激光切割SiCp/Al復(fù)合材料的工藝研究

王景磊，龐博，黃樹濤

1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部；2沈陽理工大學(xué)

1 引言

SiCp/Al復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好和耐磨損等優(yōu)良的綜合性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、汽車和電子等領(lǐng)域[1，2]。SiCp/Al復(fù)合材料的加工方法主要分為切削加工和特種加工，切削加工研究起步最早，研究內(nèi)容最為全面和深入[3-6]。由于SiCp/Al復(fù)合材料的硬度高，在切削加工中刀具與工件直接接觸，因此存在難以避免的刀具嚴(yán)重磨損。

目前，線切割加工[7，8]是切割SiCp/Al復(fù)合材料的主要方法，但存在加工效率低和加工質(zhì)量不高等問題，同時(shí)，由于SiCp/Al復(fù)合材料的導(dǎo)電性不佳，線切割并不是最為理想的切割加工方法。與切削和線切割加工不同，激光加工具有高度柔性化、快速向任意方向切割或非接觸切割、刀具磨損為零、工件通常不需要夾緊、綠色環(huán)保等工藝特征，具有切縫窄、熱影響區(qū)(HAZ)窄和切縫邊緣平直等特點(diǎn)[9]，這些優(yōu)良加工特性可以有效解決、改善或彌補(bǔ)切削和線切割加工的不足，提高加工質(zhì)量和效率。因此，激光切割已經(jīng)成為SiCp/Al復(fù)合材料切割加工的研究新熱點(diǎn)。

目前，激光切割加工主要集中于金屬材料[10，11]、陶瓷材料[12，13]和碳纖維復(fù)合材料[14-16](CFRP)方面，這些研究對激光切割過程中的光、熱、力等物理和化學(xué)現(xiàn)象以及被加工材料的去除機(jī)理做了比較清晰的描述和分析。激光對材料的加工是激光能量沉積、擴(kuò)散、激光等離子體輻射電離和沖擊效應(yīng)共同作用的過程，材料去除機(jī)理與激光特性和材料特性緊密相關(guān)，涉及光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和光化學(xué)等多種作用，材料的去除形式主要為熔融、汽化、升華、電離或原子化學(xué)鍵斷裂等。復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)相在力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)特性上存在較大差異，導(dǎo)致其各向異性，激光切割復(fù)合材料的過程更為復(fù)雜，材料去除機(jī)理包括熱解、光化學(xué)和力學(xué)剝蝕等多種混合作用。采用激光切割SiCp/Al復(fù)合材料的研究鮮有報(bào)道，材料去除機(jī)理尚不明確，加工工藝還有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

試驗(yàn)重點(diǎn)研究激光切割不同厚度的SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)、切割速度對切入口缺陷寬度、熱影響區(qū)(HAZ)最大寬度和切縫表面粗糙度的影響等工藝問題，通過觀測切縫形貌的特征對材料去除機(jī)理進(jìn)行簡單分析，研究成果可為激光切割SiCp/Al復(fù)合材料的深入研究提供借鑒，促進(jìn)SiCp/Al復(fù)合材料的持續(xù)推廣使用。

2 試驗(yàn)條件

使用CLS2513精密光纖切割機(jī)對體積分?jǐn)?shù)為56%的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行激光切割試驗(yàn)，采用JEOL JSM-6390A掃描電子顯微鏡對工件的切入口缺陷、切縫及其周邊區(qū)域加工質(zhì)量進(jìn)行觀測分析，使用Mitutoyo SJ-310粗糙度儀測量切縫表面粗糙度Ra值。

2.1 SiCp/Al復(fù)合材料的性能

試驗(yàn)所用SiCp/Al復(fù)合材料中SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為56%，SiC顆粒的平均尺寸為60μm，其SEM形貌見圖1，材料性能參數(shù)見表1。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料

表1 SiCp/Al復(fù)合材料性能參數(shù)

2.2 Al基體與SiC顆粒的光學(xué)特性和熱特性

材料的光學(xué)特性和熱特性影響激光切割工藝和加工質(zhì)量，材料能否成功地被激光切割取決于材料對激光的吸收率、材料或其氧化物的熔點(diǎn)、燒焦炭化傾向以及與線膨脹系數(shù)相關(guān)的材料脆性等[9]。Al基體與SiC顆粒的光學(xué)特性和熱特性見表2[12，13，17]。

