水射流激光加工對(duì)7075 鋁合金影響規(guī)律的試驗(yàn)研究

王 吉，張文武，張廣義，潮 陽(yáng)

（ 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315201 ）

在航空、航天、船舶、兵工、通信、醫(yī)療等先進(jìn)制造領(lǐng)域中，具有高質(zhì)量的切割與打孔技術(shù)一直是重要的研究課題。 水射流激光加工技術(shù)是近二十年來(lái)出現(xiàn)的一種復(fù)合型加工技術(shù)[1]，其利用細(xì)微水柱作為光波導(dǎo)介質(zhì)引導(dǎo)激光全反射傳輸至材料表面，采用激光的熱效應(yīng)結(jié)合高壓水的沖刷效應(yīng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工，無(wú)需考慮焦距長(zhǎng)度與瑞利長(zhǎng)度，工作距離調(diào)節(jié)范圍大[2]，具有加工錐度小、熱影響區(qū)范圍小、加工深度能力強(qiáng)、重熔層少等優(yōu)勢(shì)，因此也受到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。

水射流激光加工技術(shù)發(fā)明人Richerzhagen[3]成立了SYNOVA 公司專(zhuān)門(mén)致力于研究微水射流激光加工設(shè)備，專(zhuān)注于綠光激光與微水射流的耦合傳輸加工。 此后，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)展開(kāi)了一系列有關(guān)研究[4-9]。其中，詹才娟等[10]模擬了水射流激光加工硅材料的傳熱模型；Wang 等[11]對(duì)硅片進(jìn)行了微槽去除試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與模型仿真結(jié)果相一致，表明水射流激光加工熱影響效應(yīng)微弱。 Rashed 等[12]對(duì)噴口嘴孔進(jìn)行水射流激光加工， 獲得了更加光滑的加工表面，較電火花加工進(jìn)一步提升了表面粗糙度。 Marimuthu等[13]對(duì)比研究水射流激光加工與傳統(tǒng)脈沖激光對(duì)鋁基復(fù)合材料Al-MMC 的鉆孔效果，結(jié)果顯示水射流可實(shí)現(xiàn)冷燒蝕去除，不會(huì)留在熔融層。喬紅超等[14]對(duì)316L 不銹鋼薄片進(jìn)行了切割工藝研究，結(jié)果表明水射流激光加工產(chǎn)生的沉積層較小。

可見(jiàn)，相較于傳統(tǒng)的干式激光加工方式，水射流激光加工技術(shù)具有許多先天優(yōu)勢(shì)。 然而，水射流激光加工存在耦合功率較低、水射流加工距離范圍短等實(shí)際問(wèn)題[15]，學(xué)者們也未就激光器波長(zhǎng)、工作距離和加工次數(shù)對(duì)工件的影響規(guī)律開(kāi)展系統(tǒng)的研究。與傳統(tǒng)的綠光激光器不同，本試驗(yàn)采用紅外激光器作為耦合光源，自主研發(fā)了一套新型的水射流紅外激光加工系統(tǒng)，旨在提升加工能力與質(zhì)量。

1 試驗(yàn)裝置與參數(shù)

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 是本試驗(yàn)采用的自主研發(fā)的水射流紅外激光加工系統(tǒng)，主要包括激光器、水腔體、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、機(jī)器視覺(jué)模塊、水-光耦合模塊、控制模塊等部分。 其中，系統(tǒng)使用的激光器為紅外激光器，波長(zhǎng)1064 nm，輸出激光平均功率最高可達(dá)100 W，頻率1～5 kHz 可調(diào)，試驗(yàn)材料為7075 鋁合金。

