當前，磨料水(shui)(shui)射流(liu)(liu)技術(shu)已(yi)被(bei)用于切(qie)(qie)割(ge)陶瓷(ci)材(cai)料。然而，高壓(ya)水(shui)(shui)(>250 MPa)的使(shi)用，加上水(shui)(shui)射流(liu)(liu)中的磨料，需要(yao)特殊的壓(ya)力增(zeng)強(qiang)器和藍寶石噴嘴，這些都需要(yao)使(shi)用昂貴的材(cai)料。此(ci)外,磨料水(shui)(shui)射流(liu)(liu)切(qie)(qie)割(ge)陶瓷(ci)零(ling)件時，切(qie)(qie)縫寬度(du)較(jiao)大(da)，表面粗糙度(du)較(jiao)差。較(jiao)近，一(yi)些學(xue)者提出了(le)控制噴嘴振蕩(dang)來提高切(qie)(qie)割(ge)質量。然而，此(ci)方法所得到的改善效果甚微，切(qie)(qie)割(ge)質量仍低于常(chang)規(gui)金剛(gang)石加工。
在過去的幾十年里，激光技術也成功地應用于切割硬質陶瓷材料。材料的切割主要通過以下4種不同的方式來完成：材料的汽化、材料的融化、劃線或熱斷裂。前兩個模式是能源密集型加工過程，需要激光的功率密度很過1010W/m2。此外，高溫(wen)加(jia)工(gong)過程可(ke)能導致(zhi)材料產生殘余(yu)應力(li)，從而影響加(jia)工(gong)后產品的強度。
Lumley是提(ti)出(chu)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)切(qie)(qie)割(ge)陶(tao)(tao)瓷(ci)熱斷(duan)裂(lie)模式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)早期研究者之一。他提(ti)出(chu)由(you)于陶(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)吸(xi)收激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)能量(liang)而產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)梯度(du)會導(dao)致足(zu)夠高的(de)(de)(de)(de)熱應力(li)，進(jin)而使材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)發(fa)生(sheng)(sheng)斷(duan)裂(lie)。本文設計的(de)(de)(de)(de)實驗(yan)目的(de)(de)(de)(de)是設計一種激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)/水射流(liu)(LWJ)復合(he)(he)切(qie)(qie)割(ge)頭(tou)，該(gai)切(qie)(qie)割(ge)頭(tou)利用(yong)熱斷(duan)裂(lie)方式(shi)(shi)對陶(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)進(jin)行切(qie)(qie)割(ge)。圖(tu)(tu)1所示是激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)水射流(liu)復合(he)(he)加(jia)工的(de)(de)(de)(de)示意圖(tu)(tu)。圖(tu)(tu)中包括使用(yong)低功率激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器在(zai)(zai)工件表(biao)(biao)面(mian)上的(de)(de)(de)(de)小區域的(de)(de)(de)(de)精(jing)確加(jia)熱，材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)(biao)面(mian)溫(wen)度(du)快(kuai)(kuai)速(su)上升至1000℃左右(you)。隨后，低壓(ya)水射流(liu)對該(gai)區域進(jin)行快(kuai)(kuai)速(su)淬火，導(dao)致材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)應力(li)狀態從壓(ya)縮(suo)轉(zhuan)變為(wei)張(zhang)力(li)。快(kuai)(kuai)速(su)冷卻而不是快(kuai)(kuai)速(su)加(jia)熱將造(zao)成較大的(de)(de)(de)(de)熱沖擊，因為(wei)誘(you)導(dao)表(biao)(biao)面(mian)應力(li)是拉伸性(xing)質在(zai)(zai)快(kuai)(kuai)速(su)冷卻。由(you)于這一點，在(zai)(zai)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)頂部(bu)表(biao)(biao)面(mian)形(xing)成了微裂(lie)紋。