激光加工是利用激光聚焦后在焦點達到很高的能量密度進行加工的工藝方法，按照其加工機理，可分為光熱效應加工和光化學反應加工，其中大部分為光熱效應加工，如激光切割、激光焊接、激光制孔、激光雕刻、激光3D 打印、激光熱處理等，而光化學沉積、立體光刻、激光雕刻刻蝕則屬于光化學反應加工。在國外，激光加工技術被譽為“萬能的加工工具”、“未來制造系統的共同加工手段”，而二十一世紀被譽為“光加工時代”。可見激光加工在制造業中的地位越來越重要。

　　激光切割是激光加工中發展最為成熟的一種技術，由于其切割范圍廣、速度高、切縫窄、熱影響區小、加工柔性好等優點而廣泛應用于各種加工領域。近年來，激光切割技術在新材料、精細加工和大批量生產中體現出了明顯的優勢，更好地解決了某些復雜結構的難加工問題。激光切割是用不可見的光束代替了傳統的刀具，激光刀頭的機械部分與工件無接觸，不產生切削力，對工具的夾持要求低，輔助工裝減少。盡管激光切割有諸多優勢，但是，激光切割屬于熱切割，而飛機蒙皮材料( 常用鋁合金，如2A12) 又是高反射率材料，激光切割過程屬于熔化切割，切縫會產生熱影響區及熱致微裂紋。美國Sikorsky Aircraft 公司Michael Urban 的試驗表明，激光切口邊緣比鉚合結構能承受更大的應力，具有更好的疲勞性能。另外，試驗結果表明，飛機蒙皮材料激光切割的熱影響區成分中不含有氮元素，含有少量氧元素，可見激光切割過程輔助氣體氮氣沒有與材料發生反應，而空氣中的氧氣使切口表面發生氧化，在一定程度上提高了耐腐蝕性。因此，本文通過對激光切割飛機蒙皮材料的拉伸、壓縮以及剪切性能的測試，分析對其力學性能的影響程度。

　　1 飛機蒙皮材料激光切割試驗方法

　　1. 1 試驗方法

　　通過觀察飛機蒙皮材料激光切割面形貌、測試激光切割試件的微觀硬度以及拉伸強度，分析激光切割試件力學性能的變化。

　　1. 2 試件制備

　　試件材料采用厚度為2. 5 mm 的2A12 硬鋁合金板，按照國家標準GB /T 228-2002 對拉伸試件的要求設計拉伸試件，為了便于進行微觀硬度測試，同時設計壓縮與剪切試件。

　　在馬扎克SUPER TURBO-X 510 MKII 激光切割機床上工藝參數切割試件。

　　2 激光切割試件的形貌分析

　　2. 1 切割紋理及掛渣現象

　　鋁合金試件激光切割后存在明顯的切割紋理及掛渣現象。由于鋁合金材料對激光能量的吸收率較低，所以鋁合金的激光切割過程以熔化為主，在輔助氣體的作用下形成了切割紋理及掛渣現象。通過全自動視頻測量儀- JVC300T 的測量，這組微觀硬度試件的掛渣尺寸值,其平均值為0. 893mm。

　　2. 2 切割面表面粗糙度

　　同樣，利用TR210 粗糙度儀測量微觀硬度試件切開的表面質量，其表面粗糙度值，其平均值Ra為2. 106 μm，Rz為8. 845 μm。可見，盡管鋁合金切口存在切割紋理，仍然具有較高的表面質量。

　　3 試件力學性能分析

　　3. 1 微觀硬度測試分析

　　硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標，是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。硬度是材料微觀結構的宏觀表現，通過硬度試驗可以獲得材料微觀結構的有關信息。硬度試驗根據其測試方法的不同有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。本試驗利用維氏顯微硬度計分別對激光切割試件的切割斷面和熱影響區硬度進行測量，進而分析激光切割后工件力學性能的變化情況。

　　3. 1. 1 切割斷面硬度測試分析

　　沿著A 方向在試件激光切割斷面上對其顯微硬度進行逐點測試。

　　可以看出，鋁合金激光切割斷面上其硬度值分布在120 HV ～ 200 HV 之間，平均值為155 HV，而母材硬度測試值為40 HV 左右，顯然鋁合金的激光切割斷面上的硬度遠高于其母材硬度。這是由于鋁合金的激光切割屬于熔化切割，而輔助氣體氮氣在切割過程中還起到了冷卻的作用，使切縫( 切割斷面) 冷卻形成硬化層。

　　3. 1. 2 熱影響區硬度測試

　　沿著B 方向在試件表面上對其顯微硬度進行逐點測試。

　　從試件表面的顯微硬度分布看，與母材硬度非常接近，只是在距離切縫約0. 25 mm 內其硬度值為45HV 左右，可見，試件在本試驗條件下產生的熱影響區寬度大約為0. 25 mm。

　　3. 2 試件拉伸測試分析

　　對激光切割試件進行拉伸測試，拉伸時對一部分試件的切割斷面做去除掛渣處理，另一部分試件不做任何處理。

　　2A12 硬鋁合金通過激光切割后，有如下試驗結果:

　　( 1) 飛機蒙皮材料的激光切割試件與母材相比，抗拉強度下降約50 MPa ～ 60 MPa，延伸率下降約3% ～ 3. 5%，而屈服強度則提高約55 MPa ～ 70 MPa;

　　( 2) 對激光切割試件做去除掛渣或打磨處理，其力學性能較不做處理的試件要好。

　　之所以會出現上述現象，是由于鋁合金材料在激光切割過程中在熱影響區產生熱致微裂紋，從而降低了力學性能指標，通過去除掛渣或打磨，則可以減小熱致微裂紋對力學性能的影響。

　　3. 3 試件壓縮及剪切測試分析

　　由于飛機蒙皮材料為一定厚度的板材，其壓縮及剪切強度的測試試件不能采用標準試件樣式， 制備試件，試件分別采用激光切割和機械加工方式進行制備，對這兩種加工方法獲得的試件分別進行壓縮和剪切對比試驗。壓縮測試考慮到試件厚度只有2. 5 mm，采用虎鉗夾持、底部支撐的方式保證試件的穩定，壓縮面積為12. 5 mm × 2. 5 mm，; 剪切測試采用雙側雙剪方式，剪切槽寬16. 5 mm，剪切面積為12. 5 mm × 2. 5 mm × 4。

　　壓縮及剪切測試結果，從測試結果可以看出，飛機蒙皮材料通過機械加工和激光切割后，其抗壓強度和抗剪強度幾乎相同。

　　3. 4 電鏡照片分析

　　在上述試驗過程中，激光切割試件的力學性能發生了變化，為了進一步其變化的本質原因，對試件激光切割斷面和拉伸斷面進行電鏡分析。

　　試件激光切割斷面27 倍和300 倍電鏡可以看出激光切割后形成的硬化層，且能夠明顯看出切割的紋理及掛渣。

　　分別是激光切割試件拉伸斷面95 倍和200 倍電鏡，可以看出激光切割后形成的熱影響區。

　　4 結論

　　根據上述試驗結果及其分析，激光切割對飛機蒙皮材料( 硬鋁合金) 的力學性能有一定的影響，可以得出以下結論:

　　1) 在試驗給定的工藝參數下，激光切割面的表面質量較高，但在邊緣會形成掛渣。在試驗給定的工藝參數下，掛渣尺寸平均值為0. 893 5 mm。

　　2) 經過對激光切割試件進行相關測試，拉伸強度有所降低，壓縮和剪切強度沒有變化，可用于飛機蒙皮的邊緣切割。