基于氣熔比的氧化鋯陶瓷薄板激光切割質(zhì)量研究

吳 迪 王續(xù)躍

大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連，116024

基于氣熔比的氧化鋯陶瓷薄板激光切割質(zhì)量研究

吳 迪 王續(xù)躍

大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連，116024

采用一種基于氣熔比控制的激光精密切割方法，研究了氣熔比和板厚對(duì)激光切割氧化鋯陶瓷板質(zhì)量的影響，即氣熔比對(duì)切縫質(zhì)量、切面條紋形貌及粗糙度的影響。對(duì)氣熔比分別為0.099、0.160、0.184和0.202的4組試件進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)提高氣熔比可明顯改善切縫質(zhì)量，增大切面條紋光滑區(qū)長(zhǎng)度和條紋波長(zhǎng)，切面粗糙度由6.969 μm降低到2.482 μm。同時(shí)對(duì)板厚分別為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3.0 mm的4組試件進(jìn)行觀測(cè)，隨著板厚的增加，氣熔比減小，切縫質(zhì)量降低，切面粗糙度由5.946 μm降低到2.287 μm。板厚為0.8 mm、1.0 mm時(shí)，切面為較光滑的周期性條紋；板厚為1.5 mm時(shí),切面呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域,即光滑區(qū)和粗糙區(qū)；當(dāng)板厚增加到3.0 mm時(shí)，切面呈現(xiàn)三個(gè)區(qū)域，即光滑區(qū)、粗糙區(qū)和鱗狀層疊區(qū)。綜合研究氣熔比和板厚可以加深對(duì)激光切割機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為提高氧化鋯陶瓷板的激光切割質(zhì)量提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

激光切割；氧化鋯陶瓷；氣熔比；切割質(zhì)量

0 引言

氧化鋯具有熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、耐磨損、斷裂韌性高、抗熱振性能良好以及導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦因數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，其在汽車、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1]。以氧化鋯陶瓷板為基體的NOx傳感器被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣中氮氧化物含量的檢測(cè)，氧化鋯陶瓷板的切割質(zhì)量對(duì)其檢測(cè)精度有重要的影響[2]。但是，上述材料的性能也使得氧化鋯陶瓷材料的精密加工難度大大增加。激光切割是一種高效率、高精度、高柔性的精密與特種加工技術(shù)，加工材料范圍廣，尤其在陶瓷材料的加工中有著廣泛的應(yīng)用[3-6]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氧化鋯陶瓷激光切割進(jìn)行了相關(guān)研究,WEE等[7]采用CO2激光器切割陶瓷材料，探究了輻照度、作用時(shí)間、輔助吹氣壓力等工藝參數(shù)對(duì)切面條紋成形規(guī)律的影響。崔園園[8]對(duì)激光加工氧化鋯陶瓷坯體的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)激光加工中出現(xiàn)的氧化鋯相變現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。田國中[9]采用熱裂切割法對(duì)氧化鋯陶瓷進(jìn)行了系列單因素試驗(yàn)，分析了激光功率、激光掃描速度、激光光斑直徑對(duì)陶瓷斷口粗糙度和變色區(qū)寬度的影響規(guī)律，得到了針對(duì)不同光斑直徑的最佳切割參數(shù)曲線，同時(shí)指出熱裂切割法存在軌跡偏移現(xiàn)象，對(duì)加工精度有一定的影響。李國發(fā)等[10]針對(duì)PSZ陶瓷材料傳統(tǒng)加工難的問題，進(jìn)行了激光加熱輔助切削加工的研究，驗(yàn)證了激光加熱輔助PSZ陶瓷切削加工的可行性。激光功率在210 W左右，切削區(qū)域溫度在900～1150 ℃時(shí)，輔助切削達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

現(xiàn)有加工方法在具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的薄板、薄壁精密零件加工中很難同時(shí)保證加工質(zhì)量和效率，文獻(xiàn)[11-13]建立了氣熔比激光切割數(shù)學(xué)模型，研究了激光功率、切割速度對(duì)氣熔比的影響,并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。目前有關(guān)激光切割質(zhì)量的研究大部分是關(guān)于切割工藝參數(shù)對(duì)質(zhì)量的影響[13-15]，關(guān)于材料板厚對(duì)切割質(zhì)量影響的研究較少。本文采用基于氣熔比控制的氧化鋯陶瓷激光切割方法，對(duì)氣熔比、板厚與切割質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了深入的探究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為部分穩(wěn)定氧化鋯(3Y-TZP)陶瓷薄板，分別選取厚度為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3.0 mm的薄板，薄板試件尺寸為100 mm×100 mm。其主要化學(xué)成分和物理參數(shù)分別見表1、表2。