由(you)于熱應力(li)的(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)，可以使得材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)沿著激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)加(jia)工產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)微裂(lie)紋沿著其厚(hou)度(du)方向擴展，進(jin)而切(qie)(qie)開(kai)現(xian)有(you)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。由(you)于材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)割(ge)是通(tong)過熱應力(li)沿工件長度(du)的(de)(de)(de)(de)裂(lie)紋擴展來實現(xian)，由(you)此(ci)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)削表(biao)(biao)面(mian)沒有(you)熱損傷和(he)殘余應力(li)。另外,激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)水射流(liu)混合(he)(he)工藝避免了材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)氣化，因此(ci)整個加(jia)工過程(cheng)更(geng)節(jie)能和(he)環保。
圖1 激光水射流熱斷裂工(gong)藝(yi)原理圖
綜上所(suo)述，激光(guang)水射流熱(re)斷(duan)裂工(gong)藝的(de)(de)(de)優點(dian)有(you)(you)：(1)較(jiao)大溫(wen)度明(ming)顯低(di)于(yu)熔點(dian)；(2)切割表(biao)面沒有(you)(you)大的(de)(de)(de)可(ke)見缺陷，這(zhe)在電子工(gong)業中具有(you)(you)重要的(de)(de)(de)意義；(3)該方法由于(yu)材料去除量較(jiao)少，所(suo)以(yi)材料在切割過程(cheng)中的(de)(de)(de)損失較(jiao)少。因此，激光(guang)水射流復合熱(re)壓(ya)裂技術可(ke)以(yi)滿(man)足氧化(hua)鋁成型(xing)過程(cheng)中進料率高(gao)、能量降低(di)和環境改善(shan)的(de)(de)(de)要求。
設計了一個獨特的復合式激光水射流切割頭，用于與現有的1.5 kW（較大功率）連續CO2激(ji)光(guang)器和X-Y數控工(gong)作臺進行對接(jie)。切割(ge)頭有兩個功能：(1)允許激(ji)光(guang)束聚焦(jiao)在(zai)(zai)工(gong)件上，并在(zai)(zai)激(ji)光(guang)加熱(re)區域(yu)內形成(cheng)輔助(zhu)氣體罩和直接(jie)水射(she)流；(2)在(zai)(zai)激(ji)光(guang)水射(she)流切割(ge)過程中水射(she)流始終以(yi)固定距離跟隨在(zai)(zai)激(ji)光(guang)束后。
切割頭(tou)設計(ji)(ji)的(de)(de)(de)步是估算淬火陶(tao)瓷材料(liao)受熱(re)表面(mian)所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)水流(liu)(liu)量。在(zai)激(ji)光(guang)加工(gong)過程中，首先通過傳熱(re)計(ji)(ji)算以(yi)確定將(jiang)工(gong)件表面(mian)從加熱(re)溫度冷(leng)卻到(dao)室溫所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)水射流(liu)(liu)的(de)(de)(de)流(liu)(liu)速(su)。實驗所(suo)用(yong)的(de)(de)(de)噴水孔距(ju)離激(ji)光(guang)出口(kou)距(ju)離在(zai)0.125mm至(zhi)0.375mm之(zhi)間。冷(leng)卻陶(tao)瓷工(gong)件表面(mian)所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)較大壓(ya)差(cha)僅為1.69MPa。雖然(ran)看來相對較低(di)的(de)(de)(de)壓(ya)力，但足以(yi)產生(sheng)所(suo)需(xu)的(de)(de)(de)水流(liu)(liu)量。為了達到(dao)這個(ge)目的(de)(de)(de)，本文選擇了一種能產生(sheng)0至(zhi)21MPa壓(ya)力范圍(wei)的(de)(de)(de)水泵。
