減少激光加工毛刺和飛濺技術(shù)研究

嵇佳佳，柯文敏，丁琪，盧銳，賓浩宇

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

激光打孔因其效率高、精度高、熱影響區(qū)小、成本低而在航空發(fā)動機制造中得到廣泛應用，比如火焰筒上的冷卻孔，采用激光加工效率是傳統(tǒng)電火花加工的幾十倍[1]。但是激光加工工件時，聚焦后的高能激光束先照射加工工件表面使加工部位表面迅速氣化和熔化，氣壓急劇上升，再通過高速輔助氣體猛烈向外噴射，在加工部位形成小孔[2，3]，當高速氣流吹出力度不夠時，噴射的熔渣部分由于液相表面張力等原因就會在工件孔口背面冷卻凝固從而形成與基體相連的毛刺，且由于該毛刺是因高溫熔渣迅速冷卻而形成，類似于高溫重鑄，與基體存在較強的結(jié)合力，因此較難去除；而通過高壓氣體噴射出來本已與基體分離的熔渣，部分由于工件形狀結(jié)構(gòu)、夾具防護遮擋、氣流吹出方向等原因再次濺到金屬表面并冷卻凝固與工件基體結(jié)合形成飛濺，由于該飛濺物是已經(jīng)吹出與基體分離的熔渣，所以冷卻時間較長，溫度較低，與基體的結(jié)合力較弱。孔口毛刺較粗大而基體部位飛濺細小。

打孔毛刺及飛濺是工廠加工的主要矛盾，激光加工目前減少毛刺及飛濺主要手段是覆蓋物法、更改輔助氣體法、更改激光器和優(yōu)化激光加工工藝參數(shù)。覆蓋物法主要包括防止飛濺覆蓋層即在工件表面覆蓋可以增加激光吸收率，從而增加激光效率，產(chǎn)生強烈汽化，減少熔化材料量，從而減少毛刺和飛濺，即在工件背面涂覆阻流劑等減少飛濺附著在零件表面上[1]。輔助氣體，如采用氧氣作為輔助氣體可以增加金屬熱反應，可以燒蝕氧化毛刺，從而減少毛刺，缺點是氧化嚴重。更改激光器，如采用新技術(shù)的皮秒、飛秒激光加工，可以加工出無毛刺，無重鑄層的孔，但缺點是加工效率低[1]。優(yōu)化激光加工工藝參數(shù)，使零件加工時材料多汽化，減少熔化，從而達到減少毛刺和飛濺目的。本文旨在研究零件表面涂覆蓋防護物對激光打孔的毛刺和飛濺影響，針對不同材料、不同結(jié)構(gòu)探討最合適的防護方案。

2 試驗過程

2.1 試驗材料

1）帶涂層的高溫合金材料零件：彎管外套、混合器、內(nèi)渦流板、火焰筒外環(huán)零件及火焰筒內(nèi)環(huán)零件。

2）零件表面涂覆蓋物和清洗劑：1#白色阻流劑（型號NICROBRAZ WHITE STOP_OFF TYPEⅡ），用水清洗；2#西安貝多焊接防飛濺液（型號 BD-A006ZY），用酒精清洗；3#焊接防飛濺液CRC INDUSTRIES（型號：WELDER’S ANTISPATTER），用水清洗；4#蓖麻油，用汽油清洗；5#黃油，用汽油清洗。

2.2 試驗過程

分兩次進行試驗，試驗過程選用具有代表性的涂層零件進行，第1次試驗，激光在防飛濺覆蓋面的另外一面入射，彎管外套、混合器、內(nèi)渦流板、火焰筒內(nèi)環(huán)等零件都將防飛濺覆蓋物在孔出口處涂阻流劑，帶涂層的涂在涂層上，試驗防飛濺和毛刺的防護層；第2次試驗，試驗不同試劑在入射面不同情況下對飛濺和毛刺的影響。

3 結(jié)果與分析

第1次試驗過程見表1，根據(jù)表1試驗結(jié)果表明，彎管外套零件使用5#黃油進行防護入射面的反面，經(jīng)過汽油清洗后，零件表面無肉眼可見的毛刺和飛濺。黃油能很好地防護零件的飛濺和毛刺，這是因為黃油在零件表面形成粘性的隔離層，能很好地阻止激光沖擊出來的毛刺流動到零件表面，所以形成的毛刺少。而飛濺是脫離激光孔表面飛出去的多余物，這種多余物由于隔離層的存在，飛濺直接被黃油這種具有一定阻尼的粘性液體所俘獲，無法到達零件的表面，從而無法黏結(jié)在零件的表面形成結(jié)合力的多余物，因此在經(jīng)過汽油清洗將表面的黃油去除之后，飛濺一同被清洗干凈。