表2 Al基體和SiC顆粒的性能參數(shù)

2.3 加工工藝參數(shù)及試驗(yàn)條件

由CLS2513精密光纖切割機(jī)發(fā)射出的激光為連續(xù)激光，其功率為300W，光斑直徑為0.3mm，波長為1.064μm。切割時(shí)所用輔助氣體為空氣，切割氣壓為5bar。激光源控制系統(tǒng)具有自動追蹤功能，保證在切割過程中激光焦點(diǎn)始終位于工件的表面。

被切割工件的厚度分別為0.8mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，激光切割速度分別為5mm/s，10mm/s，15mm/s，20mm/s，25mm/s。被加工工件見圖2和圖3，試驗(yàn)條件見圖4。

圖2 工件粘貼于開孔不銹鋼板上

圖3 被切割后的工件

圖4 試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 不同切割位置的形貌特點(diǎn)

圖5與圖6為工件厚度1mm、激光切割速度10mm/s時(shí)的切縫全貌俯視圖與切縫切入口、中部和切出口左視圖的SEM形貌。可以看到，熱影響區(qū)沿切縫分布，大體呈倒三角形，在切入口處寬度最大，在切出口處寬度最小。在切入口處，材料存在較為明顯的加工缺陷和破損缺口，Al基體被去除得較充分，SiC顆粒留存較多。切縫中部和切出口處加工質(zhì)量較高，幾乎不存在缺口缺陷，切縫表面存在明顯的Al基體流動和涂覆痕跡，部分SiC顆粒裸露在外。切縫上部較為平整，切縫底部存在掛渣，在切出口周圍掛渣現(xiàn)象尤為明顯。

圖5 切縫全貌俯視圖

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：在切入口處激光要先將材料切透，這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是打孔，屬于汽化切割。激光能量在工件表面大量聚集使材料達(dá)到沸點(diǎn)并形成蝕坑，激光在蝕坑內(nèi)會發(fā)生多次反射而使能量進(jìn)一步聚集，溫度持續(xù)升高，材料對熱能的吸收驟然增加，孔深迅速增大。在此過程中，材料會發(fā)生汽化甚至電離而產(chǎn)生蒸汽從蝕坑中噴射出去，并使孔壁持續(xù)熔化，最終將材料切透形成切縫。在切入口處激光能量集聚時(shí)間和熱傳導(dǎo)時(shí)間更長，溫度更高，造成切入口處的熱影響區(qū)寬度更大。Al基體的熔沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于SiC顆粒，Al基體的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于SiC顆粒，Al基體對激光的吸收率高于SiC顆粒，因此能量在Al基體內(nèi)部的聚集更多，傳遞更快，Al基體會率先實(shí)現(xiàn)熔化、汽化并被去除。SiC顆粒的導(dǎo)熱性差，主要以升華方式去除，且留存較多，所以切口缺陷的形成主要是Al基體去除較多而SiC顆粒留存較多造成的。一旦透孔即切縫形成，后續(xù)切割過程即轉(zhuǎn)化為熔化切割，其實(shí)質(zhì)是熔融和吹除作用，依靠足夠強(qiáng)度的噴射氣流將熔融物從切縫中吹除，不必使溫度持續(xù)升高到材料的沸點(diǎn)甚至更高。

(a)切入口

從切縫形成直至切割完成的過程中，激光能量的聚集時(shí)間和熱傳導(dǎo)時(shí)間變短，造成熱影響區(qū)明顯減小，同時(shí)Al基體熔化后在輔助氣體的吹除作用下沿切縫流動，出現(xiàn)流動痕跡和涂覆現(xiàn)象。由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)會隨著切縫深度的增加而減小，因此切縫底部的溫度要低于頂部，Al基體會在切縫底部凝固而形成掛渣。而SiC顆粒的導(dǎo)熱性差，熱量在其內(nèi)部大量聚集，當(dāng)溫度上升到足夠高時(shí)使其以升華或電離的方式被去除。在切出口處材料的冷卻面積較大，有利于Al基體的冷卻凝固，因此會形成大量掛渣。

3.2 激光切割速度對切入口缺陷寬度的影響

圖7為工件厚度1.2mm、激光切割速度5mm/s時(shí)的切入口SEM形貌。切入口缺陷寬度是指破損處距離平直切縫的最大直線距離，圖中所示的切入口缺陷寬度為80μm左右。切入口缺陷會影響加工精度和質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)盡量減小，因此研究切入口缺陷寬度對改善加工工藝是有幫助的。

