氧化鋯陶瓷板激光切割熔化物顆粒形態(tài)研究

吳　迪，王續(xù)躍

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

?

氧化鋯陶瓷板激光切割熔化物顆粒形態(tài)研究

吳迪，王續(xù)躍*

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

本文設(shè)計(jì)了一套加工裝置，對(duì)氧化鋯陶瓷板激光切割的熔化物顆粒進(jìn)行收集，并采用Imagine-Pro Pluse(IPP)圖像處理軟件對(duì)熔化物顆粒的形態(tài)(數(shù)量、形狀、平均直徑、標(biāo)準(zhǔn)差及其分布情況)進(jìn)行研究。通過(guò)氣熔比控制方法，對(duì)板厚分別為0.8 mm、1 mm、1.5 mm、3 mm的氧化鋯陶瓷板進(jìn)行激光切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同板厚參數(shù)下，球形熔化物顆粒所占百分比范圍從99.21%降到89.81%，圓餅形從0.79%升至7.44%，啞鈴形從0升至2.75%。隨著板厚的增加，圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比增大，球形顆粒所占百分比降低，球形顆粒平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)差隨之增大，切面粗糙度由2.287 μm增加到5.946 μm。建立了熔化物去除幾何模型，闡述了熔化物顆粒與切割質(zhì)量的關(guān)系，球形顆粒所占的百分比越大，平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)差越小，切割質(zhì)量越好，最終獲得質(zhì)量較高切割樣件。

激光切割；氧化鋯陶瓷；熔化物顆粒；圖像處理

1　引　言

氧化鋯陶瓷熔點(diǎn)高、硬度大、耐腐蝕、抗熱震性能良好、導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)低，在汽車、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。脈沖激光切割陶瓷材料主要去除形態(tài)為熔化和氣化，氣化部分直接逸出基體材料，而熔化部分在輔助吹氣的作用下脫離基體材料，未被吹出部分在切面上形成重鑄層，在切縫下端形成掛渣[2-4]?；跉馊郾瓤刂频募す饩芮懈罘椒ń沂玖饲懈钋把貧饣锖腿刍锏膬?nèi)在狀態(tài)，建立了氣熔比與切割質(zhì)量的內(nèi)在聯(lián)系[5-6]。Imagine-Pro Plus(IPP)是功能強(qiáng)大和完善的圖像分析軟件，具有圖像采集、處理、增強(qiáng)和分析等異常豐富的測(cè)量和定制功能。

激光切割過(guò)程中熔化物的去除和最終成型狀態(tài)對(duì)切割質(zhì)量有著重要的影響。目前關(guān)于激光切割過(guò)程中的熔化物去除機(jī)理及熔化物顆粒形態(tài)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究。Dabby[7]等人研究了激光切割過(guò)程中固體材料的氣化和爆炸去除現(xiàn)象，對(duì)此建模分析，并指出在高激光能量密度情況下材料能夠發(fā)生爆炸去除。Quintero[8]等人研究了脈沖激光熔化切割陶瓷材料的材料去除機(jī)理，運(yùn)用質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大定律建立切割數(shù)學(xué)模型，獲得材料去除率的數(shù)值解并對(duì)不同頻率和脈寬下的熔化層厚度進(jìn)行數(shù)值模擬。Lobo[9]等人研究了激光加工工藝參數(shù)對(duì)激光切割低碳鋼板過(guò)程中產(chǎn)生的熔化物顆粒的影響，并指出微米級(jí)的顆粒直徑直接關(guān)系到切割質(zhì)量，對(duì)切縫邊緣表面粗糙度，切縫寬度，熱影響區(qū)寬度有很大的影響。Schulz[10]等人研究了激光切割過(guò)程中條紋的形成以及熔化物的流動(dòng)，并指出切割前沿材料表面張力的作用可忽略，但在熔化材料切割前沿下端開(kāi)始脫離基體時(shí)，其影響開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。Cabanillas[11]等人觀測(cè)了激光加工過(guò)程中形成的熔化物顆粒，他們指出激光切割能夠獲得球形金屬顆粒，這些球形金屬顆?？蓱?yīng)用于粉末制備行業(yè)。Yilbas[12]等人采用模塊化參數(shù)分析的方法建模，預(yù)測(cè)了熔化層厚度和熔化物顆粒的大小。并采用SEM和XRD對(duì)熔化物顆粒的微觀形貌和物相進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)對(duì)于熔化物顆粒的研究較少，黃開(kāi)金[13]等人研究了不銹鋼管材的熔化物顆粒形貌，并指出了飛行距離不同導(dǎo)致了飛渣形貌由薄餅狀過(guò)渡到類似球狀顆粒。王彥飛[14-15]等人采用了IPP圖像處理軟件研究了激光切割鋁合金薄板熔化物顆粒形狀及特征尺寸分布，初步建立了熔化物去除模型，闡述了熔化物去除與切割質(zhì)量的緊密關(guān)系。

