引言

Ti-6Al-4V 合金國內(nèi)牌號為 TC4 ,是一種典型的(α+ β )型鈦合金,具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕、綜合性能良好的優(yōu)點,廣泛應用于航空航天、船舶、汽車及醫(yī)療等領域 [1 ] 。但是由于鈦合金導熱率低、難加工等特點,常規(guī)加工方式逐漸難以滿足加工需求。

水導激光作為一種復合加工技術(shù),利用了光在不同物質(zhì)界面上傳播的全反射特性。由于水和空氣具有不同的折射率,當激光以一定角度照射到二者之間的界面時會在水束中發(fā)生全反射,此時激光可以沿著水束的方向進行傳播,激光被傳導于工件表面時對材料進行加熱、剝離,從而完成對工件的加工。水導激光加工技術(shù)具有切縫錐度小、加工精度高、無須對焦、切面質(zhì)量好、重熔層小等優(yōu)點,非常適合鈦合金材料的精密切割、鉆孔、開槽等加工。水導激光加工技術(shù)原理如圖 1 所示。

國內(nèi)外學者對水導激光加工進行了廣泛研究。Li 等[ 2-3 ] 對比了水導激光和常規(guī)激光切割鎂合金、鈦合金 TA1 的表面質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)水導激光切割后表面干凈整潔,在熔渣和熱損傷控制方面明顯優(yōu)于常規(guī)激光加工。 Zhang 等 [4 ] 結(jié)合ANSYS 有限元模擬和正交實驗,分析了水導激光的不同工藝參數(shù)對鈦合金、不銹鋼、鋁合金、銅 4 種典型金屬材料的影響,發(fā)現(xiàn)采用水導激光打孔后,孔的圓度得到了良好的保證且周圍干凈、幾乎無熱影響區(qū)。 Rashed 等 [5 ] 分析了水導激光和 微細電火花 加工后鋼板 的 表 面 質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)水導激光打孔后表面更加均勻,在一定程度上可以替代電火花技術(shù)對噴油嘴進行加工。張正等 [6 ] 提出了一種新型水導激光縮流導光方法,并通過耦合試驗與加工試驗對其進行驗證,試驗結(jié)果表明水導激光切割鋁板后微槽兩側(cè)幾乎無熱影響區(qū)。

目前的研究已經(jīng)對水導激光加工后的宏觀表面質(zhì)量進行了一定評價,但針對表面形貌特征及形成機理的研究相對較少。本文利用水導激光加工設備對TC4鈦合金板材進行切割,分析水導激光加工方式對TC4鈦合金表面形貌的影響,進而對水導激光加工技術(shù)的工藝特點進行了探究。

1、 試驗方案與檢測

1.1 試驗設備與參數(shù)

試驗采用的水導激光加工設備為瑞士 Synova公司的 LCS305 機床。加工系統(tǒng)采用波長為 532nm的脈沖激光與最大 50MPa 的去離子高壓水束進行耦合。本試驗的水導激光工藝參數(shù)如表 1 所示。

1.2 試件材料與檢測

試驗材料選用厚度為 2mm 的TC4鈦合金軋制板材,采用水導激光加工設備將其切割成 10mm×10mm×2mm 的長方體樣品,樣品加工后利用99% 的無水乙醇清洗備用。

利用 CCD 工業(yè)體式顯微鏡對切割表面的宏觀形貌進行觀察;利用蔡司 GeminiSEM460 場發(fā)射掃描電子顯微鏡對樣品的微觀形貌進行分析,并通過其配備的 X 射線能譜儀系統(tǒng)對樣品表面成分進行初步分析;利用 KLA-FilmetricsProfilm3D 光學輪廓儀獲取樣品表面二維、三維微觀形貌圖像等數(shù)據(jù)。

