激光加工功率及型材厚度對(duì)6061鋁合金性能的影響

廖 斌, 龍 苗, 盧有慶, 蔡 蓮, 陳 平

(南南鋁業(yè)股份有限公司,廣西 南寧 530200)

激光加工是利用激光聚焦后產(chǎn)生的高密度能量,對(duì)樣品進(jìn)行加工的一種工藝方法。由于該方法切割范圍廣、切割速度快以及加工柔性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于加工領(lǐng)域[1-2]。同時(shí),激光切割屬于熱切割,兼具熔化和凝固過程。Al-Mg-Si系鋁合金屬于可熱處理型鋁合金,合金性能及微觀組織對(duì)溫度較為敏感[3-4],采用激光切割方式進(jìn)行加工時(shí),切割后試樣內(nèi)部極易產(chǎn)生熱影響區(qū)和熱裂紋等缺陷[5-6],這類缺陷對(duì)型材性能極為不利。因此,在加工切削較大型材時(shí),可考慮采用“激光+機(jī)加”結(jié)合的方式,旨在提高加工效率并保證型材性能,所以評(píng)估激光加工對(duì)型材性能的影響至關(guān)重要。本文通過研究激光加工功率及樣品厚度對(duì)樣品性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響,評(píng)估各工藝參數(shù)對(duì)型材的影響,為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為6061-T6鋁合金型材,其合金成分見表1。實(shí)驗(yàn)用型材厚度為生產(chǎn)常用厚度,分別為2 mm、3 mm和6 mm。激光切割在大幅面高速光纖激光切割機(jī)上進(jìn)行,激光切割功率分別為5 kW、10 kW和15 kW,其余參數(shù)(切割速度、切割氣壓和切割頻率等)保持不變。對(duì)比試樣則選擇S30M數(shù)控銑床(Computer Numerical Control,CNC)進(jìn)行加工。

表1 6061合金成分 wt.%

1.2 實(shí)驗(yàn)表征

切割樣品尺寸如圖1所示(拉伸樣邊緣位置均由激光或CNC單獨(dú)加工)。激光切割加工完成后,利用光學(xué)顯微鏡(Carl Zeiss Axio Vert.Al)觀察加工后樣品表面及第二相的分布情況。然后利用顯微硬度計(jì)(TMVM-1)在距切割位置每間隔0.3 mm進(jìn)行硬度點(diǎn)測(cè)試,以確定熱影響區(qū)域?qū)挾?。最?利用電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)(MTS E43.104)進(jìn)行拉伸力學(xué)試驗(yàn)。

圖1 拉伸樣尺寸

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

不同加工方式及加工工藝下樣品力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出:抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致,CNC加工試樣強(qiáng)度最高,且一致性較好。經(jīng)激光切割加工的樣品的力學(xué)性能均有所下降,且其均勻性不及CNC加工樣品。激光加工樣品強(qiáng)度隨切割功率的降低而逐漸增加。

圖2 不同厚度樣品的力學(xué)性能

為定量分析激光加工功率及試樣厚度對(duì)力學(xué)性能的影響,此處定義軟化率指標(biāo),其具體計(jì)算公式如下[7]:

根據(jù)軟化率的變化規(guī)律,結(jié)合激光加工功率及試樣厚度參數(shù)重構(gòu)曲線關(guān)系圖,如圖3所示。由圖3可知,利用大功率激光切割中等厚樣品時(shí),其屈服強(qiáng)度較CNC加工下降最為明顯,而加工較薄樣品時(shí)影響較小。激光切割后拉伸樣品強(qiáng)度的影響因素除微裂紋數(shù)量、樣品微觀組織(晶粒尺寸和析出相分布情況等)外,樣品加工面表面粗糙度對(duì)力學(xué)性能也有較大影響[8]。有文獻(xiàn)曾報(bào)道[9],隨著切割功率的增加,樣品切割面表面粗糙度先降低后增加。圖3a中當(dāng)切割功率為10 kW時(shí),軟化率異常應(yīng)該與樣品加工面粗糙度有關(guān)。此外,樣品延伸率隨加工功率的增加而明顯下降,這與大功率切割時(shí)產(chǎn)生的裂紋相關(guān)。