目前國(guó)內(nèi)外研究大多是激光切割工藝參數(shù)對(duì)熔化物顆粒的影響，很少有探究材料參數(shù)對(duì)熔化物顆粒以及切割質(zhì)量的影響。本文采用基于圖像處理的方法，對(duì)激光切割氧化鋯陶瓷板在不同板厚下的熔化物顆粒數(shù)量、形狀、球形顆粒平均直徑及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)熔化物去除機(jī)理進(jìn)行闡述。

2　氧化鋯陶瓷板激光切割試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)材料與參數(shù)

試驗(yàn)材料為部分穩(wěn)定氧化鋯(3Y-TZP)陶瓷板，厚度分別選取為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3 mm，試件尺寸為100 mm×100 mm。其主要化學(xué)成分和物理參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1　(3Y-TZP)氧化鋯陶瓷化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　(3Y-TZP)氧化鋯陶瓷熱物理參數(shù)

2.2試驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為JK701H型Nd∶YAG固體脈沖激光器，激光波長(zhǎng)1.064 μm，聚焦光斑直徑為0.2 mm。試驗(yàn)裝置如圖1所示，收集箱尺寸300 mm×180 mm×160 mm，用鋁箔紙將激光頭與收集箱密封，在收集箱兩側(cè)開(kāi)30 mm×30 mm的通氣口，并用目數(shù)為325(孔徑45 μm)鐵網(wǎng)覆蓋，氧化鋯陶瓷板試件懸空固定于收集箱中，激光頭在其上方做往復(fù)直線切割，為了避免熱量累積造成的熱影響區(qū)過(guò)大，每道切割間隔2 min，切割長(zhǎng)度共計(jì)2.250 mm。切割時(shí)所用的高壓輔助氣體為氬氣，采用同軸吹氣方式，材料氣化部分逸出裝置，大于45 μm的熔化物顆粒保留在收集裝置內(nèi)部。切割工藝參數(shù)如表3所示。

圖1　激光切割裝置示意圖 Fig.1　Setup photo of laser cutting

參數(shù)數(shù)值頻率/Hz30離焦量/mm0脈沖寬度/ms2輔助吹氣壓力/MPa0.8

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用FA2004電子分析天平測(cè)量收集到的去除熔化顆粒質(zhì)量Mp,掛渣質(zhì)量Ms以及試件加工前后的質(zhì)量M1,M2。其氣化質(zhì)量Mv和熔化質(zhì)量Mm都受到板厚的影響，這樣可測(cè)得氣熔比Rvmr為:

(1)

