段文強(qiáng),王恪典,董霞,梅雪松,王文君,凡正杰

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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激光旋切法加工高質(zhì)量微小孔工藝與理論研究

段文強(qiáng)1,2,王恪典1,2,董霞1,2,梅雪松1,2,王文君1,2,凡正杰1,2

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

針對激光微小孔加工中微小孔幾何形貌和孔壁重鑄層這2個(gè)影響微小孔加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素,利用大功率Nd:YAG毫秒脈沖激光器,分別在304不銹鋼和DZ445定向結(jié)晶鎳基合金上進(jìn)行孔加工實(shí)驗(yàn),主要研究了激光旋切法加工微小孔的工藝特點(diǎn),對旋切法所涉及的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(旋切路徑、旋切速度、旋切圈數(shù))對孔質(zhì)量的影響規(guī)律進(jìn)行了深入探討。結(jié)果顯示:邊緣起點(diǎn)的旋切路徑易導(dǎo)致孔緣出現(xiàn)缺口,而圓心起點(diǎn)的旋切路徑可以避免這種現(xiàn)象;旋切速度和旋切圈數(shù)對孔壁重鑄層厚度影響顯著,重鑄層厚度隨著旋切速度的降低和旋切圈數(shù)的增加而減小,其機(jī)理在于,孔壁重鑄層在旋切過程中會(huì)因激光的重復(fù)照射再次發(fā)生熔化,并在氣化壓力與輔助氣壓等驅(qū)動(dòng)力的共同作用下克服黏滯力發(fā)生質(zhì)量遷移,進(jìn)而從孔出口排出,在其他工藝條件不變的情況下,重鑄層的厚度與質(zhì)量遷移的持續(xù)時(shí)間成反比。

激光打孔,旋切法,重鑄層,旋切路徑,旋切速度,旋切圈數(shù)

激光是光的受激放大輻射,與其他光源相比具有極好的方向性、極高的亮度和相干性[1]。聚焦后的激光束作用于材料表面,可引起靶材發(fā)生熔化、氣化、焦化、噴射或燃燒等現(xiàn)象,使材料表面出現(xiàn)質(zhì)量遷移[2],這種激光燒蝕效應(yīng)可以被用來進(jìn)行激光加工(刻蝕、焊接、打孔、切割等),而且具有高效、高精度、高質(zhì)量、應(yīng)用范圍廣、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn),并能實(shí)現(xiàn)柔性加工和超微細(xì)加工[3]。激光加工技術(shù)在汽車、航空航天、微電子、鋼鐵冶金等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用,在有些行業(yè)已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。

微小孔在制造業(yè)中有很大的需求量,如汽車噴油嘴噴孔、航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的海量氣膜冷卻孔、噴墨打印機(jī)噴頭等,而現(xiàn)有的加工技術(shù),如電花火加工和電解加工,或是已經(jīng)無法滿足更高的工業(yè)要求,或是效率太低,而激光加工能夠以更高的效率加工出孔徑更小、質(zhì)量更好的微小孔。在西方發(fā)達(dá)國家的企業(yè),如美國的GE公司、英國的羅羅公司,激光微小孔加工技術(shù)已經(jīng)被非常成功地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中,然而,這些技術(shù)被嚴(yán)格封鎖,成為制約我國工業(yè)制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

目前,國內(nèi)激光加工微小孔技術(shù)的研究還存在諸多未解決的問題,其中2個(gè)重要的問題就是孔形優(yōu)化和孔壁重鑄層,相比之下,后者更不易解決。重鑄層是激光加工中熔化后的材料未被完全排出而冷卻粘結(jié)在孔壁上的殘余熔化物,因?yàn)槔鋮s速度過快,熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致重鑄層中出現(xiàn)微裂紋,在一定條件下這種微裂紋會(huì)在零件服役過程中向基體內(nèi)部擴(kuò)展,這對整機(jī)設(shè)備的安全性是一種潛在的嚴(yán)重威脅[4]。

