Al2O3陶瓷YAG激光切割重铸层Al2O3陶瓷YAG激光切割重铸层2004-10-16 09:45 来源: 作者:1引言激光切割陶瓷由于具有非接触、柔性化、自动化及可实现精密切割和曲线切割、切缝窄、速度快等特点，同传统的切割方法如金刚石砂轮切割法相比，是一种有巨大应用价值和发展潜力的理想陶瓷加工方法1-2。但是，陶瓷属硬、脆材料，热稳定性较差，切割时易形成重铸层和裂纹，降低了基体原有的优良性能。现有的无裂纹切割方法基本上采用Q开关脉冲激光(CO2或Nd:YAG)，在单脉冲能量不变的前提下，压缩脉宽至ns级，脉冲频率提高至1020KHz级。其显著缺点是设备能力要求高，往往要求多道重复切割或预加工，实用切割效率低3-4。本文采用脉冲Nd:YAG(=1.06m)固体激光加工机，设计了超音速喷嘴，利用切割时高速辅助气流对陶瓷基体的去除和冷却作用，结合激光切割参数的优化，研究影响重铸层及裂纹的因素，力求获得最小重铸层厚度和裂纹长度的复合气流切割方法，在较高切割速度下一次完成切割过程。2试验条件及方法2.1试验材料试验材料为热压Al2O3结构陶瓷，其中：电子工业用Al2O3结构陶瓷厚度为1.0mm，Al2O3SiC纳米复合结构陶瓷厚度为3.5mm。2.2试验设备及仪器试验设备为五轴联动脉冲Nd:YAG激光加工机。脉宽为0.38ms；脉冲频率为150Hz。试验辅助设备为专用超音速喷嘴。孔道入口气流压力0.69MPa，喉口直径1.6mm，出口直径2.3mm，设计马赫数M2.01。主要试验仪器为JSM6301F场发射扫描电镜。2.3试验方法现有研究结果表明，最大限度地压缩脉宽，提高脉冲频率，选择适当平均功率是降低和消除重铸层的方法。本实验选取脉宽=0.3ms，在此基础上，研究超音速辅助切割气流、脉冲频率、切割速度及平均功率对重铸层的影响。实验采用超音速喷嘴，置于切割方向和激光割嘴构成的平面内，与激光割嘴成30度角，以超音速惰性气流与同轴气 流互相关联组成切割气流系统。如图1所示。复合超音速切割气流方法以英文缩写PSJ(Plus Supersonic Jet)表示。试验如下进行。(1)研究不同切割速度下，复合切割气流与单独使用同轴切割气流对重铸层及裂纹的影响。试验工艺参数如表1所示。(2)研究在复合气流作用下，激光脉冲平均功率、切割速度和脉冲频率对重铸层及裂纹的影响，试验方案如表2所示。并利用正交设计试验方法5，确定获得最小重铸层厚度和重铸层裂纹长度及密度的最佳工艺，进行试验验证。(3)在采用复合气流的前提下，利用正交设计方案，研究脉冲频率，切割速度和平均功率等因素的交互影响，获得较大厚度的陶瓷高速一次切割的最佳工艺。试验方案如表3所示。表1Al2O3(=1.0mm)切割工艺参数试样编号脉冲频率f/Hz切割速度v/mm/s平均功率N/w切割气流1300.57.0coaxial2301.07.0coaxial3302.07.0coaxial4303.07.0coaxial5300.57.0PSJ6301.07.0PSJ7302.07.0PSJ8303.07.0PSJ表2Al2O3(=1.0mm)切割工艺参数试样编号脉冲频率f/Hz切割速度v/mm/s平均功率N/w11500.52.412501.02.413100.52.414102.02.415500.57.016501.07.017100.57.0表3优化设计试验方案试样编号脉冲频率f/Hz切割速度v/mm/s平均功率N/w1400.57.02400.24.23300.54.24300.27.02.4试样处理方法试样断口经喷金处理后，在场发射扫描电镜上观察切口形貌；切口侧面经研磨抛光，用氢氟酸水溶液腐蚀及喷金处理后，在场发射扫描电镜上观测重铸层及其上裂纹形态。 3试验结果及分析3.1切口形貌及分析按工艺方案表1切割的试样典型切口形貌照片如图2及图3所示：从图2及图3中可以看出：切口侧壁存在重铸层及粘附在重铸层表面的熔渣，在熔渣及重铸层中均存在裂纹。重铸层中裂纹一般向同一方向延伸，熔渣中裂纹多为纵横分布，类似龟裂。