當(dāng)前，磨料水射流技術(shù)已被用于切割陶瓷材料。然而，高壓水(>250 MPa)的使用，加上水射流中的磨料，需要特殊的壓力增強(qiáng)器和藍(lán)寶石噴嘴，這些都需要使用昂貴的材料。此外,磨料水射流切割陶瓷零件時(shí)，切縫寬度較大，表面粗糙度較差。較近，一些學(xué)者提出了控制噴嘴振蕩來(lái)提高切割質(zhì)量。然而，此方法所得到的改善效果甚微，切割質(zhì)量仍低于常規(guī)金剛石加工。
在過(guò)去的幾十年里，激光技術(shù)也成功地應(yīng)用于切割硬質(zhì)陶瓷材料。材料的切割主要通過(guò)以下4種不同的方式來(lái)完成：材料的汽化、材料的融化、劃線或熱斷裂。前兩個(gè)模式是能源密集型加工過(guò)程，需要激光的功率密度很過(guò)1010W/m2。此外，高溫加工過(guò)程可能導(dǎo)致材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響加工后產(chǎn)品的強(qiáng)度。
Lumley是提出激光切割陶瓷熱斷裂模式的早期研究者之一。他提出由于陶瓷材料吸收激光能量而產(chǎn)生的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致足夠高的熱應(yīng)力，進(jìn)而使材料發(fā)生斷裂。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃O(shè)計(jì)一種激光/水射流(LWJ)復(fù)合切割頭，該切割頭利用熱斷裂方式對(duì)陶瓷材料進(jìn)行切割。圖1所示是激光水射流復(fù)合加工的示意圖。圖中包括使用低功率激光器在工件表面上的小區(qū)域的精確加熱，材料表面溫度快速上升至1000℃左右。隨后，低壓水射流對(duì)該區(qū)域進(jìn)行快速淬火，導(dǎo)致材料表面的應(yīng)力狀態(tài)從壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)閺埩Α？焖倮鋮s而不是快速加熱將造成較大的熱沖擊，因?yàn)檎T導(dǎo)表面應(yīng)力是拉伸性質(zhì)在快速冷卻。由于這一點(diǎn)，在材料的頂部表面形成了微裂紋。由于熱應(yīng)力的存在，可以使得材料沿著激光加工產(chǎn)生的微裂紋沿著其厚度方向擴(kuò)展，進(jìn)而切開(kāi)現(xiàn)有材料。由于材料的切割是通過(guò)熱應(yīng)力沿工件長(zhǎng)度的裂紋擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此產(chǎn)生的切削表面沒(méi)有熱損傷和殘余應(yīng)力。另外,激光水射流混合工藝避免了材料的氣化，因此整個(gè)加工過(guò)程更節(jié)能和環(huán)保。
圖1 激光水射流熱斷裂工藝原理圖
綜上所述，激光水射流熱斷裂工藝的優(yōu)點(diǎn)有：(1)較大溫度明顯低于熔點(diǎn)；(2)切割表面沒(méi)有大的可見(jiàn)缺陷，這在電子工業(yè)中具有重要的意義；(3)該方法由于材料去除量較少，所以材料在切割過(guò)程中的損失較少。因此，激光水射流復(fù)合熱壓裂技術(shù)可以滿足氧化鋁成型過(guò)程中進(jìn)料率高、能量降低和環(huán)境改善的要求。
設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的復(fù)合式激光水射流切割頭，用于與現(xiàn)有的1.5 kW（較大功率）連續(xù)CO2激光器和X-Y數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行對(duì)接。切割頭有兩個(gè)功能：(1)允許激光束聚焦在工件上，并在激光加熱區(qū)域內(nèi)形成輔助氣體罩和直接水射流；(2)在激光水射流切割過(guò)程中水射流始終以固定距離跟隨在激光束后。
