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Al_2O_3陶瓷YAG激光切割重铸层的研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-06-20  来源:中国打标机网
核心提示:  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但是,陶瓷属硬、

  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(C2或NdYAG)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10~20KHz级D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4. 1.06/4)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。冲频率,选择适当平均功率是降低和消除重铸层的方法。本。复合超音速切割气流方法以英文缩试验如下进行。(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2.3试验方法舰石研猜呢漏cbookmark4国家自然科学基金资助项目2试验条件及方法2.1试验材料试验材料为热压Al23结构陶瓷,其中:电子工业用Al23结构陶瓷厚度为10mm,Al23―SiC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NdYAG激光加工机。

  脉宽为0.3~8ms;脉冲频率为1~试验辅助设备为专用超音速喷嘴。孔道入口气流压力069MPa,喉口直径16mm,出口直径23mm,设计马赫数M=201.―6301F场发射扫描电镜。

  表3所示。

  表1 Al23(S=1.0mm)切割工艺参数试样编号脉冲频率f/Hz切割速度平均功率N/w切割气流表2 1.0mm)切割工艺参数试样脉冲频率切割速度平均功率编号表3优化设计试验方案试样脉冲频率切割速度平均功率编号4试样处理方法其上裂纹形态。

  3试验结果及分析31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及所示:从及中可以看出: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所示。(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2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。

  切口形貌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20― 5(Fm,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。重铸型切口形貌形貌层厚度与切割速度及切割气流的关系如所示: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。

  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5Wm以上;平均功率及切割速度一定(v=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。

  5mm,相关参数为N= 30Hz切割超音速气流为氩气,最小重铸层厚度约为30/m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N= 10Hz超音速气流为氩气,得到的最小重铸层厚度约为2Wm.最小重铸层厚度照片如所示。

  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。

  4结论41重铸层中存在着贯穿其厚度方向的微裂纹,在重铸层和基体的交界裂纹分叉沿界面扩展,在分叉处形成疏松或空洞,从而降低重铸层和基体之间的结合强度。

  42复合超音速惰性气流是降低重铸层厚度的因素之一。

  43在本试验脉宽为0. 3im的条件下,平均功率是影响重铸层厚度的主要因素,切割速度及脉冲频率的影响递减。

  44采用脉冲YAG激光一次切割1度的Al23陶瓷或AhO8―SiC复合陶瓷,在脉宽尽可能小的条件下,脉冲频率、脉冲平均功率和切割速度合理匹配可获得的最小重铸层厚度为204和30m.

 
 
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