表1 (3Y-TZP)氧化鋯陶瓷化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Composition of (3Y-TZP)zirconia ceramic(mass fraction) %

表2 (3Y-TZP)氧化鋯陶瓷熱物理參數(shù)Tab.2 Heat physical parameters of (3Y-TZP)zirconia ceramic

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備為JK701H型Nd：YAG固體脈沖激光器，激光波長(zhǎng)為1.064 μm，聚焦光斑直徑為0.2 mm。試驗(yàn)裝置如圖1所示，收集箱尺寸為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30 mm×30 mm的通氣口，并用目數(shù)為325(孔徑為45 μm)的鐵網(wǎng)覆蓋，氧化鋯陶瓷薄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)過大，每次切割間隔2 min，切割長(zhǎng)度共計(jì)2250 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，粒徑大于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)見表3。

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

激光功率(W)50,75,100切割速度(mm/s)1,2,3厚度(mm)0.8,1.0,1.5,3.0頻率(Hz)30離焦量(mm)0脈沖寬度(ms)2輔助吹氣壓力(MPa)0.8

試驗(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都受到激光加工工藝參數(shù)(激光功率、切割速度等)的影響，這樣可測(cè)得氣熔比Rvmr為

(1)

由式(1)計(jì)算可得，板厚1.5 mm、切割速度2 mm/s保持不變，激光功率分別為50 W、75 W、100 W時(shí)，氣熔比分別為0.099、0.160、0.184。板厚1.5 mm、激光功率75 W保持不變，切割速度分別為1 mm/s、3 mm/s時(shí)，氣熔比分別為0.202、0.106。激光功率75 W、切割速度2 mm/s均保持不變，板厚分別為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3.0 mm時(shí)，氣熔比分別為0.209、0.192、0.160、0.086。

同時(shí)，在顯微鏡下對(duì)切縫質(zhì)量和切面條紋形貌進(jìn)行觀測(cè)。采用美國ZYGO公司生產(chǎn)的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。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 板厚對(duì)氣熔比的影響

如圖2所示，激光功率為75 W，掃描速度為2 mm/s，輔助吹氣壓力為0.8 MPa，板厚為0.8 mm的氧化鋯陶瓷薄板的氣熔比為0.209;隨著薄板試件厚度的增加，氣熔比隨之減小，當(dāng)薄板厚度增加到3 mm時(shí)，氣熔比減小到0.086。這是因?yàn)榧す馀c材料相互作用時(shí)，存在反射、吸收、散射和傳導(dǎo)等過程，且氧化鋯陶瓷具有較低的熱傳導(dǎo)率，不利于激光能量在材料內(nèi)部的傳導(dǎo)。在同樣的激光功率和切割速度情況下，陶瓷薄板厚度的增加對(duì)激光能量的傳導(dǎo)有較大影響，使得材料下表面獲得的能量減少，氣熔比隨著板厚的增加而減小。

圖2 板厚對(duì)氣熔比的影響Fig.2 Effect of thickness on vapor-melt ratio

2.2 氣熔比對(duì)切縫質(zhì)量的影響

試驗(yàn)采用超景深三維顯微鏡觀測(cè)了切縫上表面及切面條紋形貌，圖3所示為不同氣熔比值下放大500倍的切縫上表面三維形貌，觀測(cè)深度距離切縫上表面約200 μm。圖3a中切縫寬度不均勻，切縫內(nèi)堵塞著大量未被吹除熔化物，切縫錐度較大，總體表現(xiàn)為切縫質(zhì)量較差；圖3b中切縫寬度不均勻，切縫內(nèi)仍有部分未被吹出熔化物，切縫錐度較大，總體仍表現(xiàn)為切縫質(zhì)量較差；圖3c中切縫質(zhì)量最好，切縫內(nèi)無熔化物堵塞，錐度很小，且切縫寬度一致性好。由圖3可知，隨著氣熔比的增大，切縫質(zhì)量得到提高。

(a)氣熔比為0.099 (b)氣熔比為0.160

(c)氣熔比為0.184 (d)氣熔比為0.202圖3 不同氣熔比下切縫上表面質(zhì)量Fig.3 Upper surface cutting quality at different vapor-melt ratios

