1 引言 鋁及鋁合金的廣泛應用．使鋁合金的切割方法朝著精密、高效、靈活的方向發展，可光纖傳導的Nd：YAG激光切割技術成為最合適的方法。采用CO2激光連續切割鋁合金材料的工藝及機理國內外已有文獻報道，采用高功率脈沖固體Nd：YAG激光切割其它鈦、鎳、不銹鋼等材料也有研究報道，但Nd：YAG激光切割鋁合金的報道還屬鮮見。Nd：YAG激光的波長是CO2激光的1/10，鋁合金對此波段激光的吸收率大大提高，從而可提高切割質量。 激光切割質量受多方面因素的影響，輔助氣體是其中一個關鍵因素。首先，它是唯一與被切割材料相接觸的物質，直接影響著激光切割質量的好壞；其次，輔助氣體在切割過程中是易耗品，決定著激光切割的成本。研究輔助氣體對激光切割鋁合金材料的影響不僅具有一定的理論價值，而且可為實際應用提供一定的參考依據。 本文利用高功率脈沖固體Nd：YAG激光器切割5A06鋁合金，從切縫寬度、切縫及切面的形貌、粗糙度、物相、顯微組織分析研究輔助氣體Ar、N2 、O2 對激光切割質量的影響。 2 試驗材料及方法 2.1 試驗材料 選用擠壓、軋制加工的4mm厚5A06鋁合金板為試驗對象，其化學成分如表1所示。切割用輔助氣體分別是純度為99.99％的Ar、N2 、O2 ，與激光束同軸輸出。表1 5A06鋁合金的化學成分(％) 2.2 試驗方法 試驗用設備是額定功率500W的脈沖固體Nd：YAG激光器，波長1.06μm。激光切割5A06鋁合金的工藝參數如表2所示。分別采用Ar、N2 、O2 作輔助氣體，在其它工藝參數不變的情況下，研究輔助氣體氣壓和種類對激光切割5A06鋁合金質量的影響。表2 Nd：YAG激光切割5A06鋁合金的工藝參數 將切割后的試樣制成金相試塊，用4％的氫氟酸腐蝕5～7s，在CMM-20型光學顯微鏡下測量其切縫寬度，并觀察微觀組織；用JEOL JSM-6700型掃描電子顯微鏡觀察切面形貌；用Mahr Perthometer M2粗糙度測量儀測量切面的粗糙度；用Y-2000型X射線衍射儀分析切面的物相。 3 試驗結果分析 3.1 輔助氣體氣壓的影響 輔助氣體主要用于從切割區吹掉熔渣以形成切縫。激光切割對輔助氣流的基本要求是進入切口的氣流量大，速度高，以便有足夠的動量將熔融材料噴射帶出。 圖1是切縫寬度隨輔助氣壓變化的關系曲線，可以看出不論選擇何種氣體作輔助氣體，隨著氣壓的增大，切縫寬度變化范圍不大，其對切縫寬度的影響很? ? 圖1 切縫寬度隨輔助氣體壓力變化的曲線表3是輔助氣壓對掛渣量的影響，氣壓為0.5Mpa或0.6Mpa時，掛渣很少。本試驗中，隨著氣壓的增大，氣體流動量增大，排渣能力提高，掛渣量少；但如果氣壓過大會使氣體射流出現紊亂現象。于是形成不整齊的切縫，導致切縫質量變壞，因而選擇合適的氣體壓力才能得到較為理想的切割質量。表3 輔助氣壓對掛渣量的影響 3.2 輔助氣體種類的影響 3.2.1 切縫及切面形貌分析 采用不同的輔助氣體，激光切割5A06鋁合金的切縫正面差別不大，均窄細平直，但背面有較大不同，均有不同程度的掛渣，掛渣是熔融的金屬被輔助氣體從切縫吹出時附著在背面的，如圖2所示。使用Ar作輔助氣體時，切縫背面幾乎無氧化；使用N2 時，切縫背面輕微氧化；使用O2 時，切縫背面較前兩者氧化嚴重，掛渣較多；但三者的掛渣，用砂紙輕磨即掉。 圖2 激光切割5A06鋁合金的背面分別測量三種輔助氣體激光切割5A06鋁合金的切縫寬度及垂直度，如表4所示，其中用O2 作輔助氣體垂直度最高。Ar、N2 作輔助氣體，切縫的垂直度達到GB/Z18462-2001的I級精度等級，O2 作輔助氣體，切縫的垂直度達到GB/Z18462-2001的0級精度等級。表4 激光切割5A06鋁合金的切縫寬度 圖3是分別用j種輔助氣體切割5A06鋁合金的切面圖，(d)(e)(f)分別是(a)(b)(c)方框區的SEM放大。從圖中可以看出，三者的切面距上表面1/4處較光滑，下部較粗糙，且有不同程度的帶后托角的切割波紋。上部的波紋是由于脈沖能量較高，使金屬直接汽化，每一個波紋都是一個激光脈沖使之汽化的痕跡，中下部的波紋是由于激光脈沖能量有所減小，金屬只發生熔化并隨高壓氣體流出，越向下由于熔化速度的滯后，形成后托角的波紋，熔化金屬不能完全被吹出時，底部形成掛渣。