本文的工作主要針對孔形優(yōu)化和孔壁重鑄層展開。在激光參數(shù)優(yōu)化方面,大量已公開的文獻(xiàn)資料[5-7]表明,更窄的激光脈沖寬度和更高的峰值功率有助于加工出重鑄層更小的微小孔。本課題組前期的研究結(jié)果也證實(shí)了一點(diǎn)[8]。Chien等人利用正交優(yōu)化方法在718鎳基合金材料上對包括旋切速度、輔助氣壓、脈沖能量在內(nèi)的8個(gè)激光加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究,加工出了最小重鑄層厚度為38 μm的微小孔,并且認(rèn)為重鑄層厚度會(huì)隨旋切速度的降低而減小[7]。然而,他們給出的最佳旋切速度是1.25 mm/s,這與本研究得到的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)。此外,他們還認(rèn)為重鑄層在孔入口的厚度比在其他孔深位置的都要大,這也和本文的發(fā)現(xiàn)有很大的出入。文獻(xiàn)[7,9]關(guān)于輔助氣壓的結(jié)論為本研究提供了有益的借鑒。Zhang等人研究了在激光打孔過程中材料發(fā)生的氣化、熔化和熱傳導(dǎo)等現(xiàn)象,指出了加工中因熱傳導(dǎo)損失的熱量對孔質(zhì)量的影響[10]。文獻(xiàn)[11-12]表明,在長脈沖(如毫秒脈沖)激光微小孔加工過程中,材料的總?cè)コ恐幸簯B(tài)噴濺占了相當(dāng)大的比例,根據(jù)光強(qiáng)和材料的不同,這個(gè)比例能高達(dá)70%,這既解釋了為什么毫秒激光加工的孔重鑄層一般都很厚,也為本文的減小重鑄層研究提供了原始理論依據(jù)。

1 激光打孔方式

脈沖激光打孔方式可分為沖擊式(叩擊式)、旋切式、螺旋式[13]3類,如圖1所示。定點(diǎn)沖擊式加工是在加工過程中激光束與工件位置相對靜止,在一系列脈沖能量沖擊下完成小孔加工,孔徑接近光斑尺寸。與其他方式相比,這是最基礎(chǔ)也是最快的一種激光打孔方式,但孔的質(zhì)量直接受到光束質(zhì)量和聚焦光學(xué)系統(tǒng)的影響[13],一般加工出的小孔熱效應(yīng)明顯,精度和孔壁質(zhì)量均較差。旋切式加工是利用聚焦光束在工件表面做圓周運(yùn)動(dòng),切除圓內(nèi)多余材料后形成小孔,加工過程中焦點(diǎn)位置在軸向保持不變。這種光束旋轉(zhuǎn)可以通過2個(gè)機(jī)械直線軸差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn),也可以通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)棱鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn):前者適合于各種類型的激光器,原理上可以加工任意孔徑的小孔和異形孔;后者多用于納秒級和更短脈沖的激光器,且只能加工一定直徑范圍內(nèi)的圓孔。由于旋切加工過程更有利于熔融物質(zhì)排出,孔壁熱影響區(qū)和重鑄層相對較小,因此孔質(zhì)量較高。螺旋式加工是在旋切加工的基礎(chǔ)上加入了焦點(diǎn)位置漸近地向工件內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的加工方式,這樣加工出來的孔的精度和圓柱度更高一些,但工藝相對較復(fù)雜,在大能量激光孔加工中應(yīng)用較少。

本文結(jié)合各加工方式的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室條件,選擇以旋切法為研究對象開展工藝優(yōu)化研究。

圖1 脈沖激光打孔方式

2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用英國GSI公司專門為打孔用途設(shè)計(jì)生產(chǎn)的JK300D型Nd:YAG燈泵浦固體激光器,最大平均輸出功率為300 W,最大峰值功率為16 kW,脈沖寬度從0.2 ms到5 ms連續(xù)可調(diào),波長1.06 μm。該激光器的優(yōu)點(diǎn)是加工效率高,穩(wěn)定性好,不需要苛刻的操作環(huán)境,因此非常適合工業(yè)應(yīng)用,但缺點(diǎn)是加工過程存在較嚴(yán)重的熱影響,如采用沖擊式直接加工的微小孔,孔壁重鑄層厚度在50 μm左右。激光能量通過光纖傳至激光頭,激光頭固定在一臺(tái)自制的五軸(3個(gè)直線軸,2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸)精密運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上,其單軸直線定位精度為5 μm,重復(fù)定位精度為3 μm,可在X-Y、X-Z、Y-Z3個(gè)平面內(nèi)做任意曲線差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)?？赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)激光頭來改變光束與樣品表面的夾角,而且可從激光頭腔體內(nèi)吹出與光束平行的高壓輔助氣體(本文采用壓縮空氣)。圖2為實(shí)驗(yàn)用的激光加工系統(tǒng)示意圖。

圖2 激光加工系統(tǒng)示意圖

3 旋切路徑優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

激光旋切法加工微小孔其實(shí)就是一種走刀路徑為圓環(huán)的激光切割。由于激光加工的特殊性,不同的光束路徑會(huì)對孔形產(chǎn)生不同的影響。