試驗(yàn)對(duì)切縫上下表面寬度進(jìn)行10次測(cè)量并取平均值，發(fā)現(xiàn)隨著氣熔比的增加，切縫上下表面寬度均隨之增加，如圖4所示。氣熔比為0.099時(shí)，切縫上表面寬度為225.46 μm，下表面寬度為107.89 μm；而當(dāng)氣熔比增大到0.202時(shí)，切縫上下表面寬度均隨之增大，上表面寬度為274.75 μm，下表面寬度為208.72 μm。這是因?yàn)殡S著氣熔比的增加，激光能量輸入增大，更多的材料以氣化和熔化的形式去除，所以切縫上下表面寬度均隨之增大。

圖4 氣熔比對(duì)縫寬度的影響Fig.4 Effect of vapor-melt ratio on kerf width

2.3 氣熔比對(duì)切面粗糙度和條紋形貌的影響

激光切割材料時(shí)，在輔助吹氣作用下，大部分熔化材料脫離基體，仍有未被及時(shí)吹除的部分重新凝固成為重鑄層，重鑄層在切面呈現(xiàn)為典型的周期性條紋，在切縫底部形成掛渣，這兩者均對(duì)切面質(zhì)量有較大影響，但氧化鋯陶瓷掛渣非常易于清理且很難進(jìn)行定量化研究，故本文著重研究氣熔比對(duì)切面條紋規(guī)律的影響。

圖5為切面形貌示意圖，上端光滑區(qū)條紋波長(zhǎng)為λ,光滑區(qū)長(zhǎng)度為d，在光滑區(qū)域內(nèi)，條紋比較規(guī)律，無明顯重疊現(xiàn)象；在粗糙區(qū)域內(nèi)，條紋比較混亂，大量條紋融合重疊。存在兩個(gè)明顯不同的區(qū)域是因?yàn)榍忻嫔隙说臏囟群痛禋鈮毫笥谇忻嫦露说臏囟群痛禋鈮毫?，且氣熔比較大，大量材料以氣化形式去除，這就使得切縫上端的熔化物質(zhì)少且流動(dòng)速度快，故切面上端條紋較規(guī)律、較光滑，質(zhì)量明顯優(yōu)于切面下端。

圖5 切面條紋形貌示意圖Fig.5 Diagrammatic zoom of surface striation

試驗(yàn)在超景深顯微鏡下對(duì)切面形貌進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)光滑區(qū)長(zhǎng)度d和光滑區(qū)條紋波長(zhǎng)λ進(jìn)行測(cè)量。圖6a～圖6c給出了不同氣熔比下放大100倍的切縫表面形貌，可以看到，隨著氣熔比的增大，光滑區(qū)長(zhǎng)度d、光滑區(qū)條紋波長(zhǎng)λ均隨之增大。當(dāng)氣熔比為0.099時(shí)，切縫表面附著大量未吹除熔化物，條紋互相融合重疊，切面較粗糙，條紋未呈現(xiàn)出規(guī)律性。當(dāng)氣熔比為0.160時(shí)，切面質(zhì)量得到改善，光滑區(qū)域長(zhǎng)度為239.57 μm，條紋波長(zhǎng)為33.38 μm；當(dāng)氣熔比增大到0.202時(shí)，切縫表面質(zhì)量最好，光滑區(qū)域長(zhǎng)度達(dá)379.85 μm，條紋波長(zhǎng)為51.86 μm。圖6d為不同氣熔比下切面粗糙度變化圖，氣熔比對(duì)切面粗糙度的影響很大，可見隨著氣熔比的增大，切面粗糙度隨之減小。當(dāng)氣熔比為0.099時(shí)，切面粗糙度最大，為6.969 μm；當(dāng)氣熔比為0.202時(shí)，可得到最小切面粗糙度為2.482 μm。

(a)氣熔比為0.099 (b)氣熔比為0.160

(c)氣熔比為0.202 (d)粗糙度變化圖6 不同氣熔比下的切面條紋形貌和粗糙度變化Fig.6 Surface striation at different vapor-melt ratio and roughness variation diagram

