为研究激光器工艺参数对连杆预制裂纹槽的影响规律，本文采用YAG固体激光器对捷达轿车连杆进行了预制裂纹槽的切割加工试验．通过改变激光器的功率、切割速度、脉宽、频率、入射角等参数研究各参数对预制裂纹槽加工质量的影响规律．试验结果表明：采用氩气作为辅助气体，高功率密度与低扫描速度有利于提高裂纹槽质量；重复频率的提高会导致裂纹槽宽度增加，当重复频率由26Hz增加到36Hz时，槽宽增加0.05 mm左右；入射角取15～30°时切割的裂纹槽质量较好。
发动机连杆裂解加工技术是目前国际上连杆生产的最新技术，有着传统连杆加工方法无可比拟的优越性，其加工工序少、节省精加工设备、节材节能、生产成本低。此外连杆裂解技术还可使连杆承载能力、抗剪能力、杆、盖的定位精度、装配质量大幅度提高，对提高发动机生产技术水平和整机性能具有重要作用。从某种意义上讲，连杆裂解新技术已成为一个同家发动机连杆制造工业发展水平的重要标志。
裂解加工连杆的预制裂纹槽多采用拉削与激光加。工两种方式，由于激光加工预制裂纹槽影响因素多，质量不易控制，而且目前有关激光加工连杆预制裂纹槽的文章国内外并不多见，基于此，本文研究了激光器工艺参数对裂纹槽质量的影响规律并提供了工艺参数合理的取值范围。
1 连杆裂解加工原理
连杆裂解加工的原理是通过在连杆大头轴承孔中心处设计并预制缺口(预制裂纹槽)，形成应力集中，再主动施加垂直于预定断裂面的载荷进行引裂。当满足发生脆性断裂的条件时，在几乎不发生塑性变形的情况下，在缺口处规则断裂，实现连杆体与连杆盖的无屑断裂剖分。由于断裂面呈犬牙交错的自然形态，具有极高的定位与配合精度，无需加工。在后续的大头孔精加工及装配过程中，以断裂剖分的三维曲面定位，分离后的连杆盖与连杆体在断裂面处自然啮合、精确合装。
连杆大头孔预制裂纹槽的设计和制造是裂解加工技术的关键，也是裂解加工的核心与首要工序。
2 连杆裂解加工对预制裂纹槽要求
设计预制裂纹槽的目的是制造缺口效应，提高应力集中系数，满足张开型(I型)断裂条件，保证断裂发生在预定位置，并有效降低裂解加工载荷，从而减少裂解过程中连杆大头孔塑性变形，保证裂解加工质量。
预制裂纹槽几何尺寸主要由3个参数决定，即槽深h、张角α和曲率半径r，见图1。
图1 裂纹槽几何参数
实验表明，槽深h较小时，将使裂解加工过程中的裂解力增大，并导致裂解后连杆大头孔失圆。同时，较大的裂解力必然带来较大的残余应力，在连杆装机后残余应力的释放也将影响发动机的工作性能。当槽深h增加，则裂解力明显降低，且裂解后连杆大头孔塑性变形小，有利于连杆盖与连杆体的啮合，但槽深过大，会导致后续精加工余量加大，一般取槽深0.5-0.7 mm适宜；裂纹槽张角α增加，所需的裂解力也随之增加，为降低裂解力，减小大头孔的变形，建议取较小的张角，考虑到实际加工的情况，张角一般为60-900，以90°较为常用；曲率半径r越小，应力集中系数越大，裂解力越小。当r过大时将产生撕裂现象，并使连杆大头孔变形增大、断裂面啮合性能降低，一般要求曲率半径<0.3 mm。
裂纹槽的加工不仅要保证适当的槽深、张角及曲率半径，而且应保证大头孔中心两侧的裂纹槽位置对称、槽深一致，减少槽深偏差，以保证最终获得两个高质量的断裂剖分面。
