新聞資訊
5A06鋁合金激光切割輔助氣體對其質量的影響
鋁及鋁合金的廣泛應用．使鋁合金的切割方法朝著精密、高效、靈活的方向發展，可光纖傳導的Nd：YAG激光切割技術成為最合適的方法。采用CO2激光連續切割鋁合金材料的工藝及機理國內外已有文獻報道，采用高功率脈沖固體Nd：YAG激光切割其它鈦、鎳、不銹鋼等材料也有研究報道，但Nd：YAG激光切割鋁合金的報道還屬鮮見。Nd：YAG激光的波長是CO2激光的1/10，鋁合金對此波段激光的吸收率大大提高，從而可提高切割質量。
激光切割質量受多方面因素的影響，輔助氣體是其中一個關鍵因素。首先，它是唯一與被切割材料相接觸的物質，直接影響著激光切割質量的好壞；其次，輔助氣體在切割過程中是易耗品，決定著激光切割的成本。研究輔助氣體對激光切割鋁合金材料的影響不僅具有一定的理論價值，而且可為實際應用提供一定的參考依據。
本文利用高功率脈沖固體Nd：YAG激光器切割5A06鋁合金，從切縫寬度、切縫及切面的形貌、粗糙度、物相、顯微組織分析研究輔助氣體Ar、N2 、O2 對激光切割質量的影響。
2 試驗材料及方法
2.1 試驗材料
選用擠壓、軋制加工的4mm厚5A06鋁合金板為試驗對象，其化學成分如表1所示。切割用輔助氣體分別是純度為99.99％的Ar、N2 、O2 ，與激光束同軸輸出。
表1 5A06鋁合金的化學成分(％)
試驗用設備是額定功率500W的脈沖固體Nd：YAG激光器，波長1.06μm。激光切割5A06鋁合金的工藝參數如表2所示。分別采用Ar、N2 、O2 作輔助氣體，在其它工藝參數不變的情況下，研究輔助氣體氣壓和種類對激光切割5A06鋁合金質量的影響。
表2 Nd：YAG激光切割5A06鋁合金的工藝參數
3 試驗結果分析
3.1 輔助氣體氣壓的影響
輔助氣體主要用于從切割區吹掉熔渣以形成切縫。激光切割對輔助氣流的基本要求是進入切口的氣流量大，速度高，以便有足夠的動量將熔融材料噴射帶出。
圖1是切縫寬度隨輔助氣壓變化的關系曲線，可以看出不論選擇何種氣體作輔助氣體，隨著氣壓的增大，切縫寬度變化范圍不大，其對切縫寬度的影響很小。
圖1 切縫寬度隨輔助氣體壓力變化的曲線
表3 輔助氣壓對掛渣量的影響
3.2.1 切縫及切面形貌分析
采用不同的輔助氣體，激光切割5A06鋁合金的切縫正面差別不大，均窄細平直，但背面有較大不同，均有不同程度的掛渣，掛渣是熔融的金屬被輔助氣體從切縫吹出時附著在背面的，如圖2所示。使用Ar作輔助氣體時，切縫背面幾乎無氧化；使用N2 時，切縫背面輕微氧化；使用O2 時，切縫背面較前兩者氧化嚴重，掛渣較多；但三者的掛渣，用砂紙輕磨即掉。
圖2 激光切割5A06鋁合金的背面
表4 激光切割5A06鋁合金的切縫寬度
3.2.2 切面物相分析
分別對Ar、N2 、O2作輔助氣體時激光切割5A06鋁合金的切面進行X射線衍射分析，圖4是XRD圖。5A06鋁合金在室溫下的相成分為Mg在Al的固溶體和Mg與Al形成的金屬間化合物Al3Mg2；Ar作輔助氣體時，切面主要為Al和Al3Mg2，因為Ar是惰性氣體，不與其它物質發生反應；N2 作輔助氣體時，切面主要為Al、Al3Mg2和AlN，因為N元素在高溫下與Al反應生成AlN；而O2作輔助氣體時。切面主要為Al、Al3Mg2和Al2O3，因為O元素在高溫下與Al反應生成Al2O3。
3.2.3 切割區組織分析
激光切割5A06鋁合金是一個熱加工過程。激光作用到材料上時，大量的熱使材料熔化、汽化，同時與激光同軸的輔助氣體帶走大量的熱量，剩余的熱量作用到基材上并使接觸面的微觀結構發生改變。隨著激光束的移動，由于輔助氣體的作用和基材熱傳導的作用，與激光接觸的材料得到快速冷卻。
圖4 激光切割5A06鋁合金切面的X射線分析
(a) Ar作輔助氣體
(b) N2作輔助氣體
(c) O2作輔助氣體
圖5 激光切割5A06鋁合金切縫周圍金相圖
激光能量作用到5A06鋁合金材料上時，使材料熔化或汽化，并使接觸面的微觀結構發生改變，從而形成熱影響區(HAZ) o圖5顯示出，Ar作輔助氣體時，HAZ的寬度為90μm；N2作輔助氣體時，HAZ的寬度為100μm；02作輔助氣體時，基材與重熔層間沒有明顯的晶粒變化，HAZ不明顯。這是由于Ar或N2 作輔助氣體時，切面上分別主要為Al或AlN，這兩種物質的熱傳導率都比較高，激光能量作用到5A06鋁合金材料上時，由于輔助氣體和熱傳導的作用，能量被很快傳遞到母材上，從而形成HAZ；而O2作輔助氣體時，切面上主要為Al2O3，它的導熱性差，從而使熱量主要集中在重熔層，只有少量的熱量傳導到母材，故HAZ不明顯。
從圖5中還可看到，分別用Ar、N2 、O2作輔助氣休時，切面上均存在微裂紋。只者的裂紋都起源于重熔層，這是由于熔融金屬冷卻速度快，切面易產生熱應力，導致裂紋形成。另外，5xxx系的鋁合金的熱裂傾向與Mg的含量降低相關，5A06鋁合金激光切割時，激光束的能量很高，引起Mg元素的燒損，使得Mg含量下降，所以很容易在重熔層上引起裂紋。前兩者，起源于重熔層的裂紋，擴展到HAZ，止裂于母材，這是由于HAZ晶粒粗大易使裂紋擴展，而母材晶粒較小韌性較大，阻礙了裂紋的擴展。后者，由于HAZ不明顯，起裂于重熔層的裂紋在母材中擴展了50μm即停止擴展。
4 結論
Ar、N2 、O2三種氣體作輔助氣體切割5A06鋁合金，切縫正面均窄細平直，背面掛渣量依次增多；切縫垂直度分別為0.08mm、0.08mm和0.05mm；切面粗糙度分別為2.870μm、3.554μm、7.974μm；輔助氣體壓力對切縫寬度的影響不明顯。
5A06鋁合金基體的相組成是Al+Al3Mg2，Ar作輔助氣體激光切割5A06鋁合金，切面沒有新相形成；而N2 作輔助氣體，切面上形成了新相AlN；O2作輔助氣體，Al2O3相出現在切面上。
激光切割5A06鋁合金，切面形成重熔層，用Ar、N2 、O2，作輔助氣體，重熔層厚度分別為70μm、100μm、200μm；切面均存在微裂紋；HAZ寬度分別為90μm、100μm、不明顯。
以上資料由上海艾荔艾金屬材料有限公司提供，歡迎新老客戶來電洽購。
本文來自上海艾荔艾金屬材料有限公司http://www.jshcn.cn，轉載請注明出處。