3.1 邊緣起點(diǎn)旋切法

一般的旋切法是直接從圓周上的某一點(diǎn)開始,完成旋切后回到起點(diǎn),如圖3a所示。這種加工路徑的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、效率高,但是存在一個(gè)缺陷,就是容易在孔邊緣產(chǎn)生一個(gè)如圖3b所示的缺口。

(a)路徑

(b)入口孔形圖3 邊緣起點(diǎn)旋切路徑及其加工效果

孔緣產(chǎn)生缺口的原因很可能是加工開始時(shí)第一個(gè)激光脈沖的前沿與材料表面相互作用的特殊性造成的,因?yàn)榈谝粋€(gè)脈沖與材料發(fā)生作用時(shí),材料溫度較低且表面平整,材料對激光的反射率很高。Kar等人的研究[14]也表明,激光與金屬材料作用的起始初段,材料對激光的反射率很高,但是當(dāng)材料表面溫度超過熔點(diǎn)時(shí),反射率會(huì)迅速降低,他們推薦的此時(shí)適合的吸收率為85%。反射率高意味著材料需要更長的時(shí)間才能吸收足夠的熱量達(dá)到熔點(diǎn),這同時(shí)也意味著熱量可以在材料內(nèi)部通過熱傳導(dǎo)傳播更遠(yuǎn)的距離。所以,當(dāng)輻照范圍內(nèi)的材料達(dá)到熔點(diǎn)后,較小的溫度梯度就會(huì)導(dǎo)致光斑范圍外的一部分材料也發(fā)生熔化,這時(shí)在氣化壓力和輔助氣流的作用下,液態(tài)材料被排出,所產(chǎn)生的小孔的孔徑必然大于光斑直徑,在旋切加工中,這種較大的起始孔徑就會(huì)成為孔緣上的缺口。

(a)起點(diǎn) (b)終點(diǎn) 圖4 激光直線切割時(shí)的起、終點(diǎn)差異

對于以上分析,本文通過2個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證:一個(gè)是孔徑無限大的旋切實(shí)驗(yàn),即直線切割;另一個(gè)是隨機(jī)出光旋切實(shí)驗(yàn)。圖4和圖5分別是這2個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。從圖4中可以看出,起點(diǎn)處明顯有一個(gè)已成型的小孔,其直徑大于隨后切割時(shí)的線寬。如果將實(shí)驗(yàn)中的路徑首尾相連,則起點(diǎn)處自然就形成一個(gè)缺口。圖5中6個(gè)小孔邊緣均出現(xiàn)了缺口,而且出現(xiàn)的位置不一樣,這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中是先讓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開始旋轉(zhuǎn),然后再隨機(jī)手動(dòng)開啟激光快門開始加工。缺口位置的隨機(jī)分布也證明了缺口是由于激光加工中的第一個(gè)脈沖造成的。

圖5 隨機(jī)出光旋切實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 圓心起點(diǎn)旋切法

(a)路徑

(b)加工效果圖6 圓心起點(diǎn)直線引入旋切路徑及其加工效果

為了避免旋切加工的小孔孔緣出現(xiàn)缺口,就必須改變旋切路徑,因此進(jìn)行了以圓心為起點(diǎn)的旋切加工實(shí)驗(yàn)。路徑形式如圖6a所示,即激光在圓心位置開啟,先通過沖擊方式鉆出一個(gè)小孔后,向預(yù)設(shè)孔邊移動(dòng),然后開始旋切,完成加工后光束又回到圓心位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6b所示,可以看出,這種路徑加工出的小孔孔緣完整,缺口已經(jīng)消失。因此,以圓心為起點(diǎn)的旋切路徑是一種比較好的選擇,本文在接下來的實(shí)驗(yàn)研究中將采取這種旋切路徑。

此外,文獻(xiàn)[15]中采用沿與孔內(nèi)壁相切的引入線開始旋切加工,也得到了孔緣完整的微小孔,見圖7。這2種引入線的加工效果無明顯差異,但相比之下前者的工藝操作性更簡單一些。

圖7 圓心起點(diǎn)切線引入旋切路徑及其加工效果

4 不銹鋼材料上關(guān)于孔壁重鑄層的旋切加工實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

304不銹鋼是一種綜合性能良好的常用不銹鋼材料,具有耐高溫、耐腐蝕、加工性能好的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于制造有較高要求的設(shè)備和零件。本文計(jì)劃先在不銹鋼材料上進(jìn)行規(guī)律探索實(shí)驗(yàn),然后將所得規(guī)律移植到一種性能優(yōu)越的高溫超合金——定向結(jié)晶鎳基合金DZ445。實(shí)驗(yàn)中所用樣品的厚度均為2 mm。