在激光功率、掃描速度、輔助吹氣壓力均保持不變的情況下，不同板厚獲得的不同氣熔比值，如表4所示。

表4　不同板厚及不同工藝參數(shù)下的氣熔比值

同時(shí)，采用NewView5022型表面輪廓儀測(cè)量切面粗糙度，測(cè)量位置為切面中間部位。

3　圖像處理步驟與評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1熔化物顆粒圖像處理步驟

圖2為超景深顯微鏡放大200倍下拍攝的不同板厚的熔化物照片，圖2(a)～2(d)分別為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3 mm板厚下的熔化物顆粒照片?？梢?jiàn)熔化物顆粒主要為球形、圓餅形，當(dāng)板厚增加到1.5 mm時(shí)，出現(xiàn)啞鈴形顆粒。球形顆粒和圓餅形顆粒直徑分布于十幾微米到上百微米,其中球形顆粒與切割質(zhì)量有著密切的關(guān)系，故本文采用IPP軟件對(duì)熔化物顆粒進(jìn)行處理，以獲得不同板厚下球形、圓餅形、及啞鈴形顆粒的個(gè)數(shù)，以及球形顆粒平均直徑、標(biāo)準(zhǔn)差及分布情況。

圖2　不同板厚下的顯微圖像 Fig.2　Microscopic images at different thickness

以板厚為1.5 mm的熔化物顆粒顯微照片為例演示IPP圖像處理的過(guò)程。首先，為了更清晰地辨識(shí)顆粒邊緣，對(duì)圖像進(jìn)行反差增強(qiáng)處理，并添加與顯微圖像上100 μm標(biāo)尺同樣長(zhǎng)度的標(biāo)尺，這樣標(biāo)尺校正以后可將圖片像素單位轉(zhuǎn)換成實(shí)際長(zhǎng)度單位，供軟件識(shí)別以及后續(xù)測(cè)量獲得實(shí)際幾何尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖3(a)所示。采用魔法棒與人工干預(yù)的方法對(duì)每個(gè)球形顆粒進(jìn)行選擇，使之成為一個(gè)感興趣區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，如圖3(b)所示。顆粒標(biāo)識(shí)時(shí)為了保證其準(zhǔn)確性設(shè)定如下準(zhǔn)則：(1)顯微圖像邊緣不完整的球形顆粒不予標(biāo)識(shí)；團(tuán)聚顆粒不予標(biāo)識(shí)；(2)相互重疊的顆粒，為了軟件將標(biāo)識(shí)線的重疊識(shí)別為一個(gè)顆粒，可將標(biāo)識(shí)線移到空白區(qū)域。軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)識(shí)區(qū)域，并進(jìn)行計(jì)數(shù)和測(cè)量。圖3(c)為軟件處理后的計(jì)算結(jié)果，可得到：球形、圓餅形及啞鈴形顆粒的個(gè)數(shù)，球形顆粒的平均直徑、周長(zhǎng)、面積等參數(shù)。

圖3　熔化物球形顆粒顯微圖像處理過(guò)程 Fig.3　Processing of spherical melt particles microscopic image

3.2熔化物顆粒評(píng)價(jià)結(jié)果

樣本的選取對(duì)圖像處理的結(jié)果有直接的影響，為保證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣本數(shù)量需足夠多，并使每個(gè)樣本數(shù)量保持同一數(shù)量級(jí)。為此，在超景深顯微鏡下對(duì)板厚為3 mm的熔化物顆粒進(jìn)行兩次拍照。依照上述步驟，利用IPP軟件對(duì)不同板厚下的熔化物顆粒圖像進(jìn)行處理。板厚為0.8 mm時(shí)，樣本顆粒數(shù)為383個(gè)；板厚為1.0 mm時(shí)，樣本顆粒數(shù)為396個(gè)；板厚為1.5 mm時(shí)，樣本顆粒數(shù)為359個(gè)；板厚為1.5 mm時(shí)，兩幅照片的顆粒分別為167和196，共計(jì)363個(gè)。不同板厚下的樣本顆?；咎幱谕凰健１?為相同能量密度輸入、不同板厚下各形狀顆粒數(shù)量。

表5　不同板厚下不同形狀顆粒個(gè)數(shù)

