超聲輔助浸液式厚不銹鋼電火花線切割工藝研究

周鵬輝，張凱雪，方文卿，曹 盛，楊超普，萬 俊

（ 南昌大學國家硅基LED 工程技術研究中心，江西南昌 330046 ）

奧氏體不銹鋼316 L 具有良好的抗腐性及延展性，已成為制造半導體高真空設備及超純管道的主要金屬材料[1]。 往復走絲電火花線切割工藝可切割316L 不銹鋼，該工藝不僅具有成本低、對工件外形無要求等特點，還具有切割面無毛刺、能減少殘余氣體吸附的優(yōu)點。 然而，當不銹鋼厚度超過300 mm時，采用該工藝進行切割的難度很大（圖1）。 因此，有人針對具有復雜形腔結構的反應管加工，不得不采用了抗蝕性差的真空釬焊工藝并由此導致一條原本具有較佳性能的半導體生產線在擴大規(guī)模時失去其競爭力[2]。

本單位購置了一臺最大切割厚度可達1 m 的某品牌HF-1000 型電火花線切割加工機床并使用該機床豎直加工冷卻水道（圖1），在加工前專門為機床X、Y 軸加裝光柵尺，以保證經前道工序進行精密電火花小孔加工的工件不報廢，但在切割過程發(fā)現，隨著切割厚度的增加，短路愈發(fā)頻繁，盡管對脈寬與脈間、跟蹤靈敏度、變頻、電流、切割液和鉬絲直徑等常規(guī)切割參數進行了反復調整，但切割效果均未取得有效改進，最明顯的問題特征是機床無法及時發(fā)現短路，需回退很遠（大于1000 μm）才能退出短路狀態(tài)。

圖1 冷卻水道工件浸入切割液并輔加超聲去屑的示意圖

圖1 顯示了GaN 外延設備中的多層氣體輸運噴頭實物。 噴頭直徑約300 mm，進氨孔2 和進鎵孔3 的直徑均為0.6 mm，均已采用電火花小孔加工機床加工。 該工件整體采用電火花加工技術鏤制而成，未采用真空釬焊，故可從進氯孔4 實現氯氣在線清洗。 生產規(guī)模擴大，需更大直徑的噴頭，但大直徑噴頭售價昂貴，比如噴頭直徑達到400 mm 時，一個真空釬焊噴頭售價曾達百萬元。 為此，團隊希望圖1 所示噴頭的直徑擴大到500 mm， 并根據圖1右側設計圖示意的將模擬工件浸入切割液，輔加超聲清洗工藝，以加強冷卻和排屑的效果并減少短路次數，使厚不銹鋼的切割加工能順利進行下去（只要求精度為±0.1 mm）。

研究時，先從機床本身入手。 目前的單向走絲浸液式電火花線切割機床，其最大切割厚度不超過400 mm，但機床價格是往復走絲電火花線切割機床的約50 倍， 并且單向走絲工藝可能并不適合作圓周切割[3]。 此外，目前相關文獻中也尚無關于鉬絲長度與切割能效關系的實測數據。 為此，本文利用電火花小孔加工機床放電位置確定的特點，用數字示波器研究了鉬絲長度與切割能效的關系，得到的數據能部分反映大厚度不銹鋼切割的實質，對相關設備的設計具有一定的參考意義。

1 試驗設計

1.1 存在的問題

往復走絲電火花線切割機床是我國特有的，因此參考文獻主要取自國內。 由于南京航空航天大學多年致力于超厚材料的電火花線切割研究，并且與本單位所采用的機床品牌一致，本文以該校發(fā)表的相關論文以及機床制造商提供的技術文件為主要參考資料。 根據上述資料再結合實際操作，本文認為的相關技術難點有：

（1）切割液的充盈問題。 隨著切割厚度的增加，即便提高“走絲”速度，也無法保證切割液在極間充盈[4]，會造成鉬絲無法及時得到冷卻，從而降低其壽命，也會影響排屑，導致蝕除產物逐漸積累，進而致使短路頻繁出現甚至斷絲。 針對此問題，本文擬通過“浸液式+超聲清洗”的方法來解決。

