铝合金激光切割工艺参数标准化研究_魏丽娜.pdf

20航空标准化与质量/2022-06Aeronautic Standardization&Quality标准化研究 Standardization Research铝合金激光切割工艺参数标准化研究魏丽娜 王林 樊彬彬 赵文雪（沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳 110000）摘要 激光切割技术的应用可有效提高产品的切削质量，提高生产效率，降低运营成本。但是不同材料在切割过程中显示出了不同的物理特性，铝合金材料作为高反射金属，切削过程可能会带来较大的热影响，从而影响铝合金材料的性能。为了减少激光切割对铝合金材料性能的影响，让激光切割技术在铝合金钣金成形领域得到广泛应用，提出了将激光切割工艺参数标准化的方法，即采用正交试验法设定不同的激光切割工艺参数组合，对不同种类的铝合金材料进行切割，并进行动静力学、耐腐蚀性、金相性能试验等，使用灰色关联度法分析影响铝合金材料性能的主要因素，固化激光切割工艺参数组合，从而使参数组合标准化。关键词 钣金成形；激光切割；工艺参数优化。中图分类号 TG485 文献标识码 B 文章编号 1003-6660（2022）06-2023-04DOI 编码 10.13237/ki.asq.2022.06.050 引言为满足新一代飞机对制造工艺高隐身、长寿命、轻质化、低成本、快响应的要求，激光切割技术在航空制造业的地位越来越重要，它可以替代传统切割外形方法，如手工剪切、数控铣切、冲切等。目前，激光切割技术已广泛应用于汽车制造、工程机械、航空航天等行业。激光发射器经过多年的迭代，其切割稳定性大幅度提高，零件的切割效率和质量均得以提高。激光切割技术的应用，有利于未来铝合金钣金零件制造的发展。影响零件端面切割质量的激光切割工艺参数有材料牌号及规格、激光功率、切割速度、保护气体、气体压力等。采用正交试验法设定工艺参数组合，对不同种类的铝合金材料进行切割及性能试验，结合灰色关联度对试验数据进行分析，得到主要的影响因素，并将工艺参数标准化。采用优化的工艺参数组合可以有效减小切割过程对铝合金材料端面造成的热影响及性能的影响，同时将工艺参数固化，可省略激光切割前的试切及性能试验步骤，从而有效缩短激光切割工序前的准备时间。1 工艺参数标准化研究方法与过程1.1 试验材料分类及工艺参数组合确定由于铝合金材料为高反射金属，电阻率低，对于激光的吸收率低，故其切割功率的设定值较其他金属材料较高，同时切割速度过快易导致试片无法切开，影响试片的尺寸精度，在前期对较厚的铝合金材料也采用了高速和低功率进行试切，但是试片均无法切开。故较厚的铝合金材料建议采用高功率低速的参数组合。低厚度系列参数水平和高厚度系列参数水平见表 1 和表 2。表 1 低厚度系列参数水平（料厚 3mm）参数功率（kW）速度(m/min)气压(MPa)水平 1130.5水平 2261水平 3391.5表 2高厚度系列参数水平（料厚 3mm，功率 3kW）参数速度(m/min)气压(MPa)水平 110.5水平 241水平 3无1.5本次确定试验参数组合采用的方法为正交试验法，即从全面试验组合中挑选均匀分散、齐整可比的代表性组合进行试验，低厚度系列厚度为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm 和 3.0 mm，高厚度系列厚度为 4.0 mm 和 5.0 mm,其参数组合及试片编号见表 3 和表 4。21航空标准化与质量/2022-06Aeronautic Standardization&QualityStandardization Research 标准化研究表 3低厚度系列参数组合及试片编号试验编号功率（kW）速度(m/min)气压(MPa)1130.52161.03191.54231.05261.56290.57331.58360.59391.0表 4 高厚度系列参数组合及试片编号试验编号速度(m/min)气压(MPa)110.5211.0311.5440.5541.0641.51.2 试片切割及性能试验按照表 3 和表 4 的工艺参数组合及性能试验标准要求，得到切割拉伸试样及疲劳试样，并对试样进行拉伸性能试验、高倍金相试验、纳米压痕试验、疲劳性能试验及耐腐蚀性试验。