圖1 水射流激光加工系統(tǒng)示意圖

在圖1 中， 水-光耦合模塊由一個(gè)聚焦鏡和一個(gè)窗口片組成，聚焦光斑入射到出水口端面，沿著水射流開(kāi)始全反射向下傳輸。 經(jīng)過(guò)不同水射流工作距離（18、14、10、6 mm）后，測(cè)量輸出激光功率分別達(dá)到28.7、30、32.9、34.3 W。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)研究不同加工次數(shù)及不同工作距離對(duì)7075 鋁合金的影響。 試驗(yàn)分四個(gè)組別進(jìn)行，分別在不同工作距離下， 對(duì)工件進(jìn)行1～4 次的切割試驗(yàn)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡觀測(cè)，研究分析加工次數(shù)的疊加及工作距離的改變對(duì)切割深度、表面粗糙度、錐度、熱效應(yīng)區(qū)的影響，具體各組別試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。 其余技術(shù)參數(shù)均相同，包括：激光器輸出平均功率75 W、頻率2 kHz、脈沖寬度15 μs、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)速度4 mm/s、水壓25 MPa、水射流出射孔直徑60 μm。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 切深研究

對(duì)于組別1～4， 材料被完全切穿掉落所需次數(shù)分別為5、5、6、4 次。 對(duì)于四組試驗(yàn)，分別進(jìn)行1 至n-1 次切割（n 為切落所需次數(shù)），結(jié)果如圖2 所示。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀測(cè)，橫向?qū)Ρ瓤裳芯吭黾忧懈畲螖?shù)對(duì)7075 鋁合金切深的影響， 縱向?qū)Ρ瓤煞治龉ぷ骶嚯x對(duì)7075 鋁合金切深的影響。

圖2 試驗(yàn)組別1～4 對(duì)應(yīng)加工次數(shù)的切割側(cè)斷面

圖3 是不同工作距離下對(duì)應(yīng)加工次數(shù)的切割深度對(duì)比。 可見(jiàn)，第一道切割深度與工作距離呈負(fù)相關(guān)，隨著工作距離從6 cm 增加至18 cm，第一道切割深度由0.698 mm 降低至0.498 mm。 這是由于隨著工作距離的增加， 輸出的激光功率逐漸下降，因此加工能力對(duì)應(yīng)下降，在無(wú)外界其他因素干擾情況下， 第一道切割深度只與激光功率成正相關(guān)，所以第一道切割深度與工作距離的增加呈負(fù)相關(guān)。

圖3 不同工作距離下對(duì)應(yīng)加工次數(shù)的切割深度

圖4 是切深增加速率與工作距離的關(guān)系曲線(xiàn)。對(duì)于四組試驗(yàn)，在切穿前深度的增加與工作距離不成比例，四組的增加速率分別為0.255、0.312、0.22、0.4 mm/次。 結(jié)果表明，當(dāng)工作距離WD=10 mm 時(shí)，切深增加速率在四組試驗(yàn)中最慢；WD=6 mm 時(shí)，切深增加速率在四組試驗(yàn)中最快；剔除組別3，其余三組的切深增加速率隨著工作距離的縮短而變大。 深入分析，首先隨著工作距離增加，激光功率下降，因此組別4 功率最大，其深度增加速率最快；同時(shí)隨著次數(shù)累積， 材料被加工表面出現(xiàn)有深度的加工槽，由于高壓水被加工槽反射向上噴射，噴射距離10 mm 有余，向上噴射的水流遇到水射流噴口又向下無(wú)規(guī)則濺落至加工槽內(nèi)，引起各類(lèi)散射或折射現(xiàn)象， 從而影響材料對(duì)激光的能量吸收。 對(duì)于組別1和組別2， 工作距離拉長(zhǎng)至大于向上噴射水流的噴射高度，不易發(fā)生水滴濺落至加工槽內(nèi)的現(xiàn)象。 綜合影響，深度增加速率由快到慢依次為試驗(yàn)組別4、2、1、3。

圖4 切深增加速率與工作距離的關(guān)系曲線(xiàn)

同時(shí)， 四組的增加速率均小于第一道切割深度，這是由于加工過(guò)程中去除材料的殘?jiān)荒艿谝粫r(shí)間被向外噴射水流帶出加工槽，影響部分激光功率的傳輸，使得加工能力不如第一道時(shí)來(lái)得明顯。