（2）大厚度不銹鋼切割策略問題。 316L 不銹鋼的組分是：鉻17.6%、鎳11.1%、鉬2.16%、錳1.21%和硅0.56%。 而冷作模具鋼Cr12 的主要成分是：鉻12%、碳2.1%、硅≤0.4%、錳≤0.40%。由于電火花線切割模具鋼要比電火花線切割316L 不銹鋼更容易，本文認為相關策略問題可能出在Ni 組分上。 文獻[5]分析了316L 電火花加工斷面的成分，與之不同的是，本試驗使用的是水基切割液，故推測切割面上含有難以剝落的鎳、鉻、鐵氧化物，而這些氧化物不導電， 若繼續(xù)沿用切割模具鋼時的短路判據，可能會導致機床判別不靈敏，從而出現前文提及的需回退很遠才能真正退出短路狀態(tài)的現象。 針對此問題，本文擬通過輔加超聲清洗作部分解決。

（3）切割能量的輸運損耗問題。 極間排屑不暢、鉬絲抖動（文獻[4]實測抖動范圍大于0.01 mm）、切割液的劣化、局部缺少切割液等均有可能導致極間提前擊穿，即高頻電壓遠未升到120 V 時的空載最高電壓，就提前擊穿，顯然這會使能量無法有效輸運到切割面。 另外，鉬的電阻率是53.4 nΩ·m，當12個功放管全開時，最大切割電流為 43.7 A，而高頻空載電壓是120 V，即最大瞬時功率為5.2 kW。 假設鉬絲的平均長度1.0 m、直徑0.18 mm，則鉬絲的電阻為R=1.3 Ω， 故鉬絲本身功率消耗為1.4 kW，即浪費了30%的能量。 在實際的切割過程中，由于鉬絲溫升，其本身能耗會更大。 針對此問題，本文擬通過實測來進一步驗證其嚴重性。

1.2 “浸液式+超聲清洗”的思考

1.2.1 考慮超聲清洗參數

本單位采購了由深圳某公司生產的、利于清洗五金件的中頻震子（28 kHz、100 W）共計6 個以及相應電源。 根據圖1，超聲組件11 采用絕緣墊9、塑料螺絲及703 硅膠安裝在圍壩8 側面，其整套價格不到1000 元，方便制成模組并重復使用。 應注意的是，模組與震子的電極之一是電導通的，故模組應與圍壩進行絕緣安裝，否則有可能損壞相關設備。

文獻[6]和文獻[7]均提到在工件上或鉬絲上直接輔助超聲振動來增強排屑。 但是若從減少鉬絲振幅、避免短路、增強排屑來考慮，本文的試驗方法更接近于常規(guī)的超聲清洗，并且試驗證明超聲振動不會導致鉬絲的振幅過大而引發(fā)短路。

1.2.2 考慮圍壩及裝夾

圍壩是由采用激光切割的普通鋼板焊接而成，工件與圍壩之間采用臨時焊接作鋼性固定。 激光切割的精度高，為圍壩的制作及輔加超聲清洗帶來方便；圍壩的底部留有小孔，用于穿絲；切割前，在圍壩上預留了上下、左右的對準點；配合使用光柵尺，穿絲及對準均更加方便。

文獻[8]也提到如何通過往復式電火花線切割機床實現工件浸液式切割。 從該方式的本質來看，也是在線切割平臺上加一圍壩，但該方式在水平方向有一段鉬絲浸入切割液，該段鉬絲因和高頻電源相連，會與工作臺之間形成最高約為120 V 的電壓差， 從而在切割液中產生了電解或電泳的現象，導致切割能量的浪費。 另外，當裝載過多切割液時，機床的負擔過重，可能會降低機床的定位精度。

1.3 未參與切割的鉬絲的能量損耗實測

以實驗實測未參與切割部分鉬絲的能量損耗，將一段鉬絲接入電火花小孔加工機床，用雙蹤示波器同時記錄該機床工作時的鉬絲首尾兩端的波形變化，以觀察鉬絲溫升帶來的影響。 這也直觀證明，為讓更多能量饋入放電區(qū)，應盡可能地縮短未參與切割部分的鉬絲長度。