目前在批量生产中，裂纹槽的加工方法主要有拉削与激光加工。用拉削方法加工出的裂纹槽，槽宽较宽，槽深较浅(图2(a))，且在批量生产过程中会导致拉刀的磨损，使裂纹槽曲率半径r增大，进一步导致裂解后大头孔的变形，严重时会出现两个裂解槽形状不一样，在连杆裂解时会出现一侧已断裂剖分，而另一个分离面尚未完全断开，简称为“单边断裂”的现象。与拉削加工相比，激光加工具有槽宽较窄、槽深较深(图2(b)、无刀具磨损、重复精度高的特点，而且激光可对裂纹槽根部进行淬火处理，进一步提高缺口根部的应力集中系数，保证脆性断裂，因此激光加工裂解槽方法具有广阔的应用前景。
连杆预制裂纹槽属于窄缝肓槽，其加工精度要求高，槽面质量要求好。一般的CO2激光器无法满足裂纹槽的加工要求。实验证明，YAG固体激光加工裂纹槽独具优势。YAG固体激光器加工连杆预制裂纹槽工艺复杂，影响因素众多，主要有激光器输出功率与模式、重复频率与脉宽、切割速度、光斑直径与焦点位置、辅助气体的类型与压力等。
图2 裂纹槽形状
3 激光垂直切割裂纹槽工艺参数研究
3.1 实验方法与设备
实验样件选用一汽大众捷达轿车连杆，材料为高碳微合金非调质钢C70S6(BY)，锻后风冷．其金相组织为珠光体加断续的铁素体，抗拉强度为900+150MPa，屈服极限为520MPa，最大延伸率为10％。
实验设备采用武汉楚天激光设备有限公司生产的200W固体脉冲激光器，波长为1.06μm，电流(功率)、脉宽、重复频率可调。为改善光束发散角，用既简单又有效的小孔光阑法对横模进行选择，激光经选模后通过透镜聚焦后垂直入射到被加工表面。工作台由数控系统自动控制，保证实验的可重复性，辅助气体采用氧气和氩气，气压可调。
实验通过改变固体激光器的输出参数来加工连杆预制裂纹槽，从而研究各参数对预制裂纹槽加工质量的影响。nextpage
3.2 切割速度和功率密度对切割质量的影响
切割速度由激光加工机的数控工作台控制。对各种不同的加工要求，当其他参数一定时，切割速度都存在着最佳调整范围，此时切割出的槽宽均匀，槽深符合要求，槽面质量较好。大于这个速度，材料切割深度不够，熔融物不能完全被气体吹走，滞留在切割槽表面上使槽面粗糙；小于这个速度，热影响区扩大，排出的熔融物会烧蚀切割槽表面使槽面粗糙。图3给出了在辅助气体为氩气的条件下，不同切割速度与功率密度对激光切割的槽深与槽宽的变化规律。随着功率密度的提高，切割宽度、切割深度都加大。当功率密度不变情况下，欲通过降低切割速度来提高切割深度，则切割宽度也会随之增大。可看出，功率密度对槽深与槽宽的影响要大于切割速度的影响。
图3 电流与切速不同时槽深与槽宽的对比
从切割质量来看，低功率密度与高扫描速度切割时，槽表面易残留飞溅物，且易附着毛刺(图4(a))，而随着功率密度的提高与扫描速度的降低，这些现象明显减小，切割质量明显提高(图4(b))．所以高功率密度与低切割速度有利于裂纹槽的加工。
图4 不同功率密度与切割速度裂纹槽形貌
3.3 脉宽和重复频率对切割质量的影响