圖3 軟化率(Rd)

2.2 激光加工后熱影響區(qū)寬度

已有研究表明[10],熱影響區(qū)強(qiáng)度低于基體強(qiáng)度,主要源于該區(qū)域內(nèi)強(qiáng)化相β″相受熱發(fā)生部分溶解而使得合金強(qiáng)度下降。為了進(jìn)一步分析不同加工工藝參數(shù)對(duì)樣品熱影響區(qū)寬度的影響,本文采用顯微硬度計(jì)由加工位置逐漸向心部位置進(jìn)行硬度測(cè)試,6 mm樣品切割功率為15 kW時(shí),硬度結(jié)果如圖4a所示。結(jié)果表明,在近激光加工位置處硬度值偏低;隨后遠(yuǎn)離加工位置時(shí),其硬度值逐漸增加,直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),取硬度達(dá)到穩(wěn)定位置的距離作為熱影響區(qū)寬度。

通過該方法測(cè)出的不同工藝參數(shù)下熱影響區(qū)域的寬度見圖4b。由圖4b可知,樣品厚度越大,加工功率越高,熱影響區(qū)域范圍越寬。這是由于大功率加工過程中,引入更大體量和密度的熱量,致使熱影響區(qū)寬度增加[9];而樣品厚度較小時(shí),其加工所需熱量也較少,因而熱影響區(qū)寬度也較小。本實(shí)驗(yàn)在不同工藝參數(shù)(樣品厚度及切割功率)條件下,熱影響區(qū)域?qū)挾确植挤秶鸀?.6～1.5 mm。因此,若采用“激光加工+機(jī)加”的模式進(jìn)行加工時(shí),CNC加工厚度最少為1.5 mm才能保證加工后的型材性能。

圖4 熱影響區(qū)寬度

2.3 表面質(zhì)量

圖5為不同加工方式及加工工藝參數(shù)條件下的試樣表面情況。由圖5可以看出:經(jīng)CNC加工后,表面質(zhì)量最好,無裂紋產(chǎn)生。而經(jīng)激光加工后,試樣表面均較CNC加工粗糙且出現(xiàn)不同程度裂紋,部分實(shí)驗(yàn)條件下表面質(zhì)量如圖5所示。表面觀察到的微裂紋主要是由于在凝固過程中,平衡相最先析出并產(chǎn)生低塑性液態(tài)薄膜;其次鋁合金導(dǎo)熱性好,收縮率大;而激光切割屬于微區(qū)熔化,高溫停留時(shí)間短,冷卻速度快,過冷度較大;這些因素使得鋁合金在冷卻收縮過程中形成熱裂紋[11-12]。

由圖5a、圖5b和圖5c可以看出:隨著試樣厚度逐漸增加,其裂紋數(shù)量(箭頭所指)明顯增多,這是由于隨著樣品厚度的增加,吸收較大熱量,在冷卻過程中所產(chǎn)生的裂紋數(shù)量增多。切割3 mm樣品時(shí),隨著切割功率的增加,如圖5b,圖5d和圖5e所示,裂紋數(shù)量逐漸增多。由于較大切割功率增加了熱量輸入,提高了冷卻過程中的裂紋產(chǎn)生幾率。

圖5 加工后樣品表面質(zhì)量

3 結(jié) 論

本文基于激光切割和CNC切割方式,設(shè)計(jì)不同的加工工藝參數(shù)和型材厚度,系統(tǒng)研究了激光加工功率及型材厚度對(duì)型材力學(xué)性能和微觀組織的影響,得到如下主要結(jié)論:

(1)樣品厚度和加工功率對(duì)加工后樣品力學(xué)性能均有不同程度的影響,加工功率對(duì)延伸率影響較大。

(2)試樣加工后,切割表面存在的微裂紋是激光加工后力學(xué)性能下降的主要原因。

(3)各加工參數(shù)(樣品厚度+切割功率)下熱影響區(qū)寬度范圍為0.6～1.5 mm。