2 試驗數據及處理

2.1 浸液及超聲對線切割的影響

對于厚不銹鋼的切割，為方便排屑，本文根據試驗用機床的說明書，選取加工參數為脈寬80 μs、脈間400 μs，并針對圖1 所示厚度600 mm 的工件，選用 JR1A 切割液（1∶20 配比）為工作液；考慮機床自動切割參數（跟蹤、變頻及短路判據）可能不適合切割厚度600 mm的不銹鋼以及本團隊很可能沒找到最佳切割窗口，采用最原始的方法即在光柵尺的配合下，通過機床側面的手輪（4 mm/轉）來手動移動切割平臺。 試驗數據見表 1 及圖 2。 其中，圖 2 所示X 軸代表平臺的移動速度。 每次試驗的時長為20 min，針對每個參數至少試驗3 次，取其平均值。

表1 不同機床移動速度條件下的試驗數據

圖2 浸液式與浸液式輔加超聲清洗的切割效果對比

需要說明的是，試驗中發(fā)生短路、斷絲現象時，即取該現象發(fā)生當時的切割面積作為結果，并且以60 μm/min 的機床移動速度進行常規(guī)切割時，短路、斷絲現象頻繁發(fā)生，致使切割難以進行，故當時的切割面積記錄為0； 完整行程切割面積是沒有發(fā)生短路、斷絲時的理論切割面積。 圖2 所示數據是實際值與理論值的比值，用以反映切割效果。

2.2 鉬絲能量損耗實驗

如圖3 所示，將一段鉬絲接入電火花小孔加工機床（型號BMD703-400），采用雙蹤數字示波器（型號MSO/DPO4000B）同時測量該機床工作時鉬絲首尾端波形。 鉬絲長度分別為265 mm、660 mm；鉬絲直徑為0.18 mm。 就鉬絲首、尾兩端而言，首端是接入點，尾端是接出點，需確保兩端之間的電連接不引入接觸電阻；尾端連接外徑0.6 mm 的穿孔銅管，即尾端更接近放電區(qū)。 試驗模擬時選擇了比正常小孔加工更小的峰值電流及更寬的脈間。

圖3 未參與切割鉬絲的能量損耗實測波形圖

需說明的是，試驗所用電火花線切割機床的放電電流控制方式是采用電腦控制MOS 管的打開數量。 4 路輸出分別控制 1、2、4、8 個 MOS 管，即最大電流以“1+2+4+8”計算，共計15 個MOS 管全打開。該軟件控制電流的方式可能和電火花小孔加工機的硬件恒流方式不一樣。

3 分析與討論

根據圖2， 用常規(guī)工藝切割厚度600 mm 的316L 不銹鋼非常困難，頻繁出現短路和斷絲，即使在較低的速度下也無法正常切割20 min；當采用浸液式切割時，切割面積提升明顯，但隨著速度增大，相對切割量迅速降低，在60 μm/min 的速度時相對切割量僅為0.17， 且切割量的下降趨勢與使用常規(guī)工藝時相近；當進一步加入超聲輔助時，切割變得更加穩(wěn)定，在較高速度下也能保證正常切割10 min以上（即相對切割量在0.50 及以上）。

常規(guī)電火花線切割時，被電火花放電產生的高溫融化的蝕除產物會被工作液沖走，但當工件厚度增加時，這會變得越來越困難；浸液式切割時，工作液在極間充盈，故放電均勻，蝕除產物易擴散并離開極間，同時能確保鉬絲得到充分冷卻。 但當切割速度增大后，蝕除產物還是會越來越多地粘附于工件表面，導致短路，進而影響切割。 盡管如此，浸液式切割還是能在一定程度上降低短路、斷絲的發(fā)生頻率； 超聲輔助利用了超聲波在液體中的空化作用，使附著于切割面的蝕除產物更易脫落，同時還起到一定的分散及乳化作用，能幫助排屑。 因此，在加入超聲輔助后，切割變得更加穩(wěn)定。

