脈寬和功率對(duì)CuZr非晶材料激光微孔熱影響區(qū)影響

董建禮

（威海火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，山東 威海 264209）

與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法、電化學(xué)加工相比，激光微孔技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微區(qū)加工，激光加工靈活性好，可與數(shù)控機(jī)床連接，構(gòu)成各種加工系統(tǒng)，也可在同一機(jī)器上完成鉆孔、切削、焊接和熱處理等加工[1-4]。這些優(yōu)點(diǎn)，使得激光微孔技術(shù)快速發(fā)展。激光作用在材料上會(huì)產(chǎn)生高溫使材料熔覆，熔覆在修復(fù)再制造和表面強(qiáng)化方面具有應(yīng)用[5，6]。然而，激光微孔中激光作用材料上產(chǎn)生的高溫一方面用于加工微孔，另一方面多余的熱量使得微孔周圍產(chǎn)生熱影響區(qū)，熱影響區(qū)嚴(yán)重影響孔的精度[7，8]。王志軍等人[9]基于二維的雙溫模型，采用有限差分法計(jì)算了飛秒激光燒蝕金屬鎳的徑向熱影響區(qū)。劉偉偉等人[10]研究了Zr55All0Ni5Cu30和Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金的熱影響區(qū)晶化行為的差異。韓志仁等人[11]研究激光切割對(duì)TCl鈦合金熱影響區(qū)顯微組織的影響。趙琳等人[12]利用熱模擬技術(shù)，研究了1Cr22Mn16N高氮鋼激光焊接熱影響區(qū)（HAZ）的組織和性能。陳巍巍等[13]人研究了NiTiNb形狀記憶合金激光焊接過程中工藝參數(shù)對(duì)焊縫熱影響區(qū)顯微組織、力學(xué)性能的變化規(guī)律。由于塊體非晶合金在常溫下具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高耐蝕性等優(yōu)異的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，在國防裝備、精密機(jī)械、生物醫(yī)用材料、電子信息零件、化工、通訊、運(yùn)動(dòng)器材、醫(yī)療器材等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[14]。本文主要研究了脈沖激光微孔工藝參數(shù)（脈寬、功率）對(duì)熱影響區(qū)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)的材料是厚度為70μm的Cu50Zr50非晶箔材。采用楚天JHM-2GX-200D型激光焊接機(jī)，提供激光沖孔所需激光熱源。焊接機(jī)的輸出電流強(qiáng)度范圍是60-200A，輸出頻率范圍為1-20Hz，激光工作介質(zhì)為Nd：YAG，輸出脈沖激光，激光波長為1.064um。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1）用激光焊接機(jī)進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)電流設(shè)為 60A，離焦量設(shè)為 0，在脈寬為 0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7ms下打孔，每個(gè)參數(shù)下打五個(gè)孔。

（2）用激光焊接機(jī)進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)脈寬設(shè)為 1ms，離焦量設(shè)為 0，在電流為 60A、70A、90A、120A、150A、180A下打孔，每個(gè)參數(shù)下打五個(gè)孔。

采用倒置金相顯微鏡進(jìn)行采圖，并測(cè)量熱影響區(qū)的尺寸。熱影響區(qū)寬度的計(jì)算公式如式（1）所示，具體測(cè)量方法如圖1所示。

熱影響區(qū)寬度計(jì)算公式：

圖1 熱影響區(qū)的寬度

其中Dmax是熱影響區(qū)的外徑最大值，Dmin是內(nèi)徑的最小值。熱影響區(qū)測(cè)量方法為：分別在孔0°，90°兩個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，取外徑最大值和內(nèi)徑最小值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脈寬影響