拉伸性能试验按设定的条件开始试验，拉伸速度 0.05 mm/min，记录试验过程中的载荷-变形曲线，通过对弹性变形阶段曲线的线性拟合，获得材料的弹性模量，应力最大值作为材料的抗拉强度。2B06 T4 1.0 mm 和 2B06 T4 4.0 mm 材料的工程应力应变曲线如图 1 和图 2 所示。高倍金相试验采用 LEICA DM4000M 型光学显微镜，对试样中激光切割热影响区及中心的微观组织进行观察。试样截面的金相图像可以明显看出激光切割并没有影响切割区域的晶粒尺寸，而在切割边缘处凹凸不平，试样中心区域显微组织无明显变化，晶粒尺寸相近，说明激光切割试样中心区域的显微组织无明显影响。取制试样的边缘及中心组织图像，见图 3。纳米压痕试验采用维氏显微硬度计对试片进行测试。通过压头在试样表面形成压痕，测量压痕大小以得到热影响区的维氏硬度值，从而获得试样截面不同位置(包括激光切割边缘、中心区域、线切割边缘)的硬度变化曲线。硬度变化曲图 1 1.0mm 厚薄板的工程应力应变曲线图 2 4.0mm 厚薄板的工程应力应变曲线图 3 取制试样边缘及中心组织图像线见图 4。曲线中出现的硬度值的微小波动可能是在试验过程中，由于视觉的感知问题造成的误差。在整个厚度范围内，记录了板材中心区域各厚度的 5 个随机读数，发现硬度值也有同样的波动。疲劳性能试验在室温环境下，将静态和动态载荷施加到试样上，试验最大应力选择 0.9 倍屈服，应力比 0.1，记录试样疲劳断裂时的循环周次，突出显示的值表示试验期间获得的最佳疲劳强度。耐腐蚀性试验采用中性盐雾试验，将不同切割方式（激光切割和数控铣切）得到的试样在不抛光边缘的情况下进行耐腐蚀性试验，得出质量损失数据。通过对比，两者的单位面积质量损失相差较小，也间接地证明了采用合理的激光切割参数组合，对铝合金材料的耐腐蚀性影响较小。22航空标准化与质量/2022-06Aeronautic Standardization&Quality标准化研究 Standardization Research两种切割方式的单位面积质量损失对比见图 5。（a）1.5；（b)2.0；（c)3.0；（d)4.0；（e)5.0；（f)汇总。图 4 不同厚度试样截面中不同位置硬度变化曲线（g/m2）图 5 两种切割方式的单位面积质量损失对比1.3 工艺参数影响程度及规律分析基于正交试验设计方法，通过单向拉伸试验、疲劳试验，获得了不同厚度铝合金在不同激光切割功率、切割速度和辅助气体压强下的材料抗拉强度、延伸率和疲劳强度，采用灰色关联分析法研究各工艺参数对材料力学性能的影响程度及规律。性能试验得到的结果有不同的单位和量级，不可能根据可变信息得出结论，因此，利用灰色关联分析法获得最佳试验和最佳参数。该方法主要包括三个步骤，即：（1）数据归一化；（2）灰关联系数确定；（3）不同测试的分级。第 1 步：利用方程（1）对数值数据进行了归一化处理，得到的数据越大，性能越好。对多个响应进行数据归一化，以降低不同单位及量级变化的影响。所有输出都转化为 0 到 1 范围内的合适数值。（1）式中：i 和j=1，2，3，n，n为试验数据项数；Zij是归一化值；yij是从试验获得的结果；min（yij）和 max（yij）是从试验获得的最小和最大结果。第 2 步：灰色关联系数（GRC）由方程（2）确定。（2）式 中：k=1，2,，m，m 是 响 应 数；y0（k）是 参 考 序 列（y0（k）=1，k=1，2,3,m）；yj（k）是 特 定 的 比 较 序 列；oj=y0（k）-yj（k）是 参 考 序 列 和 比 较 序 列 之 间 的 绝 对 差；min=minAj imin ky 0（k）-yj（k）是 yj（k）的最小值；max=maxAj imaxk y 0（k）-yj（k）是 yj（k）的最大值；为判别系数，0 1，一般取 0.5。