2.2 切縫研究

根據(jù)表1 所示的切穿試驗(yàn)，在不同工作距離下將厚度1.6 mm 的7075 鋁合金切穿，所用切落次數(shù)分別為5、5、6、4 次，用激光共聚焦顯微鏡對(duì)穿后切槽的三維形貌進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5。組別1～4 測(cè)量所得切縫寬度分別為81.85、79.44、77.72、75.32 μm。材料表面由激光熱效應(yīng)導(dǎo)致的熱影響區(qū)非常微小，可見(jiàn)熱效應(yīng)不受工作距離變化的影響，且熱效應(yīng)影響非常微弱， 表明試驗(yàn)所用25 MPa 高壓水射流具有快速帶走熱量的作用，具備對(duì)低熔點(diǎn)材料的低損加工潛力。 不過(guò)，由于運(yùn)動(dòng)軸精度不高、運(yùn)動(dòng)軸導(dǎo)軌抖動(dòng)等原因，切口處不太平整。

圖5 試驗(yàn)組別1～4 材料被切穿后切槽的三維形貌

圖6 是不同工作距離下激光功率與切穿后切縫寬度的關(guān)系曲線(xiàn)， 可見(jiàn)切縫基本呈線(xiàn)性變化，工作距離從6 mm 至18 mm，切縫增加了8.7%。 這是由于水射流直徑隨著工作距離的增加保持層流的能力逐漸減弱，表明水射流激光加工尚不能按理論實(shí)現(xiàn)無(wú)限遠(yuǎn)加工，實(shí)際加工距離有限；功率則與之相反，工作距離從6 mm 至18 mm，激光功率減小了16.3%。

圖6 不同工作距離下激光功率與切穿后切縫寬度的曲線(xiàn)

2.3 表面粗糙度研究

根據(jù)表1 所示的切落試驗(yàn)，在不同工作距離下對(duì)厚度1.6 mm 的7075 鋁合金進(jìn)行切割掉落，所用切落次數(shù)分別為5、5、6、4 次，用激光共聚焦顯微鏡對(duì)切落斷面進(jìn)行表面粗糙度的觀測(cè)，得到的切面表面二維形貌結(jié)果見(jiàn)圖7，圖形所示面積為1408 μm×1056 μm。

圖7 試驗(yàn)組別1～4 材料切面的表面二維形貌

圖8 是切面的表面粗糙度與工作距離的關(guān)系曲線(xiàn)，經(jīng)測(cè)量工作距離18、14、10、6 mm 下的平均表面粗糙度分別為4.06、4.2、4.47、4.23 μm。 可看出，整體切面表面粗糙度值較低，都處于5 μm 以下；試驗(yàn)組別3 的表面粗糙度值相較其余三組略大，該結(jié)果與切深試驗(yàn)相似。

圖8 切面的表面粗糙度與工作距離的關(guān)系曲線(xiàn)

2.4 厚材鋁合金打孔研究

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果， 最后對(duì)7075 鋁合金厚材進(jìn)行孔加工。 采用相同的試驗(yàn)參數(shù)，將材料放置在工作距離6 mm 處，材料厚度為10.437 mm，實(shí)現(xiàn)了半徑1.028 mm 的打孔加工， 平均加工次數(shù)35 次，所得結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 7075 鋁合金厚材的打孔試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文以7075 鋁合金作為試驗(yàn)件， 通過(guò)改變工作距離和加工次數(shù)進(jìn)行切割試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了試驗(yàn)條件的改變對(duì)切割深度、表面熱影響區(qū)、切縫寬度、切面表面粗糙度的影響，并對(duì)結(jié)果特征進(jìn)行了分析討論，得到以下結(jié)論：

（1）具有薄、厚材料加工能力，對(duì)于1.6 mm 厚的7075 鋁合金薄板最快四次可將其切落。

（2）切深的增加程度與工作距離不成正相關(guān)，在工作距離為18、14、10、6 mm 時(shí)，切深增加速率分別為0.255、0.312、0.22、0.4 mm/次。

（3）切縫隨著工作距離的增加而小幅增大，在工作距離為18、14、10、6 mm 時(shí)，切縫分別為75.32、77.72、79.44、81.85 μm， 均略大于水射流出射孔直徑，所得的加工表面熱影響區(qū)非常小，且不隨加工次數(shù)與工作距離的增加而增大。

（4）在不同工作距離下，切面的表面粗糙度值較低，均處于5 μm 以下。 在工作距離6 mm 處，可實(shí)現(xiàn)深度10.437 mm 的7075 鋁合金打孔加工，孔半徑為1.028 mm。