采用氩气作为辅助气体，研究了脉宽和重复频率对槽宽的影响规律。图5(a)为不同脉宽条件下激光切割槽宽与速度的关系曲线。可见，随着脉冲宽度的增加，切割槽宽加大。脉冲宽度一定时，随着切割速度的提高，切割宽度变化不大。图5(b)给出不同重复频率下激光切割槽宽随扫描速度的变化规律。随着重复频率的提高，切割宽度是增加的。当重复频率由26Hz增加到36Hz时，槽宽增加0.05 mm左右。当重复频率一定时，随着切割速度的提高，切割宽度变化不大。当切割速度提高到一定的程度时，就会使切割出的槽南平直的状态变成不连续的小孔状态，即激光切割成为激光打孔，如图6所示。
图5 槽宽随脉宽与重复频率的变化nextpage
图6 不同切割速度下裂纹槽的形貌
3.4 辅助气体的影响
通常激光切割都需要使用辅助气体，辅助气体与激光同轴喷出，保护聚焦透镜免受污染并吹走割缝中的熔融物。辅助气体采用活性气体氧气时，激光切割过程中氧气与材料发生氧化燃烧反应并产生大量的热，氧气流量越大，产生的热量越多，导致切割面熔融物增多，切割宽度增加。
激光切割连杆初始裂解槽要求加工尺寸小、加工精度高，所以辅助气体不能采用活性气体。采用惰性气体氩气切割连杆初始裂解槽，不会发生氧化燃烧反应，切割出的裂解槽窄，槽面质量较好，见图7。
图7 氩气为辅助气体的裂纹槽形貌
3.5 离焦量的影晌
离焦量影响切割槽宽、槽深和槽面质量。焦点处在材料表面之上有很小的正离焦量时切割出的槽宽最小、槽面质量也较好，但深度有所下降。随着离焦量的增加，光斑直径增加，切割出的槽宽也增加，同时槽深继续减小．而随着离焦量减小，当焦点进入材料表面后(负离焦量)，槽面对光能的吸收增多，槽面熔融物增多，切割的槽宽增加，槽深也增加。
4 激光入射角对切割质量的影响
在激光加工过程中，由于工件形状的复杂性，为了避免激光切割头与工件碰撞或干涉，有时激光切割头需要偏转一定的角度，因此不能保证入射激光束垂直于被加工表面。尤其对于连杆预制裂纹槽的激光切割，由于连杆裂纹槽加工部位以及大头孔直径的限制，要求激光切割头与连杆大头孔圆柱内表面必须偏转一定角度，如图8所示。
为此，需要研究激光人射角对切割质量的影响规律，以便采取补偿措施，合理确定工艺参数、设计加工装置，保证加工质量。
采用固体脉冲激光器通过调整入射角对连杆进行了裂解槽的切割实验，从而给出入射角对切割质量的影响规律，入射角的变化引起切割深度的变化，随着入射角的减小，切割深度逐渐减小。切割宽度受入射角的影响较小。这是由于入射角减小，反射率加大，吸收率减小，用以切割的有效能量减小，使切割深度减小、槽宽变窄；但入射角减小会导致离焦量、焦斑直径的增大，又使槽宽变宽、切割深度仍减小，两者综合作用决定了最终的切割深度减小和切口宽度几乎不变。通过试验研究，入射角取15°-30°时切割的裂纹槽质量较好。
图8 激光加工连杆裂纹槽
5 结论
1)随着功率密度的提高，切割宽度、切割深度都加大．高功率密度与低切割速度有利于裂纹槽的加工。
2)脉冲宽度与重复频率的增加，都会导致切割槽宽加大，所以低脉冲宽度与重复频率有利于裂纹槽的加工。
3)激光加工预制裂纹槽时，辅助气体应采用惰性气体，这样不会发生氧化燃烧反应，切割出的裂解槽窄，槽面质量较好。
4)激光入射角减小，会导致切割深度减小，而切割宽度变化不大，入射角取15°-30°时切割的裂纹槽质量较好。
由于试验条件有限，所采用的YAG同体激光器功率密度稍有不足，若采用大功率密度的YAG固体激光器则可得到更好的预制裂纹槽质量。