第 3 步：在这一步中进行分级，从 DOE 中对最佳试验进行排序和最佳参数组合。使用公式（3）对所有响应进行分级。（3）式中：j为第 j 次试验的灰色关联度（GRG）；k 为性能特征数。为了找到最佳参数和各因素的影响，在Minitab中对每个因素进行评估，以获得响应表。表 5 显示了影响激光切割 1.0 mm 厚板材的因素顺序，切削速度影响最大，气体压强次之，激光功率次之。同样，对提高材料力学性能贡献最大的各因素水平也被列为最佳参数。根据表 5可以计算得出，最佳参数为激光功率水平 3（3 kW）、切割速度水平 3（9.0 m/min）和气体压强水平 2（1.0 MPa）。表 5 1mm 平均灰色关联度响应表因素水平 1水平 2水平 3R影响排序最优功率0.690.640.730.093水平 3速度0.480.720.860.381水平 3气压0.590.740.610.152水平 223航空标准化与质量/2022-06Aeronautic Standardization&QualityStandardization Research 标准化研究图6显示了基于表5数据的平均灰色关联度。从图 6 中可以明显看出，所有因素水平关联值的平均值为 0.65。这表明将激光功率从 1.0 kW 改为 3.0 kW 对力学性能没有显著影响。与激光功率相比，气体压强波动清晰可见，这反映了压强在水平 1 到水平 3 之间变化时，对材料力学性能的影响相对较大。在这三个因素中，切削速度波动更为突出。图 6 1.0mm 厚板材试验灰色关联图2 激光切割工艺参数标准化采用正交试验设计和灰色关联度分析相结合的方法，将激光切割的工艺参数标准化。激光切割设备参数和优化工艺参数组合见表 6 和表 7。表 6 激光切割设备参数序号参量参数1激光类型光纤/碟片2透镜焦距（inch）63切割模式连续切割4焦点位置（mm）-1.55辅助气体空气/氮气6离焦量（mm）1.57喷嘴直径（mm）2.08脉冲频率（Hz）5000表 7 优化工艺参数组合材料 功率（kW）速度（m/min）气压（MPa）热影响（mm）2B06T40.5291.50.052B06T41.0391.00.052B06T41.5261.50.082B06T42.0231.50.082B06T43.0231.50.082B06T44.0311.50.052B06T45.0311.50.052D12T41.0161.00.052D12T41.5291.50.082D12T42.0391.50.117B04T61.0161.00.057B04T61.5291.50.057B04T62.0291.50.087B04T63.0361.50.087B04T741.0161.00.057B04T741.5261.00.057B04T742.0231.00.087B04T743.0361.50.083 结论本次研究的结果说明，采用标准化后的工艺参数组合对铝合金材料进行激光切割，其端面质量、力学性能、疲劳性能、热影响区、耐腐蚀性等均能满足材料标准，利用激光切割技术可以达到铝合金零件的表面质量提升、外形切割精准以及生产效率提升的目标。随着四代机成形精度和表面质量要求的不断提高，铝合金激光切割技术的应用可以成为未来钣金零件精准制造的新工艺方法。4 刘久战.中国民用飞机航空材料和材料标准体系研究探讨 J.航空制造技术，2012（12）：68-76.5 AMS 4911R Titanium Alloy,Sheet,Strip,and Plate 6Al-4V Annealed S.6 AMS4985ETitanium Alloy,Investment Castings 6Al-4V 130 UTS,120 YS,6%EL Hot Isostatically Pressed Anne