46MnVS5 连杆脉冲激光切割裂解槽实验研究＊

张传友 王冠 刘赞丰 张雅文

（①广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006；②广东四会实力连杆有限公司，广东 四会 526200）

汽车发动机连杆未来在原材料上主要从以下3个方面体现：降低成本、提升强度和减轻质量[1]。连杆裂解加工技术采用整体式加工代替传统的分体式加工方法，消除了对连杆与盖的结合面进行切割磨削，降低了螺栓孔的加工精度要求，进而降低连杆的制造难度，大幅度减少了机械加工工序，显著提高了生产效率，降低了生产成本，增加了产品的竞争力，已成为连杆加工的发展方向[2]。作为裂解工艺的重要工序，高质量、高精度的预制裂解槽是保证连杆后续断裂剖分顺利进行的必要前提，其目的是创造缺口效应，缺口根部在启裂方向上的应力状态为拉应力，在后续的断裂劈裂过程中有利于裂纹的启裂和快速扩展[3]；从而提高应力集中系数，降低裂解力，使断裂发生在预定位置，提高断裂效率与质量[4]。

激光加工裂解槽是目前应用最广泛的加工工艺，其优点是加工速度快，定位精度高，尺寸参数准确，裂解槽根部存在淬火效应，进一步提高了应力集中系数，降低了裂解载荷，减小了大头孔的变形，保证了脆性断裂[5]。在实际生产中，一般采用脉冲光纤激光器切割裂解槽，与其他类型激光器相比，脉冲光纤激光器结构简单、使用灵活方便、散热性能好、输出功率高、波长范围宽、具有光束质量好、稳定性高、对环境影响小和使用寿命长等优点，是一种新型的高质量激光光源[6]。用于精密切槽有着独特的优越性，因此成为预制裂解槽的主要手段[7]。本文主要对脉冲激光切割46MnVS5 连杆裂解槽进行试验，研究了不同激光加工参数对裂解槽几何尺寸的影响规律。

1 实验方案

1.1 实验材料

本实验采用领克汽车GEP3 连杆，材料为中碳非调质钢46MnVS5，化学成分如表1 所示。46MnVS5是一种中碳V 系微合金非调质钢，也是一种析出强化钢，基体组织为珠光体和铁素体，如图1 所示。46MnVS5 是在36MnVS4 的基础上开发的一种用于胀断连杆的中碳非调质钢，其屈服比、疲劳强度和加工性能均优于36MnVS4 钢。此外，46MnVS5 具有应力集中程度高、塑性变形小和胀断所需裂解力小等特点，较36MnVS4 具有更广阔的应用前景。

表1 46MnVS5 主要化学组成 (%)

图1 46 MnVS5 试样及金相组织

1.2 实验设备

与连续激光器相比，脉冲激光器更为复杂。如图2 所示，脉冲激光器的输出功率是周期性的，其中P0为脉冲峰值功率，T为脉冲周期（通常也用脉冲频率f表示），τ为脉冲脉宽。脉冲激光器的平均输出功率与其输入参数的关系[8]如式（1）所示。

图2 脉冲功率波形图

试验设备采用产学研联合研发的LFS150-G 型胀断连杆激光切槽装备，如图3 所示，设备的主要参数如表2 所示。

图3 胀断连杆激光切槽二代设备实物图

表2 激光设备参数

1.3 实验步骤

激光切割裂解槽试验的主要步骤有：加工样品、取样、磨制、抛光和测量。由于生产中光斑的调整比较复杂，在实际激光切割中，离焦量和光斑半径一般保持不变，激光入射角为0°垂直加工，取离焦量为负离焦，激光光斑半径r0为0.04 mm；激光切割是在室温下进行的，所以采用压缩空气作为辅助气体去除熔融金属及金属蒸汽[9]。

根据实际生产经验和加工技术要求，当脉冲功率为800 W、脉冲频率为1 000 Hz、脉冲宽度为90 μs、切割速度为1.0 m/min 时，加工的裂解槽深度为571.6 μm，宽度为178.4 μm，张角为17.9°，切槽后的试样及胀断形貌如图4 所示，满足裂解槽加工要求。因此，采用单因素实验，固定其他3 个因素，改变其中1 个因素，分别研究脉冲功率P、脉冲频率f、脉冲宽度W和加工速度V对连杆裂解槽几何尺寸的影响规律。