混合器殼體零件分別在激光入射面的反面涂上1#～5#的防護層，1#防護物是白色阻流劑，經(jīng)過激光同種參數(shù)進行試驗的過程中，零件的局部有粗大毛刺和飛濺，主要原因在于覆蓋物受熱結(jié)塊脫落，不但沒有達到防護表面飛濺和緩沖毛刺的作用，而且從經(jīng)濟性來說，這種防護物價格貴，效果不理想；2#西安貝多焊接防飛濺液（型號 BD-A006ZY），用酒精清洗這種防飛濺液進行毛刺和飛濺的試驗，結(jié)果表明，在零件表面有肉眼可見的毛刺和飛濺，防護效果一般，這是因為這種防護層液體在經(jīng)過激光的高溫之后，防護層受熱蒸發(fā)，失去了防護效果，而且后續(xù)清洗困難；3#焊接防飛濺液C R C INDUSTRIES涂在零件表面，結(jié)果表明，肉眼觀察無明顯毛刺和飛濺，防護效果非常好，因為防護液在零件表面形成粘性隔離層，耐高溫，不易揮發(fā)，可持續(xù)防護飛濺，而且清洗方便；4#蓖麻油作為防護層，用汽油清洗，該方案效果與3#防飛濺液效果一致；5#防護層在混合器殼體零件驗證，肉眼觀察無明顯毛刺和飛濺，用汽油清洗。

綜上所述，混合器殼體用3#～5#防護效果均較好。內(nèi)渦流板涂層零件同樣進行激光防護的試驗，1#～4#防護效果均較差，其中1#同樣受熱結(jié)塊脫落，沒有防護效果，2#～4#受高溫蒸發(fā)防護效果欠佳，但用5#試劑防護清洗后肉眼觀察毛刺飛濺非常少，防護效果良好，而且成本較低。綜上所述，考慮激光防飛濺和毛刺效果及經(jīng)濟成本，5#黃油試驗劑方案可以達到預想的效果，如圖1所示。

表1 不同零件不同試劑第1次試驗結(jié)果

圖1 不同零件涂黃油加工清洗干凈效果圖

通過第1次試驗結(jié)果對比分析可知，1#試劑在金屬表面的防護效果很差，主要是因為粘性不夠，易受熱脫落。2#試劑經(jīng)試驗防護效果很差，且清洗不方便，不適合用于生產(chǎn)。3#～5#試劑在混合器殼體防護效果一致，3#試劑清洗方便，但價格貴；4#、5#試劑效果好，價格便宜，清洗采用汽油，滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)使用，因此一般薄壁簡單件用4#、5#試劑進行防護，而一般不易清洗的零件采用3#試劑進行防護。內(nèi)渦流板因特殊結(jié)構(gòu)，只有采用5#試劑才有很好的防護效果，主要因為5#試劑在常溫下為濃稠狀，受熱液化后可以迅速凝固，而不會被氣體吹跑，所以可達到持續(xù)防護效果。彎管外套采用黃油防護后內(nèi)壁已基本達到不需鉗工后續(xù)去毛刺的目的。

通過第1次試驗方案找到了效果和經(jīng)濟性比較好的防護液，而第2次試驗繼續(xù)對激光參數(shù)進行摸索，針對不同的零件采取不同的防護方案，從而達到減少毛刺和飛濺，典型的參數(shù)是調(diào)整激光的入射面，試驗結(jié)果見表2。第1組是在涂層面進行入射，第2組在金屬面入射，兩組試片都采用1#和防護效果最好的5#進行試驗，結(jié)果表明，不管是激光在涂層面還是金屬面入射，5#防護方案，涂層變黑，防護效果一般，而且在金屬面入射時，涂層在孔口部位存在部分脫落，這是因為受熱后黃油熔化滲入涂層孔隙中，失去防護效果，油滲入涂層不利于清洗，影響涂層質(zhì)量。反而是1#白色阻尼劑效果較好，如圖2所示。激光從涂層面入射時，涂1#阻流劑清洗效果較好，金屬面入射和涂層面入射，清洗后表面飛濺大幅減少，這是因為受熱后在涂層面形成固態(tài)隔離層，有效減少飛濺附著在涂層上。試片試驗后通過正式零件火焰筒內(nèi)外環(huán)（帶涂層）用第1次試驗出來的5#防護方案進行入射面的試驗，結(jié)果與試片的結(jié)果一致，防護效果一般，火焰筒外環(huán)的涂層面入射，與第1組試片一致；火焰筒內(nèi)環(huán)的金屬面入射，防護效果一般，去毛刺后孔口涂層存在剝落，同第2組試片結(jié)果一致。

表2 不同零件不同試劑第2次試驗結(jié)果

圖2 激光從涂層面入射試驗效果

綜上所述，通過第2次試驗結(jié)果對比分析可知，當激光從金屬面入射時，1#試劑在涂層上的防護極好，清洗也方便，毛刺、飛濺不會黏結(jié)涂層，孔口涂層沒有剝落現(xiàn)象；當激光從涂層面入射時，1#試劑可以防護涂層面變黑，飛濺黏結(jié)涂層。5#試劑不適合涂層上的防護，易造成涂層發(fā)黑，去毛刺涂層脫落。從涂層面打孔易造成涂層污染金屬界面，因此盡可能從金屬面加工。

4 結(jié)束語

1）涂層上防護應采用1#試劑，可以減少鉗工后續(xù)絕大部分去毛刺和飛濺工作，只需采用金屬刷和超聲波清洗干凈即可。

2）涂層零件的激光打孔應盡量從金屬面入射，毛刺和飛濺更易防護，且不會造成涂層材料污染金屬打孔界面。

3）金屬面防護宜采用5#試劑，可以在復雜結(jié)構(gòu)上連續(xù)受熱時依然保持防護效果，且防護效果最佳。

4）對于一些不宜用汽油清洗的零件，金屬面應采用3#阻流劑進行飛濺防護。

5）一些簡單結(jié)構(gòu)零件金屬面可采用4#蓖麻油進行飛濺防護，后續(xù)也易清洗，涂抹簡單。