辅助气体对5A06铝合金Nd：YAG激光切割质量的影响

利用高功率脉冲固体Nd：YAG激光对4mm厚的5A06铝合金板材进行切割试验，探讨辅助气体Ar、氮气、氧气对激光切割质量的影响。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、粗糙度测量仪、X射线衍射仪分析切缝及切面的形貌、粗糙度、物相及显微组织。

1 引言

    铝及铝合金的广泛应用．使铝合金的切割方法朝着精密、高效、灵活的方向发展，可光纤传导的Nd：YAG激光切割技术成为最合适的方法。采用CO_{2激光连续切割铝合金材料的工艺及机理国内外已有文献报道，采用高功率脉冲固体Nd：YAG激光切割其它钛、镍、不锈钢等材料也有研究报道，但Nd：YAG激光切割铝合金的报道还属鲜见。Nd：YAG激光的波长是CO2激光的1/10，铝合金对此波段激光的吸收率大大提高，从而可提高切割质量。
    激光切割质量受多方面因素的影响，辅助气体是其中一个关键因素。首先，它是唯一与被切割材料相接触的物质，直接影响着激光切割质量的好坏；其次，辅助气体在切割过程中是易耗品，决定着激光切割的成本。研究辅助气体对激光切割铝合金材料的影响不仅具有一定的理论价值，而且可为实际应用提供一定的参考依据。
    本文利用高功率脉冲固体Nd：YAG激光器切割5A06铝合金，从切缝宽度、切缝及切面的形貌、粗糙度、物相、显微组织分析研究辅助气体Ar、N2 、O2 对激光切割质量的影响。} 

2 试验材料及方法

2.1 试验材料
    选用挤压、轧制加工的4mm厚5A06铝合金板为试验对象，其化学成分如表1所示。切割用辅助气体分别是纯度为99.99％的Ar、N_{2 、O2 ，与激光束同轴输出。}

表1 5A06铝合金的化学成分(％)

2.2 试验方法
    试验用设备是额定功率500W的脉冲固体Nd：YAG激光器，波长1.06μm。激光切割5A06铝合金的工艺参数如表2所示。分别采用Ar、N_{2 、O2 作辅助气体，在其它工艺参数不变的情况下，研究辅助气体气压和种类对激光切割5A06铝合金质量的影响。}

表2 Nd：YAG激光切割5A06铝合金的工艺参数

    将切割后的试样制成金相试块，用4％的氢氟酸腐蚀5～7s，在CMM-20型光学显微镜下测量其切缝宽度，并观察微观组织；用JEOL JSM-6700型扫描电子显微镜观察切面形貌；用Mahr Perthometer M2粗糙度测量仪测量切面的粗糙度；用Y-2000型X射线衍射仪分析切面的物相。

3 试验结果分析

3.1 辅助气体气压的影响
    辅助气体主要用于从切割区吹掉熔渣以形成切缝。激光切割对辅助气流的基本要求是进入切口的气流量大，速度高，以便有足够的动量将熔融材料喷射带出。
    图1是切缝宽度随辅助气压变化的关系曲线，可以看出不论选择何种气体作辅助气体，随着气压的增大，切缝宽度变化范围不大，其对切缝宽度的影响很小。

图1 切缝宽度随辅助气体压力变化的曲线

    表3是辅助气压对挂渣量的影响，气压为0.5Mpa或0.6Mpa时，挂渣很少。本试验中，随着气压的增大，气体流动量增大，排渣能力提高，挂渣量少；但如果气压过大会使气体射流出现紊乱现象。于是形成不整齐的切缝，导致切缝质量变坏，因而选择合适的气体压力才能得到较为理想的切割质量。

表3 辅助气压对挂渣量的影响

3.2 辅助气体种类的影响
3.2.1 切缝及切面形貌分析
    采用不同的辅助气体，激光切割5A06铝合金的切缝正面差别不大，均窄细平直，但背面有较大不同，均有不同程度的挂渣，挂渣是熔融的金属被辅助气体从切缝吹出时附着在背面的，如图2所示。使用Ar作辅助气体时，切缝背面几乎无氧化；使用N_{2 时，切缝背面轻微氧化；使用O2 时，切缝背面较前两者氧化严重，挂渣较多；但三者的挂渣，用砂纸轻磨即掉。}

图2 激光切割5A06铝合金的背面

    分别测量三种辅助气体激光切割5A06铝合金的切缝宽度及垂直度，如表4所示，其中用O_{2 作辅助气体垂直度最高。Ar、N2 作辅助气体，切缝的垂直度达到GB/Z18462-2001的I级精度等级，O2 作辅助气体，切缝的垂直度达到GB/Z18462-2001的0级精度等级。}