2 、試驗結(jié)果與分析

2.1 表面宏觀形貌分析

水導激光切割TC4鈦合金后,利用 CCD 工業(yè)體式顯微鏡對樣件進行觀察,可以清晰地觀察到切割表面分布著沿進給方向的橫向條紋。利用光學輪廓儀對切割表面形態(tài)進行檢測,發(fā)現(xiàn)切割表面凹凸起伏,其中橫向條紋位置為凹陷形貌,橫向條紋的上下側(cè)均有明顯的條狀隆起。

除此之外,可以發(fā)現(xiàn)橫向條紋數(shù)目與水導激光掃描周次相同,即水導激光的每次掃描都會在切割表面產(chǎn)生一道橫向條紋,正是這種多周次的往復循環(huán)掃描策略使得材料表面產(chǎn)生了多道次的橫向條紋 [7 ] ,切割表面宏觀形貌如圖 2 所示。

2.2 表面微觀形貌分析

利用掃描電子顯微鏡進一步觀察,可以發(fā)現(xiàn)切割表面的隆起、凹陷處具有不同的特征,根據(jù)形態(tài)特點大致可以分為 4 種區(qū)域: Ⅰ 隆起區(qū)、 Ⅱ 凹陷區(qū)、 Ⅲ碎石區(qū)、 Ⅳ 波紋區(qū)。其中,隆起區(qū)和凹陷區(qū)在切割表面的上部、中部交替循環(huán)出現(xiàn),碎石區(qū)和波紋區(qū)出現(xiàn)于切割表面的底部。切割表面分區(qū)如圖 3 所示。

2.2.1 隆起區(qū)形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對隆起區(qū)形貌進行觀察,隆起區(qū)形貌如圖 4 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隆起區(qū)形貌相對凸出且沿進給方向有著明顯的高低起伏,其表面分布著較多的疏松孔洞,大部分孔洞的直徑范圍在 1.056~2.103 μ m 之間。

通過分析可知,激光的高溫效應會使材料發(fā)生熔化或氣化,氣化的金屬發(fā)生氣態(tài)破裂時會出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象,從而在材料表面形成孔洞 [8 ] 。此外,水導激光加工時采用多周次的往復循環(huán)掃描策略,由于隆起區(qū)是表面較為凸出的區(qū)域,因此其更靠近水導激光光斑的中部,激光作用于隆起區(qū)的能量更多,隆起區(qū)表面材料經(jīng)歷多次熔化、氣化、冷卻等過程,從而形成了這種大量孔洞分布的形貌。

2.2.2 凹陷區(qū)形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對切縫表面的凹陷區(qū)形貌進行觀察,凹陷區(qū)形貌如圖 5 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)凹陷區(qū)有較多塊狀平臺,細小龜裂紋分布于塊狀平臺表面,使得整個塊狀平臺被分割成不規(guī)則的小板塊。此外,凹陷區(qū)的平臺表面分布有少量小尺寸孔洞,且孔洞幾乎均出現(xiàn)于裂紋軌跡之上,孔洞直徑為 0.495~1.356 μ m 。

這是由于激光能量作用于材料上時,熱量在材料局部迅速累積,從而使得材料發(fā)生熔化,由于熔融物質(zhì)無法完全被水束清除,部分熔融物質(zhì)冷卻凝固在切割表面形成塊狀平臺。水導激光加工是一個快速加熱、快速冷卻的過程,在此期間材料會產(chǎn)生較大的應力,當應力值超過其屈服極限時即產(chǎn)生裂紋。

在平臺表面附著有少量球形熔滴,對該區(qū)域進行能譜面掃描檢測,可以發(fā)現(xiàn)相較于其他位置,球形熔滴的 O 元素含量占比更高。進一步對其進行能譜點 掃 描 檢 測,發(fā) 現(xiàn) O 元 素 的 質(zhì) 量 百 分 比 高 達7.09% , Ti 元素的質(zhì)量百分比為 51.54% ,根據(jù)相對原子質(zhì)量計算可推測該物質(zhì)為 TiO 2 ,能譜面掃描檢測如圖 6 所示。

