摘要
钛合金在航空领域中的应用越来越广泛。为了优化钛合金激光切割工艺，针对广泛使用的4 mm厚的退火态（M态）TC4钛合金，选取了激光功率、离焦量、切割速度和辅助气体压力四个工艺参数，设计了单因素试验和四因素五水平正交的激光切割试验，基于切缝宽度、挂渣高度和异常组织区宽度三个质量评价指标，研究了工艺参数对切割质量的影响规律，并建立回归方程，预测和验证了最优切割工艺参数。试验结果表明，对切缝宽度影响最显著的工艺参数为激光功率和离焦量，对挂渣高度影响最显著的参数为气体压力和激光功率，对异常组织区宽度影响最显著的因素是切割速度和离焦量，建立的回归方程预测结果与验证试验结果吻合较好。
目的
钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和优异的疲劳强度而广泛用于高性能飞机的主轴承结构。其中，Ti-6Al-4V （TC4） 钛合金是航空航天应用中最常用的。然而，由于其导热系数低且容易粘附在切削工具上，其可加工性相对较差，导致制造成本高。这严重限制了钛合金在航空航天领域的应用。与传统方法相比，激光切割具有多项优势，包括更小的热影响区、减少工件的热变形和更高的加工效率。然而，切割工艺参数的复杂性使得系统测试对于参数优化以实现高切割质量至关重要。鉴于中等厚度钛板在飞机主轴承结构中的广泛使用，对激光切割工艺的优化进行深入研究非常重要。
方法
针对 4 mm 厚 TC4 钛合金板的激光切割，设计了单因素测试，选择激光功率、离焦量、切割速度和辅助气体压力等关键工艺参数，从而研究切口宽度、挂渣高度、组织区异常宽度等对切割质量的影响规律和机制。使用金相显微镜观察和测量切口宽度和异常组织区，而使用人体显微镜检查切割表面形态和挂渣高度。使用显微硬度测试仪测量异常组织区域的硬度变化。设计了正交检验，并应用方差分析 （ANOVA） 和多元回归方法来分析每个过程参数的效果。开发各质量评价指标的预测模型;工艺参数得到优化;并通过实验验证了预测模型的准确性。
结果与讨论
在研究工艺参数对切割质量的影响时，当使用氮气作为辅助气体时，切割表面呈灰黑色（图 8）。从上到下，表面分为三个区域：光滑、粗糙和挂渣（图 9）。光滑区宽度的变化主要是由于热输入和熔体吹塑的综合影响（图 11）。激光切割后，重熔区和热影响区以及基体的显微硬度显着降低，这主要是由于狭缝边缘的马氏体相变（图 12）。通过响应面分析拟合的回归方程预测的最窄切割狭缝的最佳工艺参数（表 6）为：激光切割功率为 2563 W，散焦量为 -4 mm，切割速度为 0.06 m/s，气压为 1.1 MPa。最小化挂渣高度的最佳参数是：激光功率 3060 W、散焦量 -5 mm、切割速度 0.12 m/s、气压 1.8 MPa。最小化异常组织区的最佳参数为：激光功率 3091 W，散焦量 -5 mm，切割速度 0.12 m/s，气压 1.7 MPa。
结论
试验结果表明，激光功率和离焦量是影响切口宽度最显著的工艺参数，而气压和激光功率对吊渣高度影响最大。切割速度和散焦量是影响异常组织区的最大因素。基于正交测试结果，建立了切口宽度、异常组织区宽度和挂渣高度的回归模型，以准确预测最佳切割质量工艺参数。由此产生的最佳参数组合导致最窄的切口宽度为 0.214 mm，最小的挂渣高度为 0.017 mm，最小的异常组织区宽度为 180.88 μm。这些发现为提高中等厚度钛合金的激光切割质量提供了有价值的指导。
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