随着切割速度的增加，熔渣从平面形态向有方向性的波纹形态转变；低速到高速切割时单个脉冲的叠加程度的降低，使熔渣从平面状态转变成为断续状态。切断方式也从气化和融化转化为附加部分热振而引起的断裂，部分热振引起的断裂如图4所示。图4(1)也说明：当切割速度相同时，复合高速气流断口的熔渣方向性更明显。同时高速气流具有比同轴气流更明显的去除渣层作用，促进了熔渣脱落，熔渣脱落后，亚层呈现的重铸层形貌如图4.2(b)所示。说明v=2.0mm/s时切口侧面重铸层与v=3.0mm/s时由于热振在切口深度方向形成的重铸层是一致的。图1复合气流示意图图2采用同轴切割气流时典型切口形貌图3采用超音速切割气流时典型切口形貌图4部分热振引起的切口断裂形貌3.2显微结构及分析按工艺方案表1切割的试样，典型重铸层显微结构照片如图5所示：熔渣位于最外层为白亮色，重铸层为较暗的次外层，内层为基体。重铸层厚度约为2050m，为较基体致密，无气孔的组织，裂纹垂直于切口边缘，贯穿整个重铸层后，呈分叉形式中止于基体内，或多个此类裂纹沿重铸层和基体的界面互相横向扩展连通。重铸层厚度随着切割速度的增加降低，并且高速气流存在时重铸层的厚度较仅有同轴气流时的厚度低；但是当切割速度增大到一定值时，重铸层厚度不再降低。重铸层厚度与切割速度及切割气流的关系如图6所示：高速气流体现了对激光与陶瓷相互作用区一定的冷却作用，使激光与陶瓷互相作用产生的热量向基体内部的传导深度降低，从而使由于受热融化快速冷却而产生的重铸层厚度下降。当切割速度增大到一定值时，脉冲叠加程度下降，单位长度热作用时间降低，甚至部分依靠热振促成基体断裂；脉冲休止时间内，激光割嘴运动距离超过光斑直径，脉冲激光叠加作用消失，单个脉冲单独作用时，其温度梯度大，热传导时间短，从而使高速气流的冷却作用变得不明显。图5典型重铸层形态图6重铸层厚度与切割速度及切割气流的关系图7不同平均功率下重铸层形态图8最小重铸层厚度形态试验方案2得到的重铸层厚度照片如7所示。对比分析表明：脉冲频率及切割速度相同的条件下，较高的平均功率得到较大的重铸层厚度，最大重铸层厚度在平均功率7.0W，脉冲频率50Hz，切割速度0.5mm/s时达到50m以上；平均功率及切割速度一定(v=0.5mm/s，N=2.4W及N=7.0W)，脉冲频率降低时(从f=50Hz至f=10Hz)，重铸层厚度变化不大；平均功率及脉冲频率一定(f=50Hz,N=2.4W及N=7.0W)，切割速度分别从0.5mm/s提高到2.0mm/s及1.0mm/s时。重铸层厚度均有所降低，平均功率较高时降低程度较大。因此可以得出，在本试验脉宽为0.3ms,复合作用超音速切割气流的前提下，平均功率是影响重铸层厚度的最主要因素，切割速度次之，脉冲频率再次。平均功率是决定单脉冲峰值能量的关键因素，峰值能量又是决定温度梯度即热传导深度的关键因素；脉冲频率的增加可以提高脉冲搭接程度，但并不一定引起热量累积和向切口两侧传导的当量增加；切割速度的提高本质上在于降低脉冲重叠导致的热量累积，直至达到单个脉冲所能切断的陶瓷厚度。所以选定合适平均功率，辅以切割速度及脉冲频率的匹配是获得较小重铸层厚度的先决条件。按表3正交试验得到的重铸层分析结果表明：以重铸层厚度作为衡量切口质量指标，在脉冲宽度和复合气流一定的条件下，以脉冲频率，切割速度及脉冲平均功率作为考查因素，可以得到最佳工艺组合。陶瓷厚度为3.5mm，相关参数为N=4.2W,v=0.5mm/s,f=30Hz，切割超音速气流为氩气，最小重铸层厚度约为30m。按表2中相关四个试样的正交试验条件，陶瓷厚度为1.0mm时，相关参数为N7.0W,v=1.0mm/s，f=10Hz，超音速气流为氩气，得到的最小重铸层厚度约为20m。最小重铸层厚度照片如图8所示。受结构条件限制，激光切割喷嘴与超音速喷嘴的角度最小为30度，高速气流对切口的冲刷和冷却作用受切割速度及板厚的影响，若降低角度或采用同轴高速气流将有助于提高切割质量和切割厚度，对重铸层的影响有待进一步研究。