激光旋切加工微小孔工藝中涉及2個(gè)重要的參數(shù):旋切速度和旋切圈數(shù)。旋切速度指光束繞圓心旋轉(zhuǎn)的線速度;旋切圈數(shù)指光束繞圓心旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。本文將從實(shí)驗(yàn)與理論2個(gè)方面研究這2個(gè)參數(shù)對孔壁重鑄層厚度的影響規(guī)律,而激光參數(shù)和其他輔助條件則根據(jù)本課題組前期的研究經(jīng)驗(yàn)和前述相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道,設(shè)定為實(shí)驗(yàn)室條件所能達(dá)到的最佳值,且在本文實(shí)驗(yàn)中均保持不變。具體參數(shù)如下:脈寬為0.2 ms;峰值功率為16 kW;脈沖能量為3.2 J;頻率為70 Hz;離焦量為-0.1 mm;輔助氣壓為1 MPa。

4.1 旋切速度

首先在304不銹鋼上進(jìn)行了不同旋切速度的微小孔加工實(shí)驗(yàn),旋切速度依次設(shè)為0.01、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1 mm/s,每個(gè)速度下重復(fù)加工3個(gè)孔,每孔旋切2圈,光束與工件表面的夾角為90°,即光束垂直于工件表面。加工完成后,對樣品進(jìn)行打磨拋光和金相腐蝕,然后用金相顯微鏡觀察并測量孔壁重鑄層厚度,求出各個(gè)速度下厚度的平均值。圖8所示為重鑄層厚度隨旋切速度變化的折線圖,從中可以看到,隨著旋切速度的增加,重鑄層厚度明顯變大,特別是在0.1至0.3 mm/s之間最為顯著,而當(dāng)旋切速度小于0.1 mm/s或大于0.5 mm/s時(shí),重鑄層厚度的變化趨于平緩。由圖8還可以看出,不同的旋切直徑對重鑄層厚度基本沒有影響。圖9所示是旋切速度為0.1和0.3 mm/s時(shí)加工的小孔的金相圖。

圖8 重鑄層厚度隨旋切速度的變化

(a)旋切速度為0.1 mm/s

(b)旋切速度為0.3 mm/s圖9 2種旋切速度下所加工小孔的重鑄層金相圖

在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象,就是當(dāng)旋切速度過低時(shí),小孔邊緣會(huì)出現(xiàn)如圖10所示的裂紋,而且隨著旋切速度的降低,裂紋現(xiàn)象會(huì)變得更加嚴(yán)重。這意味著,通過降低旋切速度來減小重鑄層是有限度的。在本實(shí)驗(yàn)中,未出現(xiàn)孔緣裂紋的最小旋切速度是0.1 mm/s,此時(shí)的重鑄層厚度平均值為2.8 μm。

圖10 孔邊緣裂紋(旋切速度為0.01 mm/s)

4.2 旋切圈數(shù)

為了明確旋切圈數(shù)對孔壁重鑄層的影響,保持旋切速度為0.3 mm/s不變,進(jìn)行了旋切圈數(shù)為1到10的單因素實(shí)驗(yàn),每個(gè)旋切圈數(shù)加工3個(gè)孔,然后對樣品進(jìn)行打磨、拋光、金相腐蝕,再用金相顯微鏡觀察并測量每個(gè)孔的重鑄層厚度,最后求出每個(gè)旋切圈數(shù)下的厚度平均值。圖11為重鑄層厚度隨旋切圈數(shù)的變化情況,可以看出,總體上重鑄層厚度是隨著旋切圈數(shù)的增加而下降的,而下降速度在旋切圈數(shù)為2～6的范圍內(nèi)最為顯著,之后趨于平緩,基本穩(wěn)定在4 μm。從圖12可以看到,旋切8圈所得小孔的重鑄層厚度明顯小于旋切2圈的厚度。

圖11 不同旋切圈數(shù)下重鑄層厚度的變化趨勢

(a)旋切2圈

(b)旋切8圈圖12 2種旋切圈數(shù)加工的小孔的金相圖

同樣,隨著旋切圈數(shù)的增加,小孔邊緣也出現(xiàn)了類似圖10的裂紋,并且裂紋長度和密度呈迅速增加的趨勢。圖13是對旋切圈數(shù)分別為1、3、5、7、9的小孔邊緣的裂紋長度進(jìn)行測量后繪制的孔緣裂紋總長度平均值曲線,其中虛線為數(shù)據(jù)點(diǎn)的多項(xiàng)式擬合曲線。