切(qie)(qie)割頭(tou)(tou)的主(zhu)要功能(neng)要求，是將激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束和(he)水(shui)射流直接(jie)(jie)對準(zhun)工(gong)件表面。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束和(he)隨后(hou)的水(shui)射流都要接(jie)(jie)觸到相同的位(wei)置去引(yin)起工(gong)件表面熱應力斷(duan)裂。因此(ci)，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割頭(tou)(tou)部設計(ji)應確保水(shui)射流遵循與激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束相同的路(lu)徑(jing)，以允許加工(gong)直線和(he)曲線輪廓。此(ci)外，系(xi)統的約束條件包括切(qie)(qie)割頭(tou)(tou)與現有(you)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)器的兼(jian)(jian)容性，并且要求激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)(qie)割頭(tou)(tou)設計(ji)應緊湊，與現有(you)硬(ying)件兼(jian)(jian)容，確保激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束和(he)水(shui)射流之間在(zai)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)頭(tou)(tou)中沒有(you)相互作用(yong)。
設計完(wan)成(cheng)后(hou)的照片如圖2所(suo)示。激(ji)(ji)光頭(tou)的底部是由黃銅制成(cheng)，其照片表明激(ji)(ji)光和水通道顯示在圖2中(zhong)內部。如圖所(suo)示，旋(xuan)轉殼體的圓(yuan)周上加工有凹槽，以幫助激(ji)(ji)光切割頭(tou)通過皮帶和滑輪系統與CNC定位(wei)臺的第三軸線對接。數值的對切割頭(tou)旋(xuan)轉的控制將促進沿彎曲型材的材料分(fen)離。
針對設計并制造完成后的激(ji)光(guang)水射切(qie)(qie)割系(xi)統，進行了相(xiang)關切(qie)(qie)割實(shi)驗研究(jiu)。由于氧化鋁在微電子電路(lu)和(he)專用(yong)(yong)(yong)結構部件(jian)上如飛機、航天(tian)器和(he)汽車的部件(jian)都有大(da)量(liang)的應用(yong)(yong)(yong)，此(ci)外，氧化鋁也是一種優良的激(ji)光(guang)加工基片材料，因(yin)此(ci)本文(wen)選擇氧化鋁作為帶切(qie)(qie)割材料用(yong)(yong)(yong)于此(ci)項(xiang)測試。
實(shi)驗選用(yong)厚度(du)為1 mm的96%氧化鋁(lv)(lv)試樣(yang)(yang)進行(xing)切削(xue)試驗。首先，將尺寸為25mm×25mm的氧化鋁(lv)(lv)試樣(yang)(yang)進行(xing)邊緣的研磨以(yi)便實(shi)驗中的裝(zhuang)夾。然后(hou)，采用(yong)不(bu)同切割方法對(dui)氧化鋁(lv)(lv)試樣(yang)(yang)沿(yan)中線進行(xing)切割實(shi)驗。
實驗(yan)采(cai)(cai)用(yong)激光(guang)空氣(qi)(qi)冷(leng)卻切(qie)(qie)割(ge)和(he)激光(guang)水射切(qie)(qie)割(ge)兩種方式來進(jin)行(xing)。首先進(jin)行(xing)了(le)激光(guang)空氣(qi)(qi)冷(leng)卻切(qie)(qie)割(ge)實驗(yan)，以(yi)找出導致(zhi)熱斷裂(lie)的(de)合適的(de)參數范圍(wei)。研究(jiu)了(le)功(gong)率、速(su)(su)度、光(guang)斑(ban)尺寸和(he)氣(qi)(qi)壓(ya)等參數的(de)影(ying)響(xiang)。設定激光(guang)功(gong)率從(cong)(cong)100～200W，切(qie)(qie)割(ge)速(su)(su)度范圍(wei)為(wei)8～76mm/s，進(jin)行(xing)了(le)參數化研究(jiu)。光(guang)斑(ban)直徑從(cong)(cong)其聚焦光(guang)斑(ban)的(de)0.2mm～離焦光(guang)斑(ban)1mm。此(ci)外(wai)，還設定了(le)兩個很限空氣(qi)(qi)壓(ya)力(60kPa和(he)207 kPa(30psi))的(de)影(ying)響(xiang)。采(cai)(cai)用(yong)空氣(qi)(qi)環繞激光(guang)的(de)目(mu)的(de)，一個是保護激光(guang)不受融化材(cai)(cai)料(liao)反(fan)射到(dao)透鏡的(de)影(ying)響(xiang)，另一個原因是空氣(qi)(qi)可作為(wei)冷(leng)卻劑對(dui)切(qie)(qie)割(ge)材(cai)(cai)料(liao)起(qi)到(dao)快速(su)(su)冷(leng)卻的(de)作用(yong)。