图4 切割后的连杆及其胀断形貌

由于实验中分组较多，每组参数选取6 个不同数值，因此需要对加工的24 组不同裂解槽进行分析，并依次测量各裂解槽的槽深和槽宽。为了节省材料，降低试验成本，合理使用已有胀断缺陷的废弃连杆，并从中切取适当大小相同15 mm×10 mm×5 mm 的试样进行实验；然后利用线切割技术在连杆上切割出与试样尺寸一致的缺口，如图5 所示，调整不同的加工参数来切割试样。切槽后将样品制成金像试样，再用砂纸进行磨制，然后再对其表面进行抛光，每次抛光后用酒精清洗，再吹干[10]。最后在显微镜下，依次测量并记录每个裂解槽槽深和槽宽，如图6 所示。

图5 实验样品及连杆夹具

图6 OLS4100 共聚焦显微镜裂及裂解槽微观几何形貌

2 实验结果及分析

切槽质量评价主要包括切割位置、尺寸精度﹑切槽的一致性与对称性等。为了获得高质量和裂解槽快速胀断的效果，对激光加工呈“V”型的裂解槽，要求其槽深大、槽宽小和裂解槽的底部张角和曲率半径小，如图7 所示。“V”型槽不仅使裂解更容易，而且可以更好地控制方向，断裂面内侧角也不易被损坏，有利于提高连杆胀断的应力集中作用，降低初始裂解应力，提高裂解质量[11]。

图7 裂解槽位置及几何参数

曲率半径主要用来描述曲线在某一点的弯曲变化程度，在“V”型槽中，曲率半径的值很小，对槽的影响也很小。由于裂解槽曲率半径很小，则可根据公式（2）计算得到张角[12]。

2.1 脉冲功率的影响

激光功率是激光加工中的一个重要影响参数，它直接决定了对材料的能量输入量[13]。根据上文，采用单因素实验，将脉冲频率、脉冲宽度和切割速度分别固定为1 000 Hz、90 μs 和1.0 m/min，脉冲功率P在300～1 200 W 选取，进行切槽实验，并测量裂解槽尺寸。如图8 所示，绘制不同功率对裂解槽几何尺寸的影响图，并分析其影响规律。

观察图8 中的实验数据线可知槽深随着脉冲功率的增加一直加大，两者几乎呈线性关系。功率从300 W 增加到1 200 W 时，槽深从241 μm 增加到783 μm，增加显著。而槽宽的变化曲线比较平直，仅从125 μm 增加到208 μm。由于槽深h的增速相较于槽宽w快得多，由张角a=2arctan(w/2h) 可知，张角a随脉冲功率的增大而快速减小，特别是当功率在300～600 W 的范围内，张角从29°减小到19°，功率从600 W 增加到1 200 W 时，张角变化较小，从19°减小到15°。综上所述，随着脉冲功率的增加，槽深增加明显，槽宽增加幅度很小，张角变化也很明显。因此，脉冲功率主要影响裂解槽深度和张角的变化，在条件允许的情况下，选用较高功率进行切槽，槽深大而张角小，槽型尖锐，利于后续胀断。

图8 脉冲功率对裂解槽尺寸的影响

2.2 脉冲频率的影响

脉冲频率即激光每秒产生的脉冲数目，也叫脉冲重复频率，也就是2 个相邻脉冲之间时间间隔的倒数[14]，单位为赫兹。在其他因素不变的情况下，对脉冲频率进行裂解槽加工的单因素试验研究。将脉冲功率、脉冲宽度和切割速度分别固定为800 W、90 μs 和1.0 m/min，脉冲频率f选取在300～1 500 Hz进行切槽实验，并测量裂解槽尺寸。如图9 所示，绘制不同频率对裂解槽几何尺寸的影响图，并分析其影响规律。

图9 脉冲频率对裂解槽尺寸的影响

由图9 可知，在激光器参数设定范围内，随着脉冲频率的提高，裂解槽的深度和宽度都有增大的趋势，但变化都不明显。频率从300 Hz 增加到1 500 Hz 时，槽深从420 μm 增加到558 μm，槽宽从138 μm 增加到180 μm，槽宽的增加量较小，最大值与最小值之间仅相差42 μm。由于槽深和槽宽的增幅都较小，因此张角的波动范围也较小，总体在17°～19°变化。由此可见，脉冲频率对连杆裂解槽尺寸影响变化较小。在实际生产时，当裂解槽槽深太小或连续性较差时，则可通过增加脉冲频率，使裂解槽的连续性或深度增加，以改善其加工质量。