圖4　球形顆粒分布直方圖 Fig.4　Distribution of spherical melt particles

板厚為1.5 mm的有效測(cè)量顆粒個(gè)數(shù)為359個(gè)，其中球形熔化物顆粒341個(gè)，圓餅形顆粒16個(gè)，啞鈴形顆粒2個(gè)。球形顆粒平均直徑為108.95 μm，其中最大顆粒直徑為230.65 μm，最小顆粒直徑為14.64 μm，顆粒直徑的標(biāo)準(zhǔn)差為38.68 μm。圖4為1.5板厚下球形顆粒直徑分布直方圖?？梢?jiàn)，球形顆粒直徑主要分布在50～194 μm之間，直徑在122～158 μm之間分布數(shù)量最多，達(dá)到了107個(gè)。不同板厚參數(shù)下，數(shù)量足夠多且處于同一水平的樣本，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映總體的平均狀態(tài)和波動(dòng)情況。

圖5為不同板厚對(duì)各形顆粒所占百分比的影響，可見(jiàn)隨著板厚的增加，球形顆粒所占百分比降低，圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比隨之增加。如在板厚為0.8 mm時(shí)，球形顆粒所占百分比為99.21%，圓餅形顆粒為0.79%。而當(dāng)板厚增加到3 mm時(shí)，球形顆粒所占百分比降低到89.81%,圓餅形顆粒增加到7.44%，啞鈴形顆粒增加到2.75%。

圖5　板厚對(duì)各形狀熔化物顆粒所占百分比的影響 Fig.5　Effect of thickness on percentage of different melt particles

圖6　板厚對(duì)球形顆粒平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)差的影響 Fig.6　Effect of thickness on average diameter of particles and standard

4　圖像處理結(jié)果分析與討論

4.1熔化物顆粒形成機(jī)理

圖7　熔化物去除幾何模型 Fig.7　Geometric model of removal melt

如圖7所示，氧化鋯陶瓷材料在激光的作用下，迅速發(fā)生氣化和熔化，有少量材料剝離去除，氣化部分逸出基體，熔化材料在切縫表面形成一層厚度不均的熔化層，在輔助吹氣和氣化反沖壓力的作用下，克服熔化物間的粘性摩擦力，沿著平行于切割前沿的方向向下流動(dòng)[16]。本實(shí)驗(yàn)采用同軸吹氣方式，故輔助吹氣和熔化材料是同向平行流動(dòng)的，兩者速度并不相同。由Kelvin-Helmholtz(K-H)不穩(wěn)定性理論可知，輔助吹氣和熔化物流動(dòng)是不穩(wěn)定的，其氣液界面會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)，這些小的擾動(dòng)會(huì)線性和弱非線性的增長(zhǎng)，波動(dòng)增大到一定程度以后，在表面波和表面張力的作用下，波動(dòng)液體會(huì)從液面上脫離并形成熔滴，去除熔化物發(fā)生第一次破碎[15]。熔滴的直徑dD為：

(2)

式中，δL為熔化物破碎前的熔化物直徑，μL為熔化物表面張力，ρL為熔化物濃度。

從熔化層脫離的熔滴速度仍低于輔助吹氣，部分體積較大的熔滴會(huì)發(fā)生二次破碎，一方面是由于輔助吹氣對(duì)其施加的正壓力和摩擦力導(dǎo)致其變形直至破碎，另一方面熔滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自身也具有一定的角動(dòng)量，當(dāng)角速度大到一定程度時(shí)，在離心力的作用下熔滴將會(huì)破碎，這兩者共同作用下造成了部分體積較大的熔滴的二次破碎。當(dāng)奧內(nèi)佐格數(shù)Z2<1時(shí)，二次破碎停止，熔滴趨于穩(wěn)定狀態(tài)[11]。 二次破碎后的熔滴直徑ds為：

(3)

圖8為超景深顯微鏡下觀測(cè)到的啞鈴型顆粒，此種形態(tài)為二次破碎的中間狀態(tài)，經(jīng)快速冷卻被保留下來(lái)。板厚3 mm時(shí)，啞鈴型顆粒占全部顆粒2.75%，證明了激光切割氧化鋯陶瓷板過(guò)程中熔化物的去除存在二次破碎現(xiàn)象。二次破碎發(fā)生后，在表面張力作用下形成尺寸較小的子熔滴，經(jīng)過(guò)一系列這樣的過(guò)程，大熔滴破碎成很多的小熔滴。