圖13 小孔邊緣裂紋總長度隨旋切圈數(shù)的變化

5 鎳基合金材料上關(guān)于孔壁重鑄層的旋切加工實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

材料屬性的差異會(huì)導(dǎo)致不同的激光加工結(jié)果。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更貼近工程實(shí)際并驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律,在不銹鋼材料實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對厚度為2 mm的DZ445定向結(jié)晶鎳基合金進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn)。這種材料常被用來制造有較高質(zhì)量要求的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片。

5.1 初步實(shí)驗(yàn)

在系統(tǒng)地開展實(shí)驗(yàn)前,首先嘗試進(jìn)行了旋切速度為0.05 mm/s、旋切4圈的微小孔加工,結(jié)果顯示孔邊緣并沒有出現(xiàn)不銹鋼實(shí)驗(yàn)中的微裂紋,這說明在高溫性能更加良好的鎳基合金材料上,通過減速增圈來減小重鑄層的方法仍然是有效的。因此,選擇0.05、0.1 mm/s 2個(gè)旋切速度分別與5至10的6個(gè)旋切圈數(shù)配合進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),其他參數(shù)不變。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,每組參數(shù)仍然加工3個(gè)小孔,經(jīng)過金相處理和測量后,分別求出各參數(shù)組下孔的入口和出口重鑄層厚度的平均值,然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖14所示。從圖中可以觀察到以下特點(diǎn):

(1)孔壁重鑄層的厚度隨著旋切圈數(shù)的增加而減小;

(2)較低的旋切速度可以加工出重鑄層更薄的微小孔;

(3)小孔出口的重鑄層厚度普遍比入口的大。

另外,對此次實(shí)驗(yàn)中所加工小孔的入口孔徑也進(jìn)行了測量與分析,結(jié)果如圖15所示。從圖中可以看到,不同的旋切速度和旋切圈數(shù)對孔徑基本沒有影響。本次實(shí)驗(yàn)中的最小重鑄層出現(xiàn)在旋切速度為0.05 mm/s、旋切10圈的小孔的入口處,厚度約為12.6 μm。與相同參數(shù)的不銹鋼實(shí)驗(yàn)情況相比,鎳基合金材料上的重鑄層要厚很多,但是所有小孔邊緣都沒有出現(xiàn)微裂紋,這更證明了DZ445鎳基合金的特殊性。

圖14 不同旋切圈數(shù)和旋切速度下所加工小孔的重鑄層厚度變化情況

圖15 不同旋切圈數(shù)和旋切速度下所加工小孔的入口孔徑變化情況

5.2 深化實(shí)驗(yàn)

圖16 2種旋切速度、旋切圈數(shù)為6～16時(shí)所加工小孔的孔壁重鑄層變化情況

鑒于初步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,繼續(xù)進(jìn)行了更大參數(shù)范圍內(nèi)的加工實(shí)驗(yàn),旋切速度降低到0.01 mm/s,旋切圈數(shù)擴(kuò)展到16。對樣品進(jìn)行金相處理和測量后,結(jié)果如圖16和圖17所示。為了更清楚地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體變化趨勢,對每組數(shù)據(jù)均進(jìn)行了線性擬合。圖16為不同旋切速度和旋切圈數(shù)下所加工小孔的孔壁重鑄層厚度變化情況,總體而言,旋切速度為0.01 mm/s時(shí)所得小孔的重鑄層厚度小于0.05 mm/s時(shí)所得的重鑄層厚度,而且0.05 mm/s時(shí)的重鑄層厚度隨著旋切圈數(shù)的增加而下降,但是0.01 mm/s時(shí)所得的重鑄層厚度卻不隨旋切圈數(shù)的增加而變化。圖17是根據(jù)4.1節(jié)實(shí)驗(yàn)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)與本節(jié)實(shí)驗(yàn)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)綜合繪制出的在不同旋切圈數(shù)和旋切速度下所加工小孔的入口重鑄層厚度變化趨勢圖,從中可以很清楚地看到:重鑄層厚度隨著旋切速度的降低而減小;旋切圈數(shù)的增加也會(huì)使重鑄層減小,但是這種趨勢隨旋切速度的降低逐漸開始收斂,這和圖16中觀察到的情況一致。圖18a、18b分別為旋切速度為0.03 mm/s、旋切6圈和旋切速度為0.01 mm/s、旋切14圈所得小孔的入口金相圖,可以直觀地看出不同旋切速度和旋切圈數(shù)對孔壁重鑄層的影響,其中圖18b也是實(shí)驗(yàn)中的最小重鑄層孔,重鑄層厚度約為4.8 μm。另外,當(dāng)旋切速度為0.01 mm/s、旋切圈數(shù)超過14時(shí),孔邊緣只出現(xiàn)了少量裂紋。