2.2.3 碎石區(qū)形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對碎石區(qū)形貌進行觀察發(fā)現(xiàn),相較于凹陷區(qū)、隆起區(qū),碎石區(qū)的表面形態(tài)有著顯著不同,該區(qū)域整體呈現(xiàn)為碎石狀,僅有少部分區(qū)域零散分布著塊狀平臺,碎石區(qū)形貌如圖 7 所示。此種形貌的形成原因是水導激光切割時,高壓水束受到切縫底部材料的阻礙,從而產(chǎn)生了向上的反向沖擊波,并且由于進給速度相對較快,高壓水束在進給方向上也可以具有一定的動能,因此對熔融物質(zhì)起到良好的“剝離”作用,從而形成了碎石狀的表面形貌;膨脹的高壓等離子體羽流也會對切縫表面產(chǎn)生沖擊波,促進了熔融物質(zhì)的“剝離”。

為了進一步研究碎石區(qū)出現(xiàn)位置的規(guī)律,進行了不同加工循環(huán)周次試驗。當掃描周次為10 、11次時板材均未被切斷,水導激光切割后采用其他物理方式使其斷裂。對比兩組試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)碎石區(qū)形貌始終處于切割表面的最底部,即單次掃描后形成碎石區(qū)形貌;在下一周次掃描時,原有碎石區(qū)形貌會被凹陷區(qū)形貌替代,而在切縫底部會形成新的碎石區(qū)形貌,不同循環(huán)周次掃描試驗如圖 8 所示。

2.2.4 波紋區(qū)形貌分析

利用掃描電子顯微鏡對波紋區(qū)形貌進行觀察發(fā)現(xiàn),波紋區(qū)表面分布有波浪狀平臺、球形熔滴及孔洞,球形熔滴呈飛濺狀,有著明顯的沖刷痕跡,波紋區(qū)形貌如圖 9 所示。

最后一次掃描時,材料底部被完全切穿,高壓水束不受材料阻礙,水束的沖刷效果更好,因此切割表面的熔融物質(zhì)受到水束的連續(xù)擠壓,從而形成具有層次的波浪狀平臺。除此之外,由于水束的沖刷作用,波紋區(qū)部分熔化或氣化的金屬被拋離材料表面,從而使得表面產(chǎn)生了大尺寸孔洞,被拋出的金屬經(jīng)過水束沖刷后重新冷卻凝固,在材料表面張力的作用下形成球形熔滴 [9 ] 。波浪狀平臺、球形熔滴以及大尺寸孔洞組成了波紋區(qū)的獨特形貌。

3、 結(jié)論

本文以TC4鈦合金軋制板材為試驗材料,重點對水導激光切割后的切面進行了形貌分析,初步探究了不同形貌的形成原因,所得結(jié)論如下:

(1 )TC4鈦合金在水導激光切割后表面凹凸不平,從而產(chǎn)生橫向條紋現(xiàn)象。橫向條紋為凹陷形貌且數(shù)目與掃描周次相同,切割表面的橫向條紋是由于水導激光的多周次掃描造成的。

(2 )根據(jù)切割后表面形態(tài)的不同,可將TC4鈦合金切割表面分成 4 種區(qū)域,即隆起區(qū)、凹陷區(qū)、碎石區(qū)及波紋區(qū);隆起區(qū)和凹陷區(qū)在切割表面的上部、中部交替循環(huán)出現(xiàn),碎石區(qū)和波紋區(qū)出現(xiàn)于切割表面的底部。

(3 )TC4鈦合金經(jīng)過一周次水導激光掃描后會形成碎石區(qū)形貌,碎石區(qū)形貌再次經(jīng)過水導激光掃描后將轉(zhuǎn)變?yōu)榘枷輩^(qū)形貌,與此同時在切縫最底部將形成新的碎石區(qū)形貌。

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