這是因?yàn)殡S著氣熔比增大，氣化比例增大，熔化比例減小，大量的材料以氣化的形式脫離基體。同時(shí)，氣熔比的增大導(dǎo)致切割前沿溫度升高，減小了切面上熔化物的黏性摩擦力[13]，在一定的輔助吹氣壓力下，更易于沿著板厚方向流動(dòng)，脫離基體，這兩者均會(huì)使切面上的熔化物總量減少。因此，隨著氣熔比的增大，光滑區(qū)寬度d隨之增大，切面粗糙度隨之減小。條紋波長(zhǎng)λ隨著氣熔比的增大而增大的現(xiàn)象可由熱量的傳導(dǎo)來解釋。激光能量密度增大而導(dǎo)致的氣熔比增大，將會(huì)使得圍繞激光束的材料去除量增大，熔化區(qū)域也隨之變寬，這就導(dǎo)致條紋波長(zhǎng)和切縫寬度一樣，都隨之增大[5]。

2.4 板厚對(duì)切縫質(zhì)量的影響

圖7a～圖7d所示分別為板厚為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3.0 mm的氧化鋯陶瓷薄板切縫上表面形貌，可見厚度0.8 mm、1.0 mm的試件邊緣較平齊，切縫質(zhì)量較好。當(dāng)板厚增加到1.5 mm時(shí)，切縫邊緣呈現(xiàn)鋸齒形，切縫內(nèi)部周期性出現(xiàn)難以吹除的熔化物。當(dāng)板厚增加到3 mm時(shí)，切縫邊緣呈較大波浪形,切縫內(nèi)部也出現(xiàn)較大波動(dòng)，切縫質(zhì)量較差。

(a)板厚為0.8 mm (b)板厚為1.0 mm

(c)板厚為1.5 mm (d)板厚為3.0 mm圖7 不同板厚的切縫上表面質(zhì)量Fig.7 Upper surface cutting quality at different thickness

這是因?yàn)榧す馀c材料相互作用下，材料迅速發(fā)生熔化和氣化,熔化物流動(dòng)是不穩(wěn)定的。這種不穩(wěn)定性流動(dòng)一是由外部因素的周期性變化造成的，如激光輸出功率的周期性波動(dòng)等；二是與氣流相互作用產(chǎn)生的，輔助氣體壓力梯度引起熔化物流動(dòng)的周期性波動(dòng)。隨著板厚的增加，熔池內(nèi)熔化物總量也隨之增加，這更容易導(dǎo)致激光切割過程中熔化物質(zhì)的不穩(wěn)定性，造成較大的波動(dòng)。

2.5 板厚對(duì)切面粗糙度和條紋形貌的影響

圖8a、圖8b所示分別為放大100倍下板厚為1.0 mm、1.5 mm的板切面條紋形貌，圖8c為放大50倍下板厚為3.0 mm的板切面條紋形貌。可以看出，隨著板厚的增加，切面條紋亦呈現(xiàn)出不同的形貌。當(dāng)板厚為1.0 mm時(shí)，切面均呈現(xiàn)較規(guī)律的周期性條紋，沒有明顯的融合重疊和熔化堵塞物，切面較光滑。當(dāng)板厚為1.5 mm時(shí)，切面可以劃分為兩個(gè)區(qū)域，切面上端的第Ⅰ區(qū)域內(nèi)溫度高，輔助吹氣壓力大，材料去除以氣化為主導(dǎo)，切面形貌為質(zhì)量較好的周期性條紋。第Ⅱ區(qū)域內(nèi)由于熱量及吹氣壓力在板厚方向上傳遞的損失，材料去除以熔化為主導(dǎo)，切面條紋出現(xiàn)一定角度的彎曲，并有較明顯的條紋融合重疊，切面較粗糙。當(dāng)板厚繼續(xù)增加到3.0 mm時(shí)，切面出現(xiàn)了第Ⅲ區(qū)域，其形貌為鱗片狀的熔化物層疊。這是因?yàn)榇罅咳刍镔|(zhì)堆積在第Ⅲ區(qū)域，溫度低，吹氣壓力小，熔化物質(zhì)黏性摩擦力大，故而使得其形貌呈現(xiàn)為層疊的鱗片狀。

圖8d為不同板厚下的切面粗糙度變化圖，當(dāng)板厚為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3.0 mm時(shí)，其切面粗糙度分別為2.287 μm、3.718 μm、4.015 μm、5.946 μm?？梢?，在其他參數(shù)均保持不變的情況下，隨著板厚的增加，切面粗糙度隨之增加。因?yàn)殡S著板厚的增加，氣熔比隨之減小，且板厚越大，熔化物越不易于脫離基體，使大量的熔化物堆積在切面，這就使得切面粗糙度隨著板厚的增加而增大。

(a)板厚為1.0 mm (b)板厚為1.5 mm

(c)板厚為3.0 mm (d)切面粗糙度變化圖8 不同板厚下的切面條紋形貌和粗糙度變化Fig.8 Surface striation at different thickness and roughness variation diagram