切面SEM放大圖看到，Ar作輔助氣體時，波紋較淺；N2 作輔助氣體時次之；O2 作輔助氣體時波紋雜亂，三者掛渣量依次增多。三者的粗糙度依次為2.870μm、3.554μm、7.974μm都達到GB/Z18462-2001的0級精度等級。 3.2.2 切面物相分析 分別對Ar、N2 、O2作輔助氣體時激光切割5A06鋁合金的切面進行X射線衍射分析，圖4是XRD圖。5A06鋁合金在室溫下的相成分為Mg在Al的固溶體和Mg與Al形成的金屬間化合物Al3Mg2；Ar作輔助氣體時，切面主要為Al和Al3Mg2，因為Ar是惰性氣體，不與其它物質發生反應；N2 作輔助氣體時，切面主要為Al、Al3Mg2和AlN，因為N元素在高溫下與Al反應生成AlN；而O2作輔助氣體時。切面主要為Al、Al3Mg2和Al2O3，因為O元素在高溫下與Al反應生成Al2O3。 3.2.3 切割區組織分析 激光切割5A06鋁合金是一個熱加工過程。激光作用到材料上時，大量的熱使材料熔化、汽化，同時與激光同軸的輔助氣體帶走大量的熱量，剩余的熱量作用到基材上并使接觸面的微觀結構發生改變。隨著激光束的移動，由于輔助氣體的作用和基材熱傳導的作用，與激光接觸的材料得到快速冷卻。 圖4 激光切割5A06鋁合金切面的X射線分析圖5是分別用Ar、N2 、O2，作輔助氣體時，激光切割5A06鋁合金的切割區顯微照片。從圖中可以看到，三者的切面上均有一層重熔層，重熔層的形成是由于激光照射到鋁合金時，照射點處材料內部蒸發形成孔洞，作為黑體吸收人射光束能量使周圍的鋁合金快速熔化，高壓輔助氣體將一大部分熔化金屬吹走，而另一部分來不及吹走的熔化金屬留在切面表面凝固形成了一層重熔層，另外由于激光的脈沖間隔，在切割過程中，熔化金屬經多次凝固形成了層狀重熔層。但是三者的重熔層厚度不同，Ar作輔助氣體時，重熔層厚度為70μm；N2作輔助氣體時，重熔層厚度為100μm; O2作輔助氣體時，重熔層厚度為200μm。 (a) Ar作輔助氣體 (b) N2作輔助氣體 (c) O2作輔助氣體 圖5 激光切割5A06鋁合金切縫周圍金相圖激光能量作用到5A06鋁合金材料上時，使材料熔化或汽化，并使接觸面的微觀結構發生改變，從而形成熱影響區(HAZ) o圖5顯示出，Ar作輔助氣體時，HAZ的寬度為90μm；N2作輔助氣體時，HAZ的寬度為100μm；02作輔助氣體時，基材與重熔層間沒有明顯的晶粒變化，HAZ不明顯。這是由于Ar或N2 作輔助氣體時，切面上分別主要為Al或AlN，這兩種物質的熱傳導率都比較高，激光能量作用到5A06鋁合金材料上時，由于輔助氣體和熱傳導的作用，能量被很快傳遞到母材上，從而形成HAZ；而O2作輔助氣體時，切面上主要為Al2O3，它的導熱性差，從而使熱量主要集中在重熔層，只有少量的熱量傳導到母材，故HAZ不明顯。 從圖5中還可看到，分別用Ar、N2 、O2作輔助氣休時，切面上均存在微裂紋。只者的裂紋都起源于重熔層，這是由于熔融金屬冷卻速度快，切面易產生熱應力，導致裂紋形成。另外，5xxx系的鋁合金的熱裂傾向與Mg的含量降低相關，5A06鋁合金激光切割時，激光束的能量很高，引起Mg元素的燒損，使得Mg含量下降，所以很容易在重熔層上引起裂紋。前兩者，起源于重熔層的裂紋，擴展到HAZ，止裂于母材，這是由于HAZ晶粒粗大易使裂紋擴展，而母材晶粒較小韌性較大，阻礙了裂紋的擴展。后者，由于HAZ不明顯，起裂于重熔層的裂紋在母材中擴展了50μm即停止擴展。 4 結論 Ar、N2 、O2三種氣體作輔助氣體切割5A06鋁合金，切縫正面均窄細平直，背面掛渣量依次增多；切縫垂直度分別為0.08mm、0.08mm和0.05mm；切面粗糙度分別為2.870μm、3.554μm、7.974μm；輔助氣體壓力對切縫寬度的影響不明顯。 5A06鋁合金基體的相組成是Al+Al3Mg2，Ar作輔助氣體激光切割5A06鋁合金，切面沒有新相形成；而N2 作輔助氣體，切面上形成了新相AlN；O2作輔助氣體，Al2O3相出現在切面上。 激光切割5A06鋁合金，切面形成重熔層，用Ar、N2 、O2，作輔助氣體，重熔層厚度分別為70μm、100μm、200μm；切面均存在微裂紋；HAZ寬度分別為90μm、100μm、不明顯。