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。

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