切割頭設(shè)計(jì)的步是估算淬火陶瓷材料受熱表面所需的水流量。在激光加工過(guò)程中，首先通過(guò)傳熱計(jì)算以確定將工件表面從加熱溫度冷卻到室溫所需的水射流的流速。實(shí)驗(yàn)所用的噴水孔距離激光出口距離在0.125mm至0.375mm之間。冷卻陶瓷工件表面所需的較大壓差僅為1.69MPa。雖然看來(lái)相對(duì)較低的壓力，但足以產(chǎn)生所需的水流量。為了達(dá)到這個(gè)目的，本文選擇了一種能產(chǎn)生0至21MPa壓力范圍的水泵。
切割頭的主要功能要求，是將激光束和水射流直接對(duì)準(zhǔn)工件表面。激光束和隨后的水射流都要接觸到相同的位置去引起工件表面熱應(yīng)力斷裂。因此，激光切割頭部設(shè)計(jì)應(yīng)確保水射流遵循與激光束相同的路徑，以允許加工直線和曲線輪廓。此外，系統(tǒng)的約束條件包括切割頭與現(xiàn)有激光器的兼容性，并且要求激光切割頭設(shè)計(jì)應(yīng)緊湊，與現(xiàn)有硬件兼容，確保激光束和水射流之間在激光頭中沒(méi)有相互作用。
設(shè)計(jì)完成后的照片如圖2所示。激光頭的底部是由黃銅制成，其照片表明激光和水通道顯示在圖2中內(nèi)部。如圖所示，旋轉(zhuǎn)殼體的圓周上加工有凹槽，以幫助激光切割頭通過(guò)皮帶和滑輪系統(tǒng)與CNC定位臺(tái)的第三軸線對(duì)接。數(shù)值的對(duì)切割頭旋轉(zhuǎn)的控制將促進(jìn)沿彎曲型材的材料分離。
針對(duì)設(shè)計(jì)并制造完成后的激光水射切割系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)切割實(shí)驗(yàn)研究。由于氧化鋁在微電子電路和專用結(jié)構(gòu)部件上如飛機(jī)、航天器和汽車的部件都有大量的應(yīng)用，此外，氧化鋁也是一種優(yōu)良的激光加工基片材料，因此本文選擇氧化鋁作為帶切割材料用于此項(xiàng)測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)選用厚度為1 mm的96%氧化鋁試樣進(jìn)行切削試驗(yàn)。首先，將尺寸為25mm×25mm的氧化鋁試樣進(jìn)行邊緣的研磨以便實(shí)驗(yàn)中的裝夾。然后，采用不同切割方法對(duì)氧化鋁試樣沿中線進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)采用激光空氣冷卻切割和激光水射切割兩種方式來(lái)進(jìn)行。首先進(jìn)行了激光空氣冷卻切割實(shí)驗(yàn)，以找出導(dǎo)致熱斷裂的合適的參數(shù)范圍。研究了功率、速度、光斑尺寸和氣壓等參數(shù)的影響。設(shè)定激光功率從100～200W，切割速度范圍為8～76mm/s，進(jìn)行了參數(shù)化研究。光斑直徑從其聚焦光斑的0.2mm～離焦光斑1mm。此外，還設(shè)定了兩個(gè)很限空氣壓力(60kPa和207 kPa(30psi))的影響。采用空氣環(huán)繞激光的目的，一個(gè)是保護(hù)激光不受融化材料反射到透鏡的影響，另一個(gè)原因是空氣可作為冷卻劑對(duì)切割材料起到快速冷卻的作用。
在激光水射切割實(shí)驗(yàn)中。采用激光功率為100～200W，切割速度為8～76mm/s的條件下，進(jìn)行了單點(diǎn)激光切割實(shí)驗(yàn)。水壓設(shè)定從414kPa到6.30MPa。
每一次切割試驗(yàn)后，對(duì)試樣表面進(jìn)行仔細(xì)檢查，然后將其分為3大類：劃線、材料分離和無(wú)控制斷裂，其中材料分離認(rèn)定為完整的切割完成。每一次切割完成后，均對(duì)其進(jìn)行表面測(cè)量，以評(píng)價(jià)切割質(zhì)量。