圖8　啞鈴形顆粒 Fig.8　Dumbbell-shaped particles

4.2板厚對(duì)熔化物顆粒形狀及球形顆粒尺寸的影響

熔化物顆粒形狀主要取決于熔滴尺寸大小，飛行距離、冷凝時(shí)間等因素。對(duì)于飛行距離相同的熔滴，小尺寸熔滴飛行中完全凝固，易于形成球形顆粒，大尺寸熔滴需冷卻時(shí)間長(zhǎng)，在熔滴撞擊收集箱內(nèi)壁時(shí)仍保持較高溫度，易于沿徑向均勻攤開(kāi)，形成圓餅狀顆粒[13]。由表4可知，隨著板厚的增加，氣熔比隨之減小，材料氣化比例減小，熔化比例增大，熔化材料量增大，易于形成大尺寸熔滴，故圓餅形顆粒所占百分比隨著板厚的增加而增大。且大尺寸熔滴更易于發(fā)生二次破碎，故而作為二次破碎中間狀態(tài)的啞鈴型顆粒所占百分比亦隨著板厚的增加而增大。

板厚對(duì)球形熔化物顆粒平均直徑的影響主要是由于隨著板厚的增加，一方面氣熔比減小材料熔化量增大，d隨之增大；另一方面由于激光能量在板厚方向上衰減，溫度亦呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，表面張力μm隨之增大，故而隨著板厚的增加熔化物顆粒直徑dD隨之增大。板厚對(duì)球形熔化物顆粒直徑標(biāo)準(zhǔn)差的影響原因如下：從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著板厚的增加，熔化物的去除過(guò)程中更易于發(fā)生二次破碎，形成許多更小尺寸顆粒，球形顆粒直徑尺寸分布離散程度增大，最終導(dǎo)致隨著板厚的增加，熔化物顆粒直徑的標(biāo)準(zhǔn)差隨之增大。

4.3熔化物顆粒對(duì)切割質(zhì)量的影響

由圖9可知，隨著球形熔化物顆粒平均直徑的增加，切面粗糙度增大。當(dāng)板厚為0.8 mm，即球形顆粒所占百分比為99.21%，平均直徑為46.52 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為9.09 μm時(shí)，切面粗糙度為2.287 μm；當(dāng)板厚增加到3 mm，即球形顆粒所占百分比降低到89.81%,平均直徑增加到123.14 μm，標(biāo)準(zhǔn)差增加到56.9 μm時(shí)，切面粗糙度為5.946 μm。由試驗(yàn)結(jié)果可知，熔化物顆粒中圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比越小，球形顆粒所占的百分比越大，直徑平均值和標(biāo)準(zhǔn)差越小，切面粗糙度越小，切割質(zhì)量越好。球形顆粒平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)差即顆粒直徑的平均大小和分布的離散程度，反映了熔化物去除過(guò)程的波動(dòng)情況，球形顆粒平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)差越小，切割過(guò)程中熔化物去除過(guò)程波動(dòng)越小，切割質(zhì)量越好。圖10為試驗(yàn)在板厚為0.8 mm時(shí)獲得的較高質(zhì)量樣件，切面較光滑，切面粗糙度為2.287 μm，切縫底部無(wú)掛渣。

圖9　球形熔化物顆粒平均直徑對(duì)切面粗糙度的影響 Fig.9　Effect of mean spherical melt particles diameter on roughness of kerf surface

圖10　高質(zhì)量切割樣件 Fig.10　High quality cutting sheet

5　結(jié)　論

針對(duì)氧化鋯陶瓷激光切割熔化物顆粒，基于IPP圖像處理技術(shù)探究了板厚對(duì)熔化物顆粒形狀及球形顆粒直徑平均值、標(biāo)準(zhǔn)差的影響。建立了熔化物去除模型，加深了對(duì)激光切割過(guò)程中熔化物去除機(jī)理的認(rèn)識(shí)，本文主要得到以下結(jié)論：

