激光参数对钛合金薄板毛化形貌的影响

王妍琴，谢兰生，周希文，黄 珺

(1．南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

(2．中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

激光毛化过程从本质上说是一种激光表面重熔过程，但激光毛化加工时激光与材料作用时间很短，比一般的激光表面重熔时间要短得多，导致材料熔化与冷却速度极高，因此，激光毛化的物理机制、毛化点的微观形貌和晶粒组织结构与普通激光表面重熔相比并不相同。钛合金薄板的激光毛化是逐点毛化，毛化的坑点形成可控几何间距和合理的表面形貌。目前，国内对于激光毛化的研究大都集中在轧辊和拉伸模具的表面处理，摩擦和润滑条件的改善，以及提高轧辊和模具的使用寿命上 。钛合金薄板的激光毛化工艺难点在于如何调节各个激光参数，使薄板不被击穿，达到要求的形貌效果。本文研究的目的在于得到合适的毛化形貌，增大钛合金薄板和桨叶的粘结强度。

1 激光参数控制实验

要想获得制备钛合金薄板毛化形貌的可行方案，首先要研究激光电流、脉冲宽度、离焦量、脉冲频率、加工速度等参数对于毛化形貌的影响。实验采用BD-JG-600型多功能激光加工机，如图1所示。

激光器的基本参数见表1。

试样材料为TC4薄板，尺寸为3mm×3mm×0．25mm。用砂纸对试样表面进行手工研磨，并用丙酮清洗表面，放入干燥器皿中备用。

图1 激光器

表1 激光器基本参数

工艺流程为：(1)将试样装夹在工作台上，定位，调节激光参数;(2)使用调节好的参数在试样的中部位置加工毛化点;(3)用丙酮溶液清洗毛化后试样的加工面，去除试样表面在激光毛化过程中产生的金属熔化小颗粒及其他脏物，晾干待用;(4)使用三维形貌测量仪测试每组熔池凹坑几何尺寸，每组测4个点，取平均值;(5)测量毛化板的表面粗糙度，每组取4次，取平均值;(6)分析测量获得的数据，计算出每组毛化点的平均几何尺寸和表面粗糙度值。观察毛化后试样是否发生弯曲变形，观察熔池是否贯穿板料，并选出优化的毛化工艺参数。

对于激光输入电流、脉冲宽度、离焦量和加工速度4个主要因素采用单因素轮换法进行实验。辅助气体选用惰性气体氩气，吹气方向与水平方向成45°夹角。

2 实验结果与分析

2.1 激光输入电流对毛化微观形貌影响

为了分析激光电流单因素对毛化形貌的影响，固定以下参数：脉宽为1ms，激光频率为1Hz，离焦量为0，加工速度为50mm/min，氩气保护。图2和3所示为不同激光电流下毛化形貌和几何统计的图片。图4是电流对粗糙度的影响。

图2 不同激光电流下的毛化形貌

图3 不同激光电流下的几何统计

图4 电流对粗糙度的影响

实验结果表明，激光输入电流对微凸体的高度、直径影响是很大的，毛化形成的微凸体与激光熔凝金属的体积密切相关。能量比较低的时候，熔化金属就比较少，因此微凸体高度和直径值均较小。由于试验用材是0．25mm厚的薄板，过大的电流可能造成薄板击穿，所以要找到合适的电流参数。经实验验证，在固定脉宽、频率、加工速度和离焦量的情况下，电流在70A时，薄板背面有烧灼痕迹。因此，峰值电流不能超过70A，而激光器要求的最低电流是60A，只能在此电流区间内寻求最佳值。

2.2 激光单脉冲宽度对毛化微观形貌影响

固定激光输入电流为60A，频率1Hz，离焦量为0，加工速度50mm/min，氩气保护。调整脉宽分别为1ms、2ms、3ms。不同脉宽下毛化形貌和微凸体几何参数统计结果如图5，6所示。

图5 不同脉宽下毛化形貌

图6 不同脉宽下微凸体几何参数统计

图7 (a)中所测毛化点直径为与扫描方向垂直的直径，即为毛化点椭圆形貌的短轴直径。可见，在所采用的几种重复频率(重复频率不变时扫描速度不变)毛化时，脉宽从1ms增大到3ms，毛化点的大小随着激光脉冲宽度增加而增大，两者几乎成线性关系。这说明在激光快速毛化过程中，熔池内主要变化是熔化，激光脉宽增加，单脉冲能量线性增加，熔池的大小和深度相应增大。与此同时，粗糙度值也随之增加，如图7所示。

