浅析激光切割对飞机蒙皮材料力学性能的影响

激光加工是利用激光聚焦后在焦点达到很高的能量密度进行加工的工艺方法，按照其加工机理，可分为光热效应加工和光化学反应加工，其中大部分为光热效应加工，如激光切割、激光焊接、激光制孔、激光雕刻、激光3D 打印、激光热处理等，而光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀则属于光化学反应加工。在国外，激光加工技术被誉为“万能的加工工具”、“未来制造系统的共同加工手段”，而二十一世纪被誉为“光加工时代”。可见激光加工在制造业中的地位越来越重要。

　　激光切割是激光加工中发展最为成熟的一种技术，由于其切割范围广、速度高、切缝窄、热影响区小、加工柔性好等优点而广泛应用于各种加工领域。近年来，激光切割技术在新材料、精细加工和大批量生产中体现出了明显的优势，更好地解决了某些复杂结构的难加工问题。激光切割是用不可见的光束代替了传统的刀具，激光刀头的机械部分与工件无接触，不产生切削力，对工具的夹持要求低，辅助工装减少。尽管激光切割有诸多优势，但是，激光切割属于热切割，而飞机蒙皮材料( 常用铝合金，如2A12) 又是高反射率材料，激光切割过程属于熔化切割，切缝会产生热影响区及热致微裂纹。美国Sikorsky Aircraft 公司Michael Urban 的试验表明，激光切口边缘比铆合结构能承受更大的应力，具有更好的疲劳性能。另外，试验结果表明，飞机蒙皮材料激光切割的热影响区成分中不含有氮元素，含有少量氧元素，可见激光切割过程辅助气体氮气没有与材料发生反应，而空气中的氧气使切口表面发生氧化，在一定程度上提高了耐腐蚀性。因此，本文通过对激光切割飞机蒙皮材料的拉伸、压缩以及剪切性能的测试，分析对其力学性能的影响程度。

　　1 飞机蒙皮材料激光切割试验方法

　　1. 1 试验方法

　　通过观察飞机蒙皮材料激光切割面形貌、测试激光切割试件的微观硬度以及拉伸强度，分析激光切割试件力学性能的变化。

　　1. 2 试件制备

　　试件材料采用厚度为2. 5 mm 的2A12 硬铝合金板，按照国家标准GB /T 228-2002 对拉伸试件的要求设计拉伸试件，为了便于进行微观硬度测试，同时设计压缩与剪切试件。

　　在马扎克SUPER TURBO-X 510 MKII 激光切割机床上工艺参数切割试件。

　　2 激光切割试件的形貌分析

　　2. 1 切割纹理及挂渣现象

　　铝合金试件激光切割后存在明显的切割纹理及挂渣现象。由于铝合金材料对激光能量的吸收率较低，所以铝合金的激光切割过程以熔化为主，在辅助气体的作用下形成了切割纹理及挂渣现象。通过全自动视频测量仪- JVC300T 的测量，这组微观硬度试件的挂渣尺寸值,其平均值为0. 893mm。

　　2. 2 切割面表面粗糙度

　　同样，利用TR210 粗糙度仪测量微观硬度试件切开的表面质量，其表面粗糙度值，其平均值Ra为2. 106 μm，Rz为8. 845 μm。可见，尽管铝合金切口存在切割纹理，仍然具有较高的表面质量。

　　3 试件力学性能分析

　　3. 1 微观硬度测试分析

　　硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度是材料微观结构的宏观表现，通过硬度试验可以获得材料微观结构的有关信息。硬度试验根据其测试方法的不同有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。本试验利用维氏显微硬度计分别对激光切割试件的切割断面和热影响区硬度进行测量，进而分析激光切割后工件力学性能的变化情况。

　　3. 1. 1 切割断面硬度测试分析

　　沿着A 方向在试件激光切割断面上对其显微硬度进行逐点测试。

　　可以看出，铝合金激光切割断面上其硬度值分布在120 HV ～ 200 HV 之间，平均值为155 HV，而母材硬度测试值为40 HV 左右，显然铝合金的激光切割断面上的硬度远高于其母材硬度。这是由于铝合金的激光切割属于熔化切割，而辅助气体氮气在切割过程中还起到了冷却的作用，使切缝( 切割断面) 冷却形成硬化层。

　　3. 1. 2 热影响区硬度测试

　　沿着B 方向在试件表面上对其显微硬度进行逐点测试。

　　从试件表面的显微硬度分布看，与母材硬度非常接近，只是在距离切缝约0. 25 mm 内其硬度值为45HV 左右，可见，试件在本试验条件下产生的热影响区宽度大约为0. 25 mm。

　　3. 2 试件拉伸测试分析

　　对激光切割试件进行拉伸测试，拉伸时对一部分试件的切割断面做去除挂渣处理，另一部分试件不做任何处理。

　　2A12 硬铝合金通过激光切割后，有如下试验结果:

　　( 1) 飞机蒙皮材料的激光切割试件与母材相比，抗拉强度下降约50 MPa ～ 60 MPa，延伸率下降约3% ～ 3. 5%，而屈服强度则提高约55 MPa ～ 70 MPa;

　　( 2) 对激光切割试件做去除挂渣或打磨处理，其力学性能较不做处理的试件要好。

　　之所以会出现上述现象，是由于铝合金材料在激光切割过程中在热影响区产生热致微裂纹，从而降低了力学性能指标，通过去除挂渣或打磨，则可以减小热致微裂纹对力学性能的影响。

　　3. 3 试件压缩及剪切测试分析

　　由于飞机蒙皮材料为一定厚度的板材，其压缩及剪切强度的测试试件不能采用标准试件样式， 制备试件，试件分别采用激光切割和机械加工方式进行制备，对这两种加工方法获得的试件分别进行压缩和剪切对比试验。压缩测试考虑到试件厚度只有2. 5 mm，采用虎钳夹持、底部支撑的方式保证试件的稳定，压缩面积为12. 5 mm × 2. 5 mm，; 剪切测试采用双侧双剪方式，剪切槽宽16. 5 mm，剪切面积为12. 5 mm × 2. 5 mm × 4。

　　压缩及剪切测试结果，从测试结果可以看出，飞机蒙皮材料通过机械加工和激光切割后，其抗压强度和抗剪强度几乎相同。

　　3. 4 电镜照片分析

　　在上述试验过程中，激光切割试件的力学性能发生了变化，为了进一步其变化的本质原因，对试件激光切割断面和拉伸断面进行电镜分析。

　　试件激光切割断面27 倍和300 倍电镜可以看出激光切割后形成的硬化层，且能够明显看出切割的纹理及挂渣。

　　分别是激光切割试件拉伸断面95 倍和200 倍电镜，可以看出激光切割后形成的热影响区。

　　4 结论

　　根据上述试验结果及其分析，激光切割对飞机蒙皮材料( 硬铝合金) 的力学性能有一定的影响，可以得出以下结论:

　　1) 在试验给定的工艺参数下，激光切割面的表面质量较高，但在边缘会形成挂渣。在试验给定的工艺参数下，挂渣尺寸平均值为0. 893 5 mm。

　　2) 经过对激光切割试件进行相关测试，拉伸强度有所降低，压缩和剪切强度没有变化，可用于飞机蒙皮的边缘切割。