(1)熔化物顆粒主要為球形，并有少量圓餅形和啞鈴型顆粒。隨著板厚的增加，球形顆粒所占百分比降低，圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比隨之增加。在板厚為0.8 mm時(shí)，球形顆粒所占百分比為99.21%，圓餅形顆粒為0.79%。而當(dāng)板厚增加到3 mm時(shí)，球形顆粒所占百分比降低到89.81%,圓餅形顆粒增加到7.44%，啞鈴形顆粒增加到2.75%。

(2)隨著板厚增加，球形顆粒平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)差均隨之增大。由0.8 mm增加到3 mm，球形顆粒平均直徑由46.52 μm增加到123.14 μm；標(biāo)準(zhǔn)差由9.09 μm增加到56.9 μm；切面粗糙度由2.287 μm增加到5.946 μm。球形顆粒所占的百分比越大，平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)差越小，切面粗糙度越小，切割質(zhì)量越好。

(3)根據(jù)開(kāi)爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定理論建立熔化物去除幾何模型，指出了激光切割過(guò)程中，熔化物去除存在一次破碎和二次破碎兩個(gè)過(guò)程，對(duì)切割質(zhì)量有直接的影響，最終獲得較高質(zhì)量的切割樣件。同時(shí)，本論文的研究方法和結(jié)論對(duì)其他脆性材料的激光切割質(zhì)量研究提供了一定的理論依據(jù)。

[1]SAMANT A N,DAHOTRE N B. Laser machining of structural ceramics-a review[J].J.EuropeanCeramicSociety,2009,29(6):969-993.

[2]WEE L M,CROUSE P L,LI L. A statistical analysis of striation formation during laser cutting of ceramics[J].Int.J.Adv.Manuf.Technol.,2008,36:699-706.

[3]徐斌，伍曉宇，羅烽，等.0Cr18Ni9不銹鋼箔的飛秒激光燒蝕[J].光學(xué) 精密工程,2012,20(1):45-51.

XU B,WU X Y,LUO F,etal.. Ablation of 0Cr18Ni9 stainless steel films by femtosecond laser[J].Opt.PrecisionEng.,2012,20(1):45-51.(in Chinese)

[4]徐斌，伍曉宇，凌世全，等.飛秒激光切割與微細(xì)電阻滑焊組合制備三維金屬微結(jié)構(gòu)[J].光學(xué) 精密工程,2012,20(8):1811-1823.

XU B,WU X Y,LING SH Q,etal.. Fabrication of 3D metal micro-structure based on fs laser cutting and micro electric resistance slip welding[J].Opt.PrecisionEng.,2012,20(8):1811-1823.(in Chinese)

[5]孟慶軒,王續(xù)躍,徐文驥,等.薄板激光切割氣熔比數(shù)學(xué)建模及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011,47(17):172-178.

MENG Q X,WANG X Y,XU W J,etal.. Vaporization-melt ratio mathematical model and experiments of laser cutting sheet metal[J].J.MechanicalEngineering,2011，47(17):172-178.(in Chinese)

[6]王續(xù)躍,孟慶軒,康仁科,等.氣熔比法鋁合金薄板激光切割試驗(yàn)研究[J].中國(guó)激光，2010,37(10)：2648-2652.

WANG X Y,MENG Q X,KANG R K,etal.. Experiments of laser cutting of aluminum alloy sheet based on vaporization-melt ratio controlled method[J].ChineseJ.Lasers,2010,37(10):2648-2652.(in Chinese)

[7]DABBY F W. High-intensity laser induced vaporizationand explosion of solid material[J].QuantumElectron,1972,8(2):106-111.

[8]QUINTERO F,VARAS F,POU J,etal.. Theoretical analysis of material removal mechanisms in pulsed laser fusion cutting of ceramics[J].J.PhysicsD：AppliedPhysics，2005，38(4)：655-666.