在激光水射切(qie)割實(shi)驗中。采用(yong)激光功率為(wei)100～200W，切(qie)割速度為(wei)8～76mm/s的條(tiao)件下，進行了單點激光切(qie)割實(shi)驗。水壓設定從414kPa到6.30MPa。
每一次切(qie)割試(shi)驗后(hou)，對試(shi)樣表面進(jin)行(xing)仔細檢查，然后(hou)將其(qi)分為3大類：劃線、材(cai)(cai)料(liao)分離(li)和(he)無控制斷裂(lie)，其(qi)中材(cai)(cai)料(liao)分離(li)認(ren)定為完整的切(qie)割完成(cheng)。每一次切(qie)割完成(cheng)后(hou)，均對其(qi)進(jin)行(xing)表面測(ce)量(liang)，以評價切(qie)割質量(liang)。
用(yong)線(xian)能量(liang)法展示(shi)了兩(liang)種切(qie)削方式的實(shi)驗觀測(ce)結果，即加工參數(shu)(功(gong)率(P)/速(su)度比(bi)(bi)(V)比(bi)(bi)）的組(zu)合。線(xian)能量(liang)明顯(xian)對3種不(bu)同的切(qie)削方式獲得(de)的不(bu)同斷(duan)裂(lie)特征進行了區分。作為(wei)代(dai)表性實(shi)例，在圖(tu)3中(zhong)繪出了在不(bu)同功(gong)率和速(su)度下(xia)用(yong)于空氣冷卻的樣品(pin)斷(duan)裂(lie)特征。所收(shou)集(ji)的數(shu)據是(shi)(shi)(shi)在激(ji)(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)斑大(da)小為(wei)0.4 mm條件下(xia)的激(ji)(ji)光(guang)(guang)空氣冷卻切(qie)割。可以推斷(duan)，從激(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)痕到切(qie)斷(duan)的過(guo)渡(du)變化(hua)是(shi)(shi)(shi)以固定P/V值來區分開的。因此，功(gong)率(P)與(yu)速(su)度(V)之比(bi)(bi)可以認為(wei)是(shi)(shi)(shi)單(dan)一(yi)的裂(lie)縫控制參數(shu)而不(bu)是(shi)(shi)(shi)兩(liang)個獨立的參數(shu)。激(ji)(ji)光(guang)(guang)水(shui)射切(qie)割方式的激(ji)(ji)光(guang)(guang)切(qie)痕到切(qie)斷(duan)的過(guo)渡(du)也有(you)類似的激(ji)(ji)光(guang)(guang)與(yu)速(su)度之比(bi)(bi)。
圖3 激光空(kong)氣(qi)冷卻斷裂方式的線(xian)能(neng)量法
光斑大小的影響:
隨著光斑(ban)尺寸(cun)的(de)(de)(de)增(zeng)大，從劃(hua)線(xian)到可(ke)控(kong)斷裂(lie)的(de)(de)(de)轉變(bian)發生在(zai)較低的(de)(de)(de)線(xian)能值上。參考文獻報告(gao)了具(ju)有較大光斑(ban)尺寸(cun)的(de)(de)(de)散焦光束的(de)(de)(de)受控(kong)裂(lie)紋(wen)的(de)(de)(de)相(xiang)似觀察(cha)結果。當(dang)使用光斑(ban)尺寸(cun)為(wei)0.2 mm的(de)(de)(de)聚(ju)焦光束時，工件(jian)更容(rong)易受到聚(ju)焦光束的(de)(de)(de)損傷，導致工件(jian)不受控(kong)制的(de)(de)(de)斷裂(lie)。
氣壓影響：
采用兩種不同的(de)氣壓進行風(feng)冷。研究發現(xian)，氣壓從(cong)69kPa增加到207kPa時，對斷裂條件的(de)影響較(jiao)小(xiao)。
(1）風(feng)冷熱(re)斷口對于如(ru)圖4(a)所示的(de)(de)(de)(de)空氣冷卻引起的(de)(de)(de)(de)熱(re)斷裂(lie)，切(qie)割(ge)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)光(guang)(guang)滑，但近(jin)頂部約200μm處(chu)(chu)有(you)(you)較(jiao)薄的(de)(de)(de)(de)下切(qie)區。上(shang)表面(mian)(mian)(mian)附近(jin)的(de)(de)(de)(de)溝槽是由激光(guang)(guang)加熱(re)過程中的(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)汽化(hua)引起的(de)(de)(de)(de)，可(ke)(ke)稱為下切(qie)區。由圖中可(ke)(ke)以(yi)觀察到在(zai)(zai)斷口處(chu)(chu)存在(zai)(zai)少量的(de)(de)(de)(de)微(wei)裂(lie)紋。由于切(qie)削層較(jiao)厚且存在(zai)(zai)微(wei)裂(lie)紋，所以(yi)切(qie)割(ge)后的(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)近(jin)切(qie)割(ge)區域的(de)(de)(de)(de)試樣強度(du)(du)會有(you)(you)一定程度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)下降(jiang)。