表4 激光切割5A06铝合金的切缝宽度

    图3是分别用j种辅助气体切割5A06铝合金的切面图，(d)(e)(f)分别是(a)(b)(c)方框区的SEM放大。从图中可以看出，三者的切面距上表面1/4处较光滑，下部较粗糙，且有不同程度的带后托角的切割波纹。上部的波纹是由于脉冲能量较高，使金属直接汽化，每一个波纹都是一个激光脉冲使之汽化的痕迹，中下部的波纹是由于激光脉冲能量有所减小，金属只发生熔化并随高压气体流出，越向下由于熔化速度的滞后，形成后托角的波纹，熔化金属不能完全被吹出时，底部形成挂渣。切面SEM放大图看到，Ar作辅助气体时，波纹较浅；N_{2 作辅助气体时次之；O2 作辅助气体时波纹杂乱，三者挂渣量依次增多。三者的粗糙度依次为2.870μm、3.554μm、7.974μm都达到GB/Z18462-2001的0级精度等级。}

图3 激光切割5A06铝合金的切面形貌

3.2.2 切面物相分析
    分别对Ar、N_{2 、O2作辅助气体时激光切割5A06铝合金的切面进行X射线衍射分析，图4是XRD图。5A06铝合金在室温下的相成分为Mg在Al的固溶体和Mg与Al形成的金属间化合物Al3Mg2；Ar作辅助气体时，切面主要为Al和Al3Mg2，因为Ar是惰性气体，不与其它物质发生反应；N2 作辅助气体时，切面主要为Al、Al3Mg2和AlN，因为N元素在高温下与Al反应生成AlN；而O2作辅助气体时。切面主要为Al、Al3Mg2和Al2O3，因为O元素在高温下与Al反应生成Al2O3。
3.2.3 切割区组织分析
    激光切割5A06铝合金是一个热加工过程。激光作用到材料上时，大量的热使材料熔化、汽化，同时与激光同轴的辅助气体带走大量的热量，剩余的热量作用到基材上并使接触面的微观结构发生改变。随着激光束的移动，由于辅助气体的作用和基材热传导的作用，与激光接触的材料得到快速冷却。}

图4 激光切割5A06铝合金切面的X射线分析

    图5是分别用Ar、N_{2 、O2，作辅助气体时，激光切割5A06铝合金的切割区显微照片。从图中可以看到，三者的切面上均有一层重熔层，重熔层的形成是由于激光照射到铝合金时，照射点处材料内部蒸发形成孔洞，作为黑体吸收人射光束能量使周围的铝合金快速熔化，高压辅助气体将一大部分熔化金属吹走，而另一部分来不及吹走的熔化金属留在切面表面凝固形成了一层重熔层，另外由于激光的脉冲间隔，在切割过程中，熔化金属经多次凝固形成了层状重熔层。但是三者的重熔层厚度不同，Ar作辅助气体时，重熔层厚度为70μm；N2作辅助气体时，重熔层厚度为100μm; O2作辅助气体时，重熔层厚度为200μm。}

(a) Ar作辅助气体

(b) N_{2作辅助气体}

(c) O_{2作辅助气体}

图5 激光切割5A06铝合金切缝周围金相图

    激光能量作用到5A06铝合金材料上时，使材料熔化或汽化，并使接触面的微观结构发生改变，从而形成热影响区(HAZ) o图5显示出，Ar作辅助气体时，HAZ的宽度为90μm；N_{2作辅助气体时，HAZ的宽度为100μm；02作辅助气体时，基材与重熔层间没有明显的晶粒变化，HAZ不明显。这是由于Ar或N2 作辅助气体时，切面上分别主要为Al或AlN，这两种物质的热传导率都比较高，激光能量作用到5A06铝合金材料上时，由于辅助气体和热传导的作用，能量被很快传递到母材上，从而形成HAZ；而O2作辅助气体时，切面上主要为Al2O3，它的导热性差，从而使热量主要集中在重熔层，只有少量的热量传导到母材，故HAZ不明显。
    从图5中还可看到，分别用Ar、N2 、O2作辅助气休时，切面上均存在微裂纹。只者的裂纹都起源于重熔层，这是由于熔融金属冷却速度快，切面易产生热应力，导致裂纹形成。另外，5xxx系的铝合金的热裂倾向与Mg的含量降低相关，5A06铝合金激光切割时，激光束的能量很高，引起Mg元素的烧损，使得Mg含量下降，所以很容易在重熔层上引起裂纹。前两者，起源于重熔层的裂纹，扩展到HAZ，止裂于母材，这是由于HAZ晶粒粗大易使裂纹扩展，而母材晶粒较小韧性较大，阻碍了裂纹的扩展。后者，由于HAZ不明显，起裂于重熔层的裂纹在母材中扩展了50μm即停止扩展。}

4 结论

    Ar、N_{2 、O2三种气体作辅助气体切割5A06铝合金，切缝正面均窄细平直，背面挂渣量依次增多；切缝垂直度分别为0.08mm、0.08mm和0.05mm；切面粗糙度分别为2.870μm、3.554μm、7.974μm；辅助气体压力对切缝宽度的影响不明显。
    5A06铝合金基体的相组成是Al+Al3Mg2，Ar作辅助气体激光切割5A06铝合金，切面没有新相形成；而N2 作辅助气体，切面上形成了新相AlN；O2作辅助气体，Al2O3相出现在切面上。
    激光切割5A06铝合金，切面形成重熔层，用Ar、N2 、O2，作辅助气体，重熔层厚度分别为70μm、100μm、200μm；切面均存在微裂纹；HAZ宽度分别为90μm、100μm、不明显。}