圖17 不同旋切圈數(shù)和旋切速度下所加工小孔的入口重鑄層變化線性趨勢圖

(a)旋切速度為0.03 mm/s,旋切圈數(shù)為6(重鑄層厚度為26.3 μm)

(b)旋切速度為0.01 mm/s,旋切圈數(shù)為14(重鑄層厚度為4.8 μm) 圖18 鎳基合金材料上2種不同旋切參數(shù)下所加工小孔的入口金相圖

6 旋切加工中重鑄層厚度變化的機(jī)理

旋切加工的過程可劃分為2個(gè)階段:首先是激光切割;其次是激光旋轉(zhuǎn)修形。前者的主要作用是去除圓周內(nèi)的材料形成粗孔,后者主要是對孔壁進(jìn)行修整,去除孔壁附著物,使孔壁更加圓整。根據(jù)材料的厚度和激光能量的大小,這2個(gè)階段的時(shí)間分配比例會(huì)有所不同,在不同階段會(huì)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象和結(jié)果,而重鑄層厚度隨旋切速度和旋切圈數(shù)變化的機(jī)理則主要存在于第二階段。

首先,旋切加工中孔壁重鑄層的變化表現(xiàn)為液態(tài)材料的質(zhì)量遷移。圖19所示為不銹鋼實(shí)驗(yàn)中在0.1 mm/s旋切速度和不同旋切圈數(shù)(n=2,3,4,5,6)下所加工小孔的重鑄層從入口到出口沿孔壁的分布變化情況。在測量過程中,沿著孔壁縱向每隔50 μm進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。從圖中可以明顯看到,隨著旋切圈數(shù)的增加,重鑄層材料發(fā)生了從孔入口向出口的質(zhì)量遷移。另外,當(dāng)旋切圈數(shù)較多時(shí),孔內(nèi)部也觀察到了微裂紋。

圖19 不同旋切圈數(shù)下重鑄層厚度沿孔深度的分布變化

6.1 重鑄層厚度變化機(jī)理的動(dòng)力學(xué)分析

假設(shè)小孔孔型為理想無錐度圓柱孔,光斑范圍內(nèi)光強(qiáng)均勻分布,光束方向豎直向下,則可對旋切加工中重鑄層減小的機(jī)理做如下分析。

在激光加工中,使熔融物遷移的驅(qū)動(dòng)力F主要來源于激光與材料作用區(qū)域附近的氣壓和熔融材料飛離樣件時(shí)出口處氣壓的差值,此差值由材料氣化時(shí)產(chǎn)生的反沖氣壓Pr、輔助氣流氣壓Pa和環(huán)境氣壓P03個(gè)因素決定,在加工中的不同時(shí)刻三者的作用和貢獻(xiàn)會(huì)有所不同。此外,若加工時(shí)激光束豎直向下,還需要考慮重力的影響,并規(guī)定當(dāng)各力的方向有利于融熔物排出時(shí)為正,否則為負(fù)。

熔融物排出的最大阻力來自于液態(tài)材料內(nèi)部及與固體孔壁間的黏滯力f,黏滯力的大小與輻照范圍內(nèi)液態(tài)材料的體積及其分布形式以及黏度系數(shù)μ有關(guān)。液態(tài)材料的體積可通過重鑄層厚度和光斑大小推算,黏度系數(shù)取決于液態(tài)材料的性質(zhì)和溫度,并且會(huì)隨著溫度的升高而減小。所以,黏滯力可表示為

(1)

式中:T為熔融狀材料的溫度,加工過程中會(huì)在熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間的范圍內(nèi)變化;μ是溫度的函數(shù);u是熔融物流動(dòng)的速度;y是在重鑄層厚度范圍內(nèi)由圓心向外的徑向坐標(biāo);?u/?y表示熔融物在重鑄層內(nèi)的流動(dòng)速度梯度;h是孔深;l是在激光輻照范圍內(nèi)的重鑄層邊緣弧長。在第二階段,l可表示為重鑄層厚度δ的函數(shù)

(2)

式中:R為理想的無重鑄層孔的半徑;b是l對應(yīng)的半弦長,在數(shù)值上

4Rr)(2R-δ)]1/2(R-r)-1

(3)