圖7 切入口缺陷寬度與HAZ最大寬度

圖8為不同工件厚度下、切入口缺陷寬度隨激光切割速度變化的情況?？梢钥吹剑谇懈钏俣葹?～15mm/s的范圍內(nèi)，切入口缺陷寬度大體呈現(xiàn)波動下降的趨勢；在切割速度為15～25mm/s的范圍內(nèi)，切入口缺陷寬度大體呈現(xiàn)波動上升的趨勢，在切割速度為15mm/s時(shí)切口缺陷寬度最小。在切割速度為5～15mm/s范圍內(nèi)，材料對激光能量的吸收總量相差不大，但由于Al基體對激光的吸收率高于SiC顆粒，Al基體吸熱充分，容易發(fā)生熔融。而SiC需要吸收更多的激光能量或者更長時(shí)間的溫升才能發(fā)生升華或電離，所以Al基體的被去除效率要高于SiC顆粒，切割速度越小，Al基體被去除得越充分，裸露在外的SiC顆粒越多，造成切入口缺陷越大。在切割速度為15～25mm/s的范圍內(nèi)，較大的切割速度會造成部分SiC顆粒不能吸收足夠多的熱量發(fā)生升華或電離，而是隨著Al基體的熔融，在輔助氣體的吹除作用下直接脫落，在復(fù)合材料表面留下大量空洞，形成較大的切入口缺陷。在切割速度為15mm/s時(shí)，激光能量的傳導(dǎo)速度較為適中，Al基體熔化與流動后再凝結(jié)這兩個(gè)過程的時(shí)間相差不大，部分SiC顆粒被吹除后留下的空洞可能被熔化的Al基體涂覆，隨著Al基體的凝結(jié)而使表面變得較為平直，因此切口缺陷要小一些。由試驗(yàn)結(jié)果可以預(yù)測，在切割速度為15mm/s時(shí)可得到較為理想的切入口加工質(zhì)量。

圖8 切割速度與切口缺陷寬度的關(guān)系

圖9為在不同切割速度下、切入口缺陷寬度隨工件厚度變化的情況。可以看到，隨著工件厚度的增大，切入口缺陷寬度大體上呈現(xiàn)波動下降的趨勢。從波動幅度看，在切割速度為25mm/s時(shí)，各厚度工件出現(xiàn)的切入口缺陷尺寸最大，但數(shù)值較穩(wěn)定。在切割速度為15mm/s時(shí)，各厚度工件出現(xiàn)的切入口缺陷數(shù)值相對最小，但波動性較大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谳^高的切割速度下，缺陷主要出現(xiàn)在切入口的上表面，Al基體熔融汽化的分布面積大，而SiC顆粒留存主要出現(xiàn)在切入口的下表面，因此材料加工缺陷的尺寸更大。

圖9 工件厚度與切口缺陷寬度的關(guān)系

3.3 激光切割速度對熱影響區(qū)(HAZ)最大寬度的影響

由于在切入口處激光能量集聚較多，熱傳導(dǎo)時(shí)間較長，因此材料對激光能量的吸收更為充分，所以熱影響區(qū)的最大寬度一般都出現(xiàn)在切入口附近(見圖7)，圖中材料上顏色較深的區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，其最大寬度約為1100μm。研究結(jié)果表明[18]，激光加工后熱影響區(qū)處材料的力學(xué)性能會發(fā)生變化，影響零部件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，因此研究熱影響區(qū)的最大寬度對提高加工工藝有一定幫助。

圖10為不同工件厚度下、熱影響區(qū)最大寬度隨切割速度變化的情況。可以看到，隨著切割速度的增大，熱影響區(qū)最大寬度出現(xiàn)較為明顯的下降趨勢。這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谳^大的切割速度下、熱傳導(dǎo)時(shí)間相對變短，熱擴(kuò)散效應(yīng)減弱，在激光束移走之后，材料快速降溫并冷卻，所以形成的熱影響區(qū)域較小。切割1mm厚的工件時(shí)，材料熱影響區(qū)的最大寬度值分布極其穩(wěn)定，但數(shù)值較大；切割1.2mm厚的工件時(shí)，材料熱影響區(qū)的最大寬度隨著切割速度的增大出現(xiàn)近乎線性的下降趨勢。根據(jù)這種現(xiàn)象判斷，在給定的激光參數(shù)下，1.2mm的工件厚度最有利于減小熱影響區(qū)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能為：在工件厚度為1.2mm時(shí)，基于Al基體及SiC顆粒的比熱容和導(dǎo)熱率等熱學(xué)特性，激光切割速度與熱影響區(qū)存在某種接近線性關(guān)系的影響規(guī)律；而在工件厚度為1mm時(shí)，切割速度的影響十分微弱。