圖2為不同脈寬下，激光微孔的熱影響區(qū)寬度。圖3為不同脈寬下，激光微孔的熱影響區(qū)寬度。從圖中可以看出，隨著脈寬的增大，熱影響區(qū)寬度呈遞增的趨勢(shì)。當(dāng)脈沖寬度明顯增大時(shí)，則時(shí)間能量密度下降，孔內(nèi)金屬蒸氣密度越小，剩余蒸汽壓力也相應(yīng)減小。此時(shí)激光能量主要以材料在打孔內(nèi)域橫向熱傳導(dǎo)方式表現(xiàn)出來，由此產(chǎn)生大量的液相物質(zhì)，液相物質(zhì)堆積在孔的四周，周圍材料吸收熱量，產(chǎn)生熱影響區(qū)。明顯的特點(diǎn)是反面比正面熱影響區(qū)寬度大，這是因?yàn)槲雌膹U料大多堆積在孔的反面，導(dǎo)致反面材料比正面散熱慢，材料吸收的熱量多。

2.2 功率的影響

圖2 脈寬為1.7時(shí)激光微孔的正反面形貌

圖3 不同脈寬下熱影響區(qū)變化曲線

圖4 不同功率下熱影響區(qū)變化曲線

激光功率和熱影響區(qū)之間的關(guān)系如圖4所示。隨著激光功率的增大，熱影響區(qū)的寬度呈遞增的趨勢(shì)，并且反面的熱影響區(qū)寬度比正面的大。熱影響區(qū)隨脈沖能量增加而增加的原因主要是由于過高的功率密度使打孔過程產(chǎn)生過多的蒸汽相物質(zhì)，因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，致使高壓蒸氣帶著熔融狀物質(zhì)從孔底高速向外噴射，如同產(chǎn)生局部微型爆炸。因此，激光功率越高，即功率密度越大，產(chǎn)生的金屬蒸汽壓力越大，高壓蒸汽帶走的液相物質(zhì)越多，孔徑和孔入口處越大。同時(shí)激光能量增大產(chǎn)生的熱能也增多，微孔周圍的材料吸收的熱量也增多，熱影響區(qū)范圍擴(kuò)大。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了工藝參數(shù)（脈寬、功率）對(duì)CuZr非晶箔材激光微孔過程中熱影響區(qū)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：脈寬越大，熱影響區(qū)寬度越大；功率越大，熱影響區(qū)寬度越大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程 軍，焦 鋒.微小孔鉆削工藝的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2007，（11）：9-11.

[2] 江海和.激光加工技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展及展望[J].中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，2001，14（4）：1-12.

[3] 曾 忠，黎永明.微孔加工技術(shù)的現(xiàn)狀[J].1997，（4）：20-42.

[4] 劉 韌，季 忠，張 鵬，等.板料激光成形及其研究進(jìn)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，（3）：17-21.

[5] 高中堂，張敏華.電磁熱止裂與激光熔覆再制造研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，（2）：70-73.

[6] 張敏華.金屬構(gòu)件激光熔覆強(qiáng)化的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，（2）：73-75.

[7] 楊繼宏.激光打微孔作用機(jī)理及工藝研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[8] A.Bharatish， H.N.Narasimha Murthy， B.Anand， C.D.Madhusoodana G.S.Praveena，M.Krishna.Characterrization of hole circularity and heat affected zone in pulsed CO2 laser drilling of alumina ceramics.2013，2（34）：23-32.

[9]W.L.Johnson，Bulk amorphous metal-An emerging engineering material.Journal of the Minerals Metals&Materials Society，2002，3：40-43.

[10] 王志軍，賈 威，倪曉昌，等.飛秒激光燒蝕金屬鎳熱影響區(qū)的數(shù)值模擬[J].激光技術(shù)，2007，31（6）：567-579.

[11] 劉偉偉，林 鑫，楊高林，等.合金的玻璃形成能力對(duì)激光重熔Zr基非晶熱影響區(qū)晶化的影響 [J].中國激光，2010，37（11）：2932-2936.

[12] 韓志仁，孫 偉，許旭東，等.TC11鈦合金激光切割熱影響區(qū)組織分布[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（4）：650-652.

[13] 趙 琳，田志凌，彭 云，等.1Cr22Mn16N高碳鋼的激光焊接[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（12）：26-29.

[14] 陳巍巍，陳玉華，黃永德，等.超薄NiTiNb記憶合金激光焊焊縫成形及熱影響區(qū)的組織和性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2015，25（1）：63-71.