其中r為光斑半徑。

(1)在中心小孔穿透前,氣化反沖壓力起主導(dǎo)作用,此時(shí)的輔助氣壓因?yàn)樵黾恿巳肟谔幍臍鈮憾蔀樽枇?。底部熔融物在反沖氣壓的推動(dòng)下從熔池沿著孔壁向上移動(dòng),并以液態(tài)濺射的形式從入口噴出,此時(shí)的驅(qū)動(dòng)力

F=S0(Pr0-Pa0-P0)-ρS0hg-f

(4)

式中:P0為大氣壓力;ρ是材料的密度;g為重力加速度;S0為整個(gè)孔壁圓周上重鑄層的橫截面積

S0=π[(r0+δ)2-r02]

(5)

其中r0為中心小孔的半徑。

由式(4)可以看到,此時(shí)熔融物排出遇到的阻力因素最多,導(dǎo)致熔融物不能有效排出,這時(shí)若停止加工,熔融物就會(huì)停留在孔內(nèi)形成較厚的重鑄層。

(2)中心小孔穿透后,激光切割過程中的大部分熔融物將從出口排出,此時(shí)氣化反沖壓力、輔助氣流壓力和重力方向基本一致,均是豎直向下的,更有利于熔融物的排出,并且光斑的運(yùn)動(dòng)也減輕了熱量在材料內(nèi)部的累積效應(yīng),客觀上減少了材料發(fā)生熔化的總量,這也正是旋切加工相比沖擊加工重鑄層更小的原因。這時(shí)的驅(qū)動(dòng)力

F=S1(Pr1+Pa1-P0)+ρS1hg-f

(6)

(7)

(3)當(dāng)激光切割完成后,加工進(jìn)入第二階段的孔壁修形。隨著光束的繼續(xù)旋轉(zhuǎn),光斑輻照區(qū)域內(nèi)的材料逐漸減少,氣化壓力的主導(dǎo)地位將逐漸下降,直至材料不再發(fā)生氣化時(shí)變?yōu)?,輔助氣壓逐漸變?yōu)橹饕?qū)動(dòng)力。但是,隨著輻照區(qū)域內(nèi)材料繼續(xù)減少,當(dāng)材料不再發(fā)生熔化時(shí),輔助氣流的驅(qū)動(dòng)作用也將消失,此時(shí)孔壁重鑄層達(dá)到最小極限。這個(gè)過程中的驅(qū)動(dòng)力可表示為

F=(S2-S2,vf)Pr2+(S2-S2,mf)(Pa2-
P0)+ρS2hg-f

(8)

式中

(9)

S2是孔壁重鑄層在入口端面上受到激光照射的面積;S2,vf和S2,mf分別是氣化終止和熔化終止時(shí)S2的值,對于確定的光強(qiáng)和材料,這2個(gè)值是常數(shù),可分別稱為氣化極限重鑄層面積和熔化極限重鑄層面積。設(shè)輻照范圍內(nèi)重鑄層材料吸收的能量與損失的能量差值

Δ=Q吸-Q傳導(dǎo)-Q對流-Q輻射

(10)

式中:Q吸為光斑輻照范圍內(nèi)重鑄層吸收的能量;Q傳導(dǎo)、Q對流、Q輻射分別是因熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射而損失的能量。之所以存在S2,vf和S2,mf,就是因?yàn)殡S著重鑄層厚度的減小,Q吸也隨之減小,當(dāng)Δ小于材料氣化所需吸收的熱量,即

Δ

(11)

時(shí),孔壁材料便不再氣化,蒸發(fā)氣壓排出液態(tài)材料的驅(qū)動(dòng)作用消失。在式(11)中:m1是與材料氣化比例相關(guān)的系數(shù);C為比熱容;Tb為沸點(diǎn)溫度;T0為初始室溫;Lm、Lv分別為材料的熔化潛熱和氣化潛熱。

當(dāng)Δ小于材料熔化需要吸收的熱量,即

Δ

(12)

時(shí),孔壁材料不會(huì)再發(fā)生熔化,小孔的重鑄層厚度即達(dá)到最小極限。

綜上所述,在激光旋切加工微小孔的過程中,重鑄層的減小需滿足以下幾個(gè)條件:

(1)光斑范圍內(nèi)的孔壁重鑄層在激光照射時(shí)可重復(fù)發(fā)生熔化或氣化,即材料對激光能量的吸收速率應(yīng)大于因熱傳遞而損失的速率;

(2)熔融物受到的驅(qū)動(dòng)合力F>0;

(3)材料在熔融狀態(tài)下持續(xù)的總時(shí)間,即液態(tài)遷移時(shí)間,要足夠長,以使驅(qū)動(dòng)力能將其沿孔壁推到出口外。