(2)LWJ熱(re)斷(duan)裂對于(yu)圖(tu)4(b)中(zhong)所示的(de)激光(guang)水(shui)(shui)射引起的(de)熱(re)斷(duan)裂，切(qie)(qie)割(ge)表(biao)面的(de)切(qie)(qie)削層(ceng)非常小，而且斷(duan)裂面并沒有切(qie)(qie)削毛(mao)刺(ci)等存在(zai)。此外(wai)，切(qie)(qie)削截面沒有重熔層(ceng)和(he)微(wei)裂紋。因此，切(qie)(qie)削過程(cheng)不會影響(xiang)試樣的(de)強度。圖(tu)4(b)中(zhong)的(de)暗區是由(you)于(yu)在(zai)水(shui)(shui)中(zhong)發(fa)現的(de)礦(kuang)物(wu)質污染(ran)(ran)(ran)切(qie)(qie)割(ge)表(biao)面造成的(de)。對被污染(ran)(ran)(ran)和(he)未受污染(ran)(ran)(ran)的(de)地區進行化學分(fen)析，以(yi)確定(ding)切(qie)(qie)割(ge)過程(cheng)中(zhong)使用(yong)的(de)水(shui)(shui)質的(de)影響(xiang)。污染(ran)(ran)(ran)區域顯(xian)示鉀、鈣(gai)、鈉(na)、氯是在(zai)本(ben)次實(shi)驗中(zhong)在(zai)水(shui)(shui)射流中(zhong)使用(yong)的(de)自來水(shui)(shui)中(zhong)發(fa)現的(de)礦(kuang)物(wu)的(de)基本(ben)成分(fen)。使用(yong)純(chun)凈水(shui)(shui)可以(yi)緩解敏感應用(yong)的(de)污染(ran)(ran)(ran)問(wen)題。
比較(jiao)兩(liang)種切(qie)割方式的(de)(de)切(qie)口(kou)，圖(tu)5(a)和(b)分別給出了由于(yu)空(kong)(kong)(kong)氣冷卻和激光水射切(qie)割而使用熱(re)(re)斷裂(lie)模式切(qie)割的(de)(de)試樣表(biao)面(mian)的(de)(de)SEM圖(tu)像。在(zai)空(kong)(kong)(kong)氣冷卻的(de)(de)熱(re)(re)斷裂(lie)模式中，其(qi)切(qie)口(kou)在(zai)100～150μm，相對(dui)于(yu)激光水射切(qie)割的(de)(de)50～80μm明顯(xian)要大。在(zai)這兩(liang)種熱(re)(re)斷裂(lie)情況(kuang)下，頂部表(biao)面(mian)的(de)(de)裂(lie)紋路徑都被熱(re)(re)影(ying)響區(qu)所(suo)包圍。對(dui)于(yu)空(kong)(kong)(kong)氣冷卻的(de)(de)熱(re)(re)斷裂(lie)，熱(re)(re)影(ying)響區(qu)域約為600μm，而對(dui)于(yu)激光水射熱(re)(re)斷裂(lie)，熱(re)(re)影(ying)響區(qu)域僅為100～200μm。
圖5 不同切割斷口
此外，參考其他文獻介紹到的磨料水射流切割情況，其切口寬度非常大(根據
設(she)計了(le)一(yi)種激(ji)(ji)光(guang)水射流(liu)切(qie)割頭，并(bing)將其與現有的(de)(de)數(shu)控激(ji)(ji)光(guang)加(jia)工系統集(ji)成在一(yi)起，用(yong)于加(jia)工陶瓷(ci)等硬脆材(cai)料。基(ji)于以(yi)上的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)水射流(liu)切(qie)割頭的(de)(de)設(she)計，課題組在氧(yang)化鋁上進(jin)行了(le)切(qie)割試驗，驗證了(le)切(qie)割頭的(de)(de)有效性。實驗結果表明，激(ji)(ji)光(guang)/水射流(liu)加(jia)工利用(yong)了(le)激(ji)(ji)光(guang)與水射流(liu)的(de)(de)協同效應通過受控的(de)(de)熱斷裂進(jin)行分(fen)離，需要比常(chang)規(gui)汽化模式低3至(zhi)5倍(bei)的(de)(de)能量(liang)輸入。此外，激(ji)(ji)光(guang)水射流(liu)工藝的(de)(de)材(cai)料切(qie)割表面質量(liang)優于傳統的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)汽化方(fang)(fang)式和空冷熱斷裂方(fang)(fang)式，具有更小(xiao)的(de)(de)切(qie)口和較高的(de)(de)表面精度(du)。