激光切割技術在鈦合金鍛件上的應用研究

文／黃定輝，王治平，魏麗，洪鑫，仲惟光，蘇化冰，楊恩超·無錫透平葉片有限公司

鈦合金具有密度小、強度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優點，在航空航天領域獲得了廣泛的應用，鈦合金一直是航空航天工業的“脊柱”之一，近年來，鈦合金在石油、化工、冶金、生物醫學和體育用品等領域也開始得到應用，并已成為新工藝、新技術、新設備不可缺少的金屬材料，鈦工業進入一個新的蓬勃發展時期。各類結構、各種尺寸的鈦合金零部件相繼出現，對鈦合金零部件加工的各種嘗試也逐漸開展起來。

一般而言，激光切割具有切縫窄、速度快、熱變形小、質量高、省材省工時、切割范圍廣、加工靈活性好、容易實現自動化、對環境無污染等優點。因此，激光切割技術的應用范圍也很寬，目前已應用于切割鋼板、不銹鋼、厚度1.5mm 左右的鈦板以及鉭、鈮、鎳、銅、鋅、鋁、石英、陶瓷、半導體材料等，應用領域涵蓋食品、醫藥、電子、紡織、汽車工業及航空航天等，但在更厚尺寸的鈦合金板材或鍛件上的應用未見報道。

在鍛造行業，結構鋼及不銹鋼鍛件的飛邊及連皮已大量采用激光切邊技術，而在鈦合金鍛件上激光切割技術在國內仍屬于禁用或限用工藝。但隨著激光切割設備日新月異的發展，激光設備功率的提升和激光切割氣氛的多樣化，給激光切割鈦合金鍛件的高質量應用提供了基礎支撐。因此，激光切割技術在鈦合金鍛件上的應用研究就更有意義了。

試驗材料與試驗方法

選取不同厚度的TC11 鈦合金材料，分別在輔助氣體為O2、功率為3000W 的激光設備及輔助氣體為N2、功率為15000W 的激光設備上進行切割試驗。試驗料外觀及對應厚度尺寸見圖1 和表1。對切割后試驗材料的切割面進行宏觀和微觀組織形貌觀察，通過高倍金相組織形貌評估不同激光器切割條件下熱影響層深度，并通過顯微硬度進行熱影響層厚度的驗證評估。

圖1 激光切割用試驗料外觀形貌

表1 試驗料編號與厚度尺寸

試驗結果與分析

在每組試驗料切割前都會在相應厚度的材料上進行切割參數調試，調試包括調節激光功率、切割速度、調整透鏡焦平面距離工件的距離以及輔助氣體噴嘴形狀、大小等參數，通過調整找到最佳的切割參數后再進行實物的切割。

3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割鈦合金的應用研究

3000W 功率、O2輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌見圖2，對應顯微組織見圖3。從其宏觀和顯微組織上看，此條件下激光切割鈦合金鍛件的切割面凹凸不平、氧化現象明顯，且切割面凹凸程度及熱影響層厚度隨切割厚度的增加而增加，這與鈦合金熱傳導率差及其易與O2反應的特性有關。O2在冷卻激光透鏡及噴嘴的同時，鈦合金與O2發生劇烈氧化反應并放出大量熱量，因鈦合金導熱率差熱量難以擴散而集聚，便產生了切割面凹凸不平的氧化結果，而O2起到一定的助燃作用，使得激光切割過程中發出耀眼白光，且因為助燃，其在切割過程中未出現切割功率不足而難以切割的現象，切割厚度可不受限。但隨切割鍛件厚度的增加，氧化程度加劇明顯。

圖2 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌

圖3 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割不同厚度試料熱影響層形貌

為評估金相熱影響層厚度的可信度，選取3#金相試樣進行維氏硬度檢測以佐證金相評估方法。維氏硬度檢測均按加載0.5kg，保載12s 進行，檢測結果見圖4，通過金相組織評估其熱影響層深度為2.58mm，通過維氏硬度評估其熱影響層深度為2.49mm，由此證明通過金相組織評估激光切割熱影響層深度的方法可信。

圖4 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割25mm 厚試料熱影響層維氏硬度檢測情況

3000W 功率、O2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件表面通過金相組織對比其熱影響層深度見圖3，結合切割過程中氧化凹凸影響的深度結果，統計出不同厚度下切割總影響深度(總影響深度包括熱影響層和氧化凹坑深度)結果見圖5。由圖5 可以看出，當切割試料厚度由13mm增大到25mm時其總影響深度從3.81mm 增大到4.88mm，此影響深度已經超過了鍛件的設計余量，在鍛件飛邊切割、連皮切割及粗加工上不具備使用條件。

圖5 3000W 功率、O2 輔助條件下激光切割不同厚度試料與總影響層深度對應關系

15000W 功率、N2 輔助條件下激光切割鈦合金的應用研究

15000W 功率、N2輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌見圖6，對應顯微組織見圖7。從其宏觀和顯微組織上看，此條件下激光切割鈦合金鍛件的切割面較為平坦且顯示為光亮的金屬光澤，氧化現象不明顯，切割面熱影響層厚度隨切割厚度的增加而增加，熱影響層厚度較3000W 功率、O2輔助條件下薄很多，這與鈦合金不易與N2反應的化學特性有關，但隨著切割試料厚度的增加，在切割中因熱量聚集時間加長，氧化現象不可避免，因此，隨切割試料厚度增加其熱影響層厚度會增加。

圖6 15000W 功率、N2 輔助條件下激光切割不同厚度試料切割面宏觀形貌

圖7 激光切割不同厚度試料熱影響層形貌

此條件下的切割過程中光束能量較O2輔助條件下弱，切割更厚試料時，為保障表面氧化程度可接受需要進行工藝參數調試，但調整后會出現切割不透的現象，因此，若要保障切割面的質量，切割更厚的試料需更大功率的激光切割設備。

15000W 功率、N2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件表面通過金相組織對比其熱影響層深度見圖7，統計出不同厚度下切割熱影響深度結果見圖8，由圖8可以看出，當切割試料厚度由13mm增大到25mm時其熱影響深度從0.09mm 增大到1.16mm，該熱影響深度還在鍛件的設計余量范圍內，在鍛件飛邊切割、連皮切割及粗加工上具備使用條件。

圖8 15000W 功率、N2 輔助條件下激光切割不同厚度試料與熱影響層深度對應關系

結論及展望

3000W 功率、O2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件，因鈦與O2極易發生化學反應且O2具有助燃作用，可切割較厚的鈦合金鍛件，但在切割表面出現明顯凹凸不平現象且熱影響層較厚，試料厚度由13mm 增加到25mm時其總影響深度從3.81mm增大到4.88mm，該影響深度已經超過了鍛件的設計余量，不具備推廣應用的條件。

15000W 功率、N2輔助條件下激光切割鈦合金鍛件，因鈦與N2不易發生化學反應，可切割鈦合金鍛件厚度有限，但其切割表面光滑且熱影響層較薄，試料厚度由13mm 增大到25mm 時其總影響深度從0.09mm 增大到1.16mm，該影響深度仍在鍛件的設計余量范圍內，可實現推廣應用。

隨著激光技術的發展，更大功率的激光設備在不斷研發、惰性輔助氣體的應用更為多樣化，大功率、惰性氣體輔助的激光設備用于鈦合金鍛件的加工就顯示出了明顯的效率、成本和環保優勢。激光切割技術在鈦合金鍛件加工上的“禁用、限用”的約束也必將隨著激光技術的發展而被放開。