圖10 切割速度與HAZ最大寬度的關(guān)系

圖11為在不同的切割速度下、熱影響區(qū)最大寬度隨工件厚度變化的情況?？梢钥吹?，隨著工件厚度的增大，熱影響區(qū)最大寬度呈現(xiàn)波動下降的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于復(fù)合材料為各向異性，Al基體與SiC顆粒對激光的吸收率、比熱容和導(dǎo)熱率差別較大，造成熱傳導(dǎo)效應(yīng)差別很大；另一方面，熱傳導(dǎo)會沿著各個(gè)方向進(jìn)行，工件厚度越大，熱傳導(dǎo)的分散效應(yīng)越明顯，則會出現(xiàn)熱影響區(qū)變窄的現(xiàn)象。

圖11 工件厚度與HAZ最大寬度的關(guān)系

3.4 激光切割速度對切縫表面粗糙度的影響

圖12為不同工件厚度下、切縫表面粗糙度Ra值隨切割速度變化的情況。可以看到，隨著切割速度的增大，切縫表面粗糙度Ra值大體呈現(xiàn)波動增大的趨勢。

圖12 切割速度與切縫表面粗糙度Ra值的關(guān)系

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在切割速度較低的情況下，材料對激光能量的吸收比較充分，熱傳導(dǎo)比較均勻，Al基體發(fā)生熔融汽化，SiC顆粒也能夠充分升華或電離。隨著切割速度的增大，部分SiC顆粒不能發(fā)生充分汽化而是直接在高壓輔助氣體的沖擊下從Al基體上剝離脫落，留下大量空洞，同時(shí)也有部分脫落的SiC顆粒隨著熔融的Al基體沿著切縫流動，隨著熱傳導(dǎo)效應(yīng)的不斷減弱，在熔融Al基體冷卻凝固的同時(shí)重新涂覆在切縫表面，造成切縫表面粗糙度值增大。

圖13為不同切割速度下、切縫表面粗糙度Ra值隨工件厚度變化的情況?？梢钥吹?，隨著工件厚度的增大，切縫表面粗糙度Ra值大體呈不斷增大的趨勢。

圖13 工件厚度與切縫表面粗糙度Ra值的關(guān)系

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是工件厚度越大，材料沿工件厚度方向的熱傳導(dǎo)效應(yīng)越差，造成切縫上表面Al基體熔融汽化充分而SiC顆粒裸露留存較多，而切縫下部由于吸收熱量較少，熔融的Al基體在流動過程中冷卻凝固的較多，同時(shí)有部分被吹除脫落的SiC顆粒也一起附著在切縫下部的表面上，因此造成切縫表面整體粗糙度值較大。圖14為工件厚度1mm時(shí)，不同切割速度下切縫中部表面形貌的SEM形貌，其形貌特征與上述分析基本吻合。

(a)5mm/s

4 結(jié)語

(1)在激光切割速度為5～25mm/s時(shí)，切入口缺陷寬度先呈先波動減小再波動增大的趨勢，在切割速度為15mm/s時(shí)，切入口缺陷寬度最小。在切割速度一定的條件下，切入口缺陷寬度隨工件厚度的增大呈現(xiàn)波動下降的趨勢。

(2)在激光切割速度為5～25mm/s時(shí)，隨著切割速度的增大，熱影響區(qū)(HAZ)最大寬度呈明顯減小的趨勢。在切割速度一定的條件下，熱影響區(qū)(HAZ)最大寬度隨著工件厚度的增大呈波動下降的趨勢。

(3)在激光切割速度為5～25mm/s時(shí)，隨著切割速度的增大，切縫表面粗糙度Ra值呈波動增大的趨勢。在切割速度一定的條件下，切縫表面粗糙度Ra值隨著工件厚度的增大呈波動增大的趨勢。