图7 不同的脉宽对于粗糙度的影响

2.3 离焦量对微凸体形貌几何参数的影响

离焦量对毛化坑型的大小和深度影响也较大，实验中，通过调整不同的离焦量观察毛化效果。固定激光输入电流为60A，频率1Hz，脉宽为1ms，加工速度为50mm/min，氩气保护。调整离焦量分别为1．0mm、1．5mm、2．0mm。不同离焦量下微凸体高度和直径分布统计结果见表2。图8所示为不同的离焦量对于表面粗糙度的影响。

表2 不同离焦量下的几何形貌

实验结果表明，在正负离焦位置都可以得到微凸体形貌;微凸体的高度值随着离焦量的增加而减小，微凸体的直径随着离焦量的增加而增大。这是因为随着离焦量的增加，激光在材料表面光斑直径增大，激光能量密度减小;在实验参数范围内，离焦量与微凸体高度变化是单调递减的，与毛化的直径是单调递增的。粗糙度也随着离焦量的增加而减小。在实际的生产过程中，要根据具体的形貌要求来选择离焦量的大小。

图8 不同的离焦量对于表面粗糙度的影响

2.4 激光脉冲频率对毛化点大小的影响

在脉宽和其他参数保持不变时，即单脉冲能量基本不变，随着脉冲频率由1Hz增大到3Hz，毛化点直径有所减小，不过减小量较少。在激光峰值功率一定时，毛化点的大小主要由单脉冲能量决定，由于激光频率增大时，激光脉冲峰值功率有所下降，导致单脉冲能量减小，因而使毛化点的直径有所减小。

2.5 扫描速度对毛化点椭圆度的影响

在其他参数不变的情况下，加工速度对毛化的微观形貌也有着影响。激光毛化过程中，工作台以一定的速度平动，在频率一定的情况下，加工速度越大，点密度越小，但是加工速度超过一定程度，形成的毛化点将成为一个椭圆形状。图9所示为扫描速度对毛化点椭圆度的影响，图10所示为扫描速度对粗糙度的影响。由图可知，扫描速度越快，椭圆度、粗糙度越大。各种参数下毛化点都存在一定的椭圆度，可以通过提高激光脉冲峰值功率、增大脉冲宽度来减小毛化点的椭圆度，还可以利用侧吹气体对熔池的影响，改善毛化点形貌。

2.6 其他因素对于毛化形貌的影响

毛化时侧吹气体的角度和压力对毛化点的形貌也有一定影响，通过实验，侧吹气角度为45°时毛化成型效果比较好。吹气压力过大或过小都不利于毛化点的形成，一般气压范围选择为0．05～0．20MPa。

图9 扫描速度对毛化点椭圆度的影响

图10 扫描速度对粗糙度的影响

3 结束语

钛合金薄板的激光毛化实验表明，通过控制激光电流、脉冲宽度、离焦量和加工速度，并采用氩气作为辅助气体，可以加工出具有一定表面粗糙度的微凸体形貌。实验加工基本参数为：输入电流60A，激光扫描频率1Hz，脉宽1ms，氩气保护。采用数理统计方法得到的微凸体形貌基本几何参数为：高度 2．25～2．65μm，x方向直径约 264 ～366μm，y方向直径约268～375μm，表面粗糙度在Ra0．7～1．2之间，几何尺寸与形貌基本达到预期的设计要求。激光毛化之后的薄板因为有微凸体，所以表面粗糙度也相应提高。这种形貌，将会有利于钛合金薄板与复合材料之间的粘结。

［1］ 赵新，金杰，姚建铨．激光表面改性技术的研究与发展［J］．光电子·激光，2000，11(3)：324-328．

［2］ 刘莹，陈大融，杨文言．轧辊表面微凸体形貌激光毛化技术的试验研究［J］．机械工程学报，2003，39(7)：107-110．

［3］ 熊惟皓．模具表面处理与表面加工［M］．北京：化学工业出版社，2006．

［4］ 晃拥军．工模具材料强化处理应用技术［M］．北京：机械工业出版社，2008．