圖9所示為板厚為0.8 mm、氣熔比為0.209時(shí)所獲得的較高切縫質(zhì)量，圖9a為放大100倍的切縫表面形貌，圖9b為放大20倍的樣件上表面形貌?？梢?，切縫上表面寬度為285.33 μm，下表面寬度為217.43 μm，切縫寬度一致性好，切縫內(nèi)無熔化物堵塞。切面呈現(xiàn)較光滑的規(guī)律性條紋，粗糙度為2.287 μm，切面下端無掛渣。為氧化鋯陶瓷板的激光加工提供了一定的理論依據(jù)。圖10為氣熔比為0.209時(shí)的樣件宏觀照片。

(a)切縫表面形貌 (b)樣件上表面照片圖9 較高質(zhì)量切割樣件Fig.9 High quality cutting plate

圖10 樣件宏觀照片F(xiàn)ig.10 Macroscopic picture of cutting plate

3 結(jié)論

(1)本文研究了氣熔比及板厚對(duì)氧化鋯陶瓷激光切割質(zhì)量的影響，得到了氣熔比對(duì)切縫質(zhì)量及切面條紋形貌的影響規(guī)律。氣熔比由0.099增大到0.202時(shí)，切縫寬度逐漸增大，切面條紋光滑區(qū)寬度和條紋波長(zhǎng)也均隨之增大，切面粗糙度由6.969 μm減小到2.482 μm。且當(dāng)氣熔比為0.202時(shí)，獲得加工質(zhì)量最高的切縫。

(2)氣熔比隨著板厚的增加而減小，切面粗糙度隨著板厚的增加而增大，由2.287 μm增大到5.946 μm。板厚為較小的0.8 mm、1.0 mm時(shí)，切縫寬度較均勻，質(zhì)量較好，切面呈現(xiàn)光滑的周期性條紋。當(dāng)板厚為1.5 mm時(shí),切縫呈現(xiàn)類鋸齒形，切面呈現(xiàn)為光滑區(qū)和粗糙區(qū)。當(dāng)板厚為3.0 mm時(shí)，切縫呈現(xiàn)類波浪形，切面呈現(xiàn)光滑區(qū)、粗糙區(qū)和鱗狀層疊區(qū)。

(2)板厚為0.8 mm、氣熔比為0.209時(shí)，試驗(yàn)獲得最佳的切縫質(zhì)量，切縫上下表面寬度分別為285.33 μm、217.43 μm，切縫寬度均勻，切縫內(nèi)無熔化物堵塞。切面呈現(xiàn)較光滑的規(guī)律性條紋，粗糙度為2.287 μm，切面下端無掛渣。

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(編輯 陳 勇)

Study on Laser Cutting Quality of Zirconia Ceramic Based on Vapor-melt Ratio

WU Di WANG Xuyue

College of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning,116024

A laser precision cutting method was used based on vapor-melt ratios controlled, the in-fluences of vapor-melt ratio and thickness on the cutting quality were studied systematically, that is the effects on kerf quality, kerf surface striation formation and roughness. Through observing on samples of different vapor-melt ratios(0.099, 0.160, 0.184, 0.202), which shows that high vapor-melt ratio may improve the kerf quality, enlarge the length of smooth zone of kerf surface and the striation wavelength, decrease the kerf surface roughness. Meanwhile the observations on samples of different thicknesses (0.8 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, 3.0 mm) show that with the increasing of thicknesses, the vapor-melt ratio reduced, the kerf quality and roughness also decrease, the surface striation also presents different morphologies. When the thicknesses are as 0.8 mm and 1.0 mm respectively, the surface presents smoothly periodic striation; When the thickness is as 1.5 mm, the surface presents two zones, which are smooth zone and rough zone; When the thickness as 3.0 mm, the surface presents three zones, which are smooth zone, rough zone and scaled stack zone. The researches of vapor-melt ratios and thicknesses may lead a deeper comprehension on the mechanism of laser cutting, provide theoretical and experimental basis for improving the laser cutting quality of zirconia ceramic.

laser cutting; zirconia ceramic ; vapor-melt ratio; cutting quality

2016-03-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975041，51375073,51321004)

TN249

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.05.011

吳 迪，男，1990年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)榧す馇懈睢Ｍ趵m(xù)躍(通信作者)，男，1960年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。E-mail:wbzzd@dlut.edu.cn。