉強(qiáng)度和延伸率的變化。

2.2疲勞試樣

按圖1(b)標(biāo)準(zhǔn)分別也用機(jī)械銑削和激光切割獲得具有相同尺寸、形狀及表面形態(tài)的9個(gè)試件，分為3組,每組3個(gè)試件，并做相應(yīng)的標(biāo)記。一組為激光切割且切割面打磨過(guò)，用紅色筆寫(xiě)數(shù)字1、2、3標(biāo)記；另一組為激光切割但切割面沒(méi)有打磨,用紅色筆寫(xiě)數(shù)字4、5、6標(biāo)記。還有一組為銑削試件，用黑色筆注1、2、3做以標(biāo)記；疲勞切割試樣如圖2(b)所示。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1拉伸性能測(cè)試

激光切割過(guò)程存在著復(fù)雜的物理變化，高能量激光束照射工件表面，部分光束能量被反射，剩余部分被材料吸收，所吸收的激光能量被迅速轉(zhuǎn)化為熱能，造成切割點(diǎn)處的溫度不斷上升至熔化乃至氣化溫度，在切割區(qū)域發(fā)生熔化和氣化現(xiàn)象。文獻(xiàn)[6-7]提到，在激光切割時(shí)板材兩側(cè)會(huì)發(fā)生明顯的組織和性能變化。對(duì)于高反射率材料，如文中的2A12鋁合金，激光切割后，試件性能會(huì)發(fā)生多大變化？

抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等是材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)[8]，可以反映出金屬材料的力學(xué)性能。根據(jù)單向拉伸試驗(yàn)，對(duì)形狀及尺寸相同的激光切割試件和機(jī)械銑切試件分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，將兩組試件夾持在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸直至斷裂，獲得拉伸曲線(xiàn)如圖3，性能指標(biāo)如表3示。

圖3　拉伸曲線(xiàn)

圖4　加載方式

性能指標(biāo)銑切試樣激光試樣抗拉強(qiáng)度/MPa420.84412.27延伸率/%7.86.4屈服強(qiáng)度/MPa395.37380

與表1中2A12鋁合金原始材料的各項(xiàng)指標(biāo)相比較，可以看出，通過(guò)機(jī)械加工后，抗拉強(qiáng)度由材料的470 MPa降到420 MPa，激光切割后，抗拉強(qiáng)度由470 MPa降到412 MPa；機(jī)械加工后延伸率由10%降到7.8%，激光切割后，由10%降到6.4%；同時(shí)激光加工后屈服強(qiáng)度增加到380 MPa。以上指標(biāo)與機(jī)械銑切試件相比較，各項(xiàng)指標(biāo)均有所下降，但變化不大，對(duì)于力學(xué)性能有影響但不大。

之所以會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是由于激光切割過(guò)程中在試件附近產(chǎn)生熱影響區(qū)，引起組織和性能的變化，從而降低了力學(xué)性能指標(biāo)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)改善工藝過(guò)程、工藝參數(shù)以及改善鋁合金表面的吸收率，均可減少對(duì)性能的影響。

3.2疲勞壽命測(cè)試

試驗(yàn)中2A12硬鋁合金試件厚度2.5 mm，屬于薄壁材料，為了避免試樣在分析中產(chǎn)生彎曲變形，進(jìn)行單向拉伸和應(yīng)變-壽命疲勞試驗(yàn)[9-10]，循環(huán)應(yīng)力類(lèi)型選用不對(duì)稱(chēng)拉伸加載方式(見(jiàn)圖4)，取中等應(yīng)力水平，應(yīng)力比R=0.1，其σmax=220 MPa,σmin=22 MPa。

在QBG-50型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上，按圖4加載，在室溫下進(jìn)行軸向拉-拉疲勞測(cè)試。該試驗(yàn)中，循環(huán)應(yīng)力是疲勞失效的控制參數(shù)，對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)直至發(fā)生斷裂，分別記錄下硬鋁合金機(jī)械加工試件、激光切割切縫不打磨試件以及激光切割切縫打磨試件在相同應(yīng)力下，發(fā)生斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的最大循環(huán)次數(shù)如表4所示。

表4　疲勞壽命測(cè)量

測(cè)量數(shù)據(jù)處理后如圖5所示，可以明顯看出，3種不同類(lèi)型的試件，在相同的應(yīng)力循環(huán)下，壽命不同，即Nf 3>Nf 2>Nf 1，機(jī)械銑削方式的試件疲勞要高于激光切割，而切縫處打磨的試件壽命高于切割縫不打磨的試件壽命。

圖5　2A12鋁合金試件不同切割方式壽命對(duì)比

由此可以推斷，機(jī)械銑削切方式對(duì)鋁合金性能影響小，而激光切割鋁合金過(guò)程中由于產(chǎn)生大量的熱，對(duì)切縫處有一定的影響，導(dǎo)致試件壽命縮短；但如結(jié)果能對(duì)激光加工試件邊沿的掛渣進(jìn)行打磨，壽命會(huì)有一定的提高。