由圖3 所示鉬絲尾端5 個波形圖可見， 由于5種情形下的尾端波形高度（4 V）基本一致，故推測電火花小孔加工機床會自動恒定放電峰值電流，即通過升高供電電壓來實現恒流放電；鉬絲首端的波形與尾端的波形高度差就代表接入鉬絲的能量損耗。 例如，當接入長度660 mm 的鉬絲時，放電10 s后，鉬絲發(fā)熱導致電阻上升，此時首端電壓是28 V，故發(fā)熱鉬絲損耗的能量是有效放電能量（4 V）的6倍；即便是冷態(tài)下的鉬絲（24 V），其損耗的能量也是有效放電能量的5 倍。

從微觀來講，在電火花線切割過程中，每個電脈沖都會尋找最易起輝放電的位置來放電。 因此，在厚材料切割時，放電位置隨機，即不參與放電的鉬絲的最大長度是上、下兩進電塊之間鉬絲長度的一半。 由此據圖3 推測，厚不銹鋼中間部位最難切割， 故應對相應的切割策略及短路判據進行調整。另外，圖3 所示波形圖也從基本上反映了電火花線切割超厚材料時所遇難題的本質。 但是，要真正實現本文所需的高效、 自動切割厚度500 mm 不銹鋼的目的，預計還需完善以下工作：

（1）若切割厚度500 mm 不銹鋼且切割效率達到50 mm2/min，則對應平均進給速率達1.6 μm/s。本試驗所用的HF-1000 型機床， 是一臺大型機床，并且采用步進電機進行開環(huán)控制，因此切割厚不銹鋼時排屑困難、導電性差，更難以切割厚不銹鋼的中間區(qū)域（圖3），故在加工中對機床的位置控制以及進給精度有更高的要求，在今后的試驗中最好更換伺服電機及光柵尺，以實現閉環(huán)控制。

（2）由于本試驗對工件切割精度要求不高（只需±0.1 mm），在引入圍壩后，對裝夾的精度要求也不高， 但超厚度切割時對運絲的穩(wěn)定性要求高，否則絲的竄動或抖動可能導致短路，致使切割無法正常進行。 試驗時發(fā)現，上、下兩個導輪在張緊裝置作用力方向的振動幅度較小，但在垂直于導輪面的方向， 需對往復換向前后的鉬絲跳動量作光學監(jiān)測。而非噴淋的浸液式切割方式，可為光學在線監(jiān)測鉬絲跳動提供可能。 在電火花小孔加工機床上，對于0.3 mm 的紅寶石穿孔模已有標準件，價格也不是很貴，如果能在現有導輪的基礎上再加上這樣一對穿孔模（或V 形槽），并選用0.3 mm 直徑鉬絲，將送絲速度由6～12 m/s 放慢到1 m/s， 同時將工件浸入切割液，則可望提高厚不銹鋼的切割速度。

（3）根據圖1 及圖3，為了盡可能縮短不參與切割的鉬絲長度，或可將上下進電塊移出，盡可能接近工件，但仍保留上下導輪；此時鎢進電塊的磨損會導致鉬絲位置漂移，故應設X、Y 雙向鉬絲漂移量的在線監(jiān)測，并設法自動補償到切割程序中。 這種漂移監(jiān)測可采用CCD 圖像處理的成熟技術；由于采用浸液式切割，冷卻問題不是主要，可將走絲速度降到1 m/s，這還能提高鉬絲的穩(wěn)定性。

（4）對316L 不銹鋼，可能要將高頻空載電壓由現在的120 V 提升到150 V 以上，然后再將脈寬變窄，保證切割的平均電流盡可能大。 用單個大功率開關管來實現恒流放電可能更利于厚不銹鋼切割，這方面或可關注GaN 或SiC 高頻大功率開關器件的最新進展。

4 結束語

本文采用激光切割制作圍壩實現浸液式切割厚不銹鋼， 在同等條件下能提高切割效率30%；當進一步加上超聲清洗， 效率能再提高30%以上；未參與切割的鉬絲， 其電阻能耗會成倍影響切割效率，這可能是超厚材料難以切割的本質。 往復走絲電火花線切割技術在切割厚不銹鋼時有不可替代的優(yōu)勢，應設法使其發(fā)揚光大，或可助推我國第三代半導體產業(yè)走出一條更好的發(fā)展道路。