2.3 脉冲宽度的影响

脉冲宽度表征了激光脉冲能量输出的持续时间，也是激光加工的重要参数[15]。将脉冲功率、脉冲频率和切割速度分别固定为800 W，1 000 Hz 和1.0 m/min，脉冲宽度W选取在50～150 μs 进行切槽实验，并测量裂解槽尺寸。如图10 所示，绘制不同频率对裂解槽几何尺寸的影响图，并分析其影响规律。

图10 脉冲宽度对裂解槽尺寸的影响

在脉冲能量固定的前提下，增加脉冲时间会使每个激光脉冲作用于金属表面的时间增多，材料吸收热量增多，从而切割位置的热影响区扩大，槽深和槽宽随之增加[16]。由图10 可知，当脉冲宽度从50 μs 增加到150 μs 过程中，槽深从370 μm 增加到537 μm，槽宽从143 μm 增加到181 μm，槽深比槽宽增加的较明显。当脉冲宽度由50 μs 增加到90 μs时，槽深的增速较槽宽大，所以张角的降速较大；当脉冲宽度增加到110 μs 时，张角有小幅度的上升，但总体变化范围在18 °～21 °。因此，脉冲宽度对裂解槽尺寸有影响，但不及脉冲功率影响大。实际应用中，可根据需要适当改变脉冲时间，以满足加工要求，提高裂解槽的加工质量。

2.4 切割速度的影响

激光切槽速度的选择不仅关系到裂解槽加工质量能否达标，而且直接决定了加工效率的高低。根据相关文献[17]、生产经验及加工工艺要求得知，光纤激光器的切槽速度范围为0.2～1.6 m/min。将脉冲功率、脉冲频率和脉冲宽度分别固定为800 W、1 000 Hz和90 μs，切割速度V选取范围为0.3～1.5 m/min。进行切槽实验，并测量裂解槽尺寸。如图11 所示，绘制不同切速对裂解槽几何尺寸的影响图，并分析其影响规律。

由图11 可知，随着切槽速度的提高，裂解槽的深度和宽度都有减小的趋势，张角有增大的趋势；其中，槽深和张角的变化较为明显。当切割速度从0.3 m/min 增加到1.5 m/min 的过程中，槽深由708 μm降低到459 μm，槽宽由196 μm 减小到150 μm。当切割速度由0.8 m/min 增加到1.2 m/min 的过程中，槽深和槽宽的变化均较平稳，在此范围内，张角的波动也相应较小，但总体在15°～19°变化。因此，切割速度主要影响裂解槽深度和宽度的变化。此外，切割速度对连杆生产效率也起着重要作用。适当增大激光切割速度可以提高切割效率，然而，切槽速度过快，会使脉冲之间的距离增大，不利于连杆裂解；切槽速度过慢，降低了激光切割效率，不利于批量生产。因此，选择合适的切槽速度对连杆裂解槽的加工质量具有重要的作用。

图11 脉冲宽度对裂解槽尺寸的影响

3 结语

本文采用型号为LFS150-G 的胀断连杆激光切槽装备，针对24 组不同的激光及切割参数对46MnVS5连杆裂解槽进行单因素切槽实验。依次通过激光共聚焦显微镜观测每组裂解槽深度和宽度，并通过公式计算其张角，研究这些因素对裂解槽几何参数的影响规律。对于激光器参数，随着脉冲功率、脉冲频率和脉冲宽度的增大，裂解槽深度和宽度都有所增加；其中脉冲功率对张角的影响较大，脉冲频率和脉冲宽度对张角的变化不明显。对于设备控制参数，随着切槽速度的增加，裂解槽深度和宽度均减小，张角在一定尺寸范围内变化。对于46MnVS5 连杆，脉冲功率取600～1 000 W、脉冲频率取800～1 200 Hz、脉冲宽度取70～110 μs、切割速度取0.8～1.2 m/min 时，加工出来的槽深在450～700 μm、槽宽在150～200 μm、张角在15°～20°变化，可满足加工要求。在实际生产中，工艺参数需要根据连杆的具体尺寸及相应的加工要求，并结合各参数对裂解槽几何尺寸的影响进行优化选择，以获得最佳的加工质量与生产效率。