6.2 重鑄層厚度與旋切工藝參數(shù)的關(guān)系

在熔融物總量不再增加的情況下(由圖15可以推斷出),孔壁重鑄層的厚度會(huì)與材料在熔融狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間tm成反比,即

(13)

(14)

式中:C為旋切路徑的周長,但是t與C沒有依賴關(guān)系;V為旋切速度;n為旋切圈數(shù);Q損為旋切中損失的總能量;w和m2是2個(gè)常系數(shù)。從式(13)、(14)可以看出,激光旋切法加工微小孔的重鑄層厚度會(huì)隨著旋切速度的降低而減小,同時(shí)也會(huì)隨著旋切圈數(shù)的增加而減小,但是由于熱損失的存在,在理論上旋切加工無法完全去除孔壁重鑄層,這些都和本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

7 結(jié) 論

本文基于實(shí)驗(yàn)研究,并結(jié)合理論分析,研究了激光旋切加工方法中旋切路徑和旋切參數(shù)對微小孔質(zhì)量的影響特點(diǎn),重點(diǎn)研究了光束旋切速度和旋切圈數(shù)對孔壁重鑄層的影響規(guī)律,并從理論上分析了產(chǎn)生這種規(guī)律的原因,得出以下結(jié)論:

(1)邊緣起點(diǎn)的旋切路徑會(huì)導(dǎo)致孔緣上出現(xiàn)缺口,這是因?yàn)椴牧媳砻鎸ζ鹗济}沖的反射率較大,熱擴(kuò)散距離遠(yuǎn),導(dǎo)致更大范圍內(nèi)材料被燒蝕熔化,這種現(xiàn)象可以通過圓心起點(diǎn)的旋切路徑予以避免;

(2)旋切速度和旋切圈數(shù)對重鑄層厚度都有顯著的影響,更低的旋切速度和更多的旋切圈數(shù)可以加工出重鑄層更小的孔,但是這2個(gè)參數(shù)對孔徑大小基本沒有影響;

(3)旋切加工中重鑄層厚度的變化是因?yàn)樵诠馐D(zhuǎn)過程中,孔壁重鑄層會(huì)因激光的重復(fù)照射再次發(fā)生熔化,并在氣化壓力、輔助氣流壓力和重力的共同驅(qū)動(dòng)作用下克服熔融物的黏滯力,使熔化的重鑄層材料發(fā)生質(zhì)量遷移,最終從孔出口排出,在其他工藝條件不變的情況下,重鑄層厚度與液態(tài)遷移的持續(xù)時(shí)間成反比。

雖然通過降低旋切速度和增加旋切圈數(shù)的方法可以使孔壁重鑄層厚度減小到甚至可以忽略的程度,但這樣做是以犧牲效率為代價(jià)的,當(dāng)單孔加工時(shí)間過長時(shí),也就失去了工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。所以,需要根據(jù)工程實(shí)際的需求在質(zhì)量與效率中進(jìn)行權(quán)衡。

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(編輯 葛趙青)

Study on Machining of High-Quality Micro-Holes by Laser Trepan Drilling

DUAN Wenqiang1,2,WANG Kedian1,2,DONG Xia1,2,MEI Xuesong1,2,WANG Wenjun1,2,FAN Zhengjie1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The influences of two key factors, geometrical morphology and recast layer, on hole quality in micro-hole laser drilling are investigated by using high power Nd:YAG millisecond pulsed laser on two different materials - 304 stainless steel and directionally crystalized nickel-based alloy DZ445. Trepan drilling technique is specially studied, and three related key factors are analyzed for their influences on hole quality, including trepanning path, trepanning velocity and trepanning times. The results show that the edge-started laser path will lead to a notch on the hole edge, but this can be avoided when the center-started laser path is employed; trepanning velocity and orbiting times both have important influences on the thickness of recast layer, and lower velocity and more trepanning times will produce holes with thinner recast layer. The mechanism lies in that the recast layer on the hole wall may remelt under subsequent radiation of laser in the trepanning process, resulting in melt migration by overcoming the viscous force under combined force of the vaporization pressure and the assistant gas pressure, and finally the melt is ejected from the hole exit end. The thickness of recast layer is inversely proportional to the time duration of melt migration when other experimental conditions remain unchanged.

laser drilling; trepan drilling; recast layer; trepanning path; trepanning velocity; trepanning times

2014-06-20。 作者簡介:段文強(qiáng)(1984—),男,博士生;董霞(通信作者),女,講師。 基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA040101);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375374);教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1172)。

時(shí)間: 2014-12-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141208.1445.001.html

10.7652/xjtuxb201503016

TG665

A

0253-987X(2015)03-0095-09