用線能量法展示了兩種切削方式的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，即加工參數(shù)(功率(P)/速度比(V)比）的組合。線能量明顯對(duì)3種不同的切削方式獲得的不同斷裂特征進(jìn)行了區(qū)分。作為代表性實(shí)例，在圖3中繪出了在不同功率和速度下用于空氣冷卻的樣品斷裂特征。所收集的數(shù)據(jù)是在激光光斑大小為0.4 mm條件下的激光空氣冷卻切割?？梢酝茢?，從激光切痕到切斷的過(guò)渡變化是以固定P/V值來(lái)區(qū)分開(kāi)的。因此，功率(P)與速度(V)之比可以認(rèn)為是單一的裂縫控制參數(shù)而不是兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。激光水射切割方式的激光切痕到切斷的過(guò)渡也有類似的激光與速度之比。
圖3 激光空氣冷卻斷裂方式的線能量法
光斑大小的影響:
隨著光斑尺寸的增大，從劃線到可控?cái)嗔训霓D(zhuǎn)變發(fā)生在較低的線能值上。參考文獻(xiàn)報(bào)告了具有較大光斑尺寸的散焦光束的受控裂紋的相似觀察結(jié)果。當(dāng)使用光斑尺寸為0.2 mm的聚焦光束時(shí)，工件更容易受到聚焦光束的損傷，導(dǎo)致工件不受控制的斷裂。
氣壓影響：
采用兩種不同的氣壓進(jìn)行風(fēng)冷。研究發(fā)現(xiàn)，氣壓從69kPa增加到207kPa時(shí)，對(duì)斷裂條件的影響較小。
(1）風(fēng)冷熱斷口對(duì)于如圖4(a)所示的空氣冷卻引起的熱斷裂，切割面的表面光滑，但近頂部約200μm處有較薄的下切區(qū)。上表面附近的溝槽是由激光加熱過(guò)程中的材料汽化引起的，可稱為下切區(qū)。由圖中可以觀察到在斷口處存在少量的微裂紋。由于切削層較厚且存在微裂紋，所以切割后的材料在近切割區(qū)域的試樣強(qiáng)度會(huì)有一定程度的下降。
(2)LWJ熱斷裂對(duì)于圖4(b)中所示的激光水射引起的熱斷裂，切割表面的切削層非常小，而且斷裂面并沒(méi)有切削毛刺等存在。此外，切削截面沒(méi)有重熔層和微裂紋。因此，切削過(guò)程不會(huì)影響試樣的強(qiáng)度。圖4(b)中的暗區(qū)是由于在水中發(fā)現(xiàn)的礦物質(zhì)污染切割表面造成的。對(duì)被污染和未受污染的地區(qū)進(jìn)行化學(xué)分析，以確定切割過(guò)程中使用的水質(zhì)的影響。污染區(qū)域顯示鉀、鈣、鈉、氯是在本次實(shí)驗(yàn)中在水射流中使用的自來(lái)水中發(fā)現(xiàn)的礦物的基本成分。使用純凈水可以緩解敏感應(yīng)用的污染問(wèn)題。
比較兩種切割方式的切口，圖5(a)和(b)分別給出了由于空氣冷卻和激光水射切割而使用熱斷裂模式切割的試樣表面的SEM圖像。在空氣冷卻的熱斷裂模式中，其切口在100～150μm，相對(duì)于激光水射切割的50～80μm明顯要大。在這兩種熱斷裂情況下，頂部表面的裂紋路徑都被熱影響區(qū)所包圍。對(duì)于空氣冷卻的熱斷裂，熱影響區(qū)域約為600μm，而對(duì)于激光水射熱斷裂，熱影響區(qū)域僅為100～200μm。
圖5 不同切割斷口
此外，參考其他文獻(xiàn)介紹到的磨料水射流切割情況，其切口寬度非常大(根據(jù)
設(shè)計(jì)了一種激光水射流切割頭，并將其與現(xiàn)有的數(shù)控激光加工系統(tǒng)集成在一起，用于加工陶瓷等硬脆材料?；谝陨系募す馑淞髑懈铑^的設(shè)計(jì)，課題組在氧化鋁上進(jìn)行了切割試驗(yàn)，驗(yàn)證了切割頭的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光/水射流加工利用了激光與水射流的協(xié)同效應(yīng)通過(guò)受控的熱斷裂進(jìn)行分離，需要比常規(guī)汽化模式低3至5倍的能量輸入。此外，激光水射流工藝的材料切割表面質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)的激光汽化方式和空冷熱斷裂方式，具有更小的切口和較高的表面精度。