4加工質(zhì)量分析

激光切割屬于熱加工，但鋁合金材料對(duì)激光能量的吸收率較低，切割后在切縫處存在明顯的切割紋理及掛渣。如何對(duì)激光切割金屬表面的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)和表征，至今尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前以左鐵釧[11]提出的“按照粗糙度不同量級(jí)評(píng)價(jià)激光切割表面”的評(píng)價(jià)方法應(yīng)用比較廣泛，但是由于激光切割表面上、下兩部分的粗糙度不盡相同，上部分光潔度好，下部分特別是近邊沿處，掛渣明顯。用單一的粗糙度參數(shù)很難表征切割表面的實(shí)際質(zhì)量，為了充分評(píng)估激光切割鋁合金試件的質(zhì)量，激光切割了9個(gè)60 mm×30 mm×2.5 mm的試件，分別測(cè)量粗糙度和切割縫最大掛渣尺寸，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4.1切縫掛渣測(cè)量

將9個(gè)試件分別標(biāo)號(hào)，在全自動(dòng)視頻測(cè)量?jī)x-JVC300T上放大后觀察，如圖6所示。分別測(cè)量出9個(gè)試件在切縫處的最大掛渣尺寸，其值不超過(guò)1 mm；同時(shí)也看到，掛渣沿切割深度方向有所增加，切割深度的下邊沿處掛渣最多。

圖6　切縫掛渣放大后測(cè)量

圖7　粗糙度統(tǒng)計(jì)分析

激光切割鋁合金后，切縫掛渣是不可避免的。這是由于鋁合金吸收的激光能量沿深度方向的衰減，致使切割試件下邊沿處熔化不到位，掛渣尺寸增加，通過(guò)改善工藝過(guò)程，改善材料對(duì)激光的吸收率均可改善切割精度。

4.2粗糙度測(cè)量

對(duì)激光切割的9個(gè)試件的長(zhǎng)邊分別用粗糙度儀-TR210進(jìn)行測(cè)量，取樣距離0.25 mm，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體的粗糙度波動(dòng)情況如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于2.5 mm厚的2A12合金，表面粗糙度質(zhì)量較高，Ra最大不超過(guò)3.2 μm；由此可見(jiàn)，對(duì)于切割精度要求不太高的鋁合金加工，激光切割完全可行。如果為了進(jìn)一步提高切割質(zhì)量，也可以考慮改變高反射率材料的表面，提高對(duì)激光的吸收率以改善切割質(zhì)量和效率。

5結(jié)論

1)用兩種不同的切割方式加工2A12硬鋁合金試件，進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種加工方式下的試件抗拉強(qiáng)度都比原始材料要小，抗拉強(qiáng)度小了50～55 MPa；但屈服強(qiáng)度增加了近70～80 MPa；

2)在試驗(yàn)給定的工藝參數(shù)下，激光切割后，切割面的表面粗糙度為Ra=1.342～2.519 μm，切縫掛渣尺寸平均值為0.893 5 mm，適于中等精度加工，但可以通過(guò)改進(jìn)工藝方法、改變表面特性提高加工質(zhì)量；

3)發(fā)現(xiàn)激光切割2A12硬鋁合金試件，其疲勞壽命比機(jī)械銑削短，但對(duì)切縫進(jìn)行打磨處理后的壽命又高于沒(méi)有打磨處理的試件壽命。

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[責(zé)任編輯：張存鳳]

Effect of laser cutting on mechanical properties of aluminum alloy

HOU Hong-ling

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract:In order to explore the effect of laser cutting technology on mechanical properties and fatigue properties of aluminum alloy materials, test analysis method is used in this study.Two kinds of test pieces were prepared by mechanical milling and laser cutting,and tensile,fatigue life tests and cutting surface quality assessment were carried out.The effects of two processing methods on the mechanical properties and fatigue life are compared and the results show that the tensile strength and elongation of the aluminum alloy in laser cutting has decreased,but the yield strength has slightly increased.After laser cutting,the fatigue life is shorter than that of the mechanical milling specimen,but the life of the test pieces in laser cutting is higher than that of the non-polished specimen.At the same time,surface accuracy analysis,shows that laser processing of aluminum alloy is of a high surface quality although certain degree of slag exists.

Key words:aluminum alloy；laser cutting；cutting quality;fatigue life

[中圖分類(lèi)號(hào)]TH114

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

作者簡(jiǎn)介：侯紅玲(1976—)，女，陜西省扶風(fēng)縣人，陜西理工學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)榫芗庸ぜ夹g(shù)及設(shè)備、數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳科研計(jì)劃研究項(xiàng)目(2014JM7268)；陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1147)；陜西理工學(xué)院研究生基金資助項(xiàng)目(SLGYCX153)

收稿日期：2015-11-18修回日期：2016-02-20

[文章編號(hào)]1673-2944(2016)02-0006-05