[9]LOBO L,WILLIAM K,TYRER J R. The effect of laser processing parameters on the particulate generated during the cutting of thin mild steel sheet[J].J.Mech.Engng.Sci.,2002,216(3):301-313.

[10]SCHULZ W. Dynamics of ripple formation and melt flow in laser beam cutting[J].J.PhysicsD：AppliedPhysics,1999,32:1219-1228.

[11]CABANILLASE E D,CREUS M F,MERCADER R C. Microscopic spheroidal particles obtained by laser cutting[J].J.Mater.Sci.,2005,40(2):519-522.

[12]YILBAS B S,ABDUL ALEEM B J. Dross formation during laser cutting process[J].J.PhysicsD：AppliedPhysics,2006,39(7):1451-1461.

[13]黃開(kāi)金，謝長(zhǎng)生，邵可然.激光切割1Crl8Ni9Ti不銹鋼管材掛渣和飛渣的研究[J].應(yīng)用激光,2001,21(3):301-313.

HUANG K J,XIE C S,SHAO K R. Investigation on the hanging dross and the flight slag of 1Crl8Ni9Ti stainless steel pipe laser cutting[J].AppliedLaser,2001,21(3):159-163.(in Chinese)

[14]王彥飛，王續(xù)躍，徐文驥,等.基于去除熔化物形態(tài)分析的鋁合金薄板激光切割試驗(yàn)研究[J].中國(guó)激光,2012,39(8)：0803007.

WANG Y F,WANG X Y,XU W J,etal.. Experimental study on laser cutting based on removal forms for aluminum alloy sheet[J].ChineseJ.Lasers,2012,39(8)：0803007.(in Chinese)

[15]王彥飛，王續(xù)躍，徐文驥,等.基于圖像處理的鋁合金薄板激光切割質(zhì)量研究[J].中國(guó)激光,2014,41(1)：0103002.

WAND Y F,WANG X Y,XU W J,etal.. Study on laser cutting quality of aluminum alloy sheet based on imagine processing[J].ChineseJ.Lasers,2014,41(1)：0103002.(in Chinese)

[16]RIVEIRO A,UINTERO F,LUSQUINOS F,etal.. Study of melt flow dynamics and influence on quality for CO2laser fusion cutting[J].J.PhysicsD:AppliedPhysics,2011,44(13):135501.

Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic

WU Di, WANG Xu-yue*

(College of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)*Correspondingauthor,E-mail:wbzzd@dlut.edu.cn

A set of processing device is designed to collect the melt particles during laser cutting zirconia ceramic. The melt particles morphology including quantity, shape, mean dimeter, standard deviation, and distribution are studied using the image processing software of Imagine-Pro Pluse(IPP). Various cutting experiments with different ceramic thicknesses(0.8 mm, 1.0 mm, 1.5 mm and 3 mm) are taken based on controlling of vapor-to-melt ratio. Results of IPP observation show that, with the ceramic thickness increased, the percentage of spherical molten particles is declined from 99.21% to 89.81%, while the cakey and dumbbell shaped molten particles are ascended from 0.79% to 7.44% and 0 to 2.75% respectively, and the mean and standard deviation of spherical melt particles diameter also are enlarged. Simultaneously, with the increasing of mean and standard deviation of spherical particle diameter, the roughness of kerf surface is deteriorated from 2.287 μm to 5.946 μm. The establishment of geometric model reveals the connection between the form of removal molten particles and cutting quality. The larger the percentage of spherical molten particles, the smaller the mean diameter and standard deviation, and then the better the cutting quality. The high quality cutting sheet is achieved finally.

laser cutting;zirconia ceramic;molten particles;image processing

2016-04-19；

2016-05-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.50975041，No.51375073,No.51321004)

2095-1531(2016)05-0554-09

TN249

Adoi:10.3788/CO.20160905.0554

吳迪(1990—)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事激光切割方面的研究。E-mail：wudisuper@126.com

王續(xù)躍(1960—)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事特種加工和精密加工方面的研究。E-mail：wbzzd@dlut.edu.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.50975041，No.51375073,No.51321004)