PDC电火花线切割与激光切割表面形貌比较—苏州市科龙应用技术研究所

PDC 电火花线切割与激光切割表面形貌比较电火花线切割与激光切割表面形貌比较 图 1 为聚晶金刚石复合片的激光切割表面形貌 从该图中可以看出试件表面存在明显 的波形条纹 这是一种在激光切割中碳钢 钛合金等塑性金属材料时常出现的现象 对于 这一现象的形成机理仍是一个有待深入研究的问题 普遍认为激光切割过程中测面材料的 熔化是形成波形条纹的前提 而测面材料的熔化深度与单脉冲能量以及脉冲宽度有直接联 系 由于 l00us 的 YAG 激光脉宽大 导致测面熔化层深度大 熔化材料在辅助气体吹力与 材料表面张力作用下达到一种动态平衡而凝结在切割表面并形成残留层 在激光高能束作 用下 由于材料沿切深方向存在一定的熔化时间差 从而使得激光照射区沿切深方向存在 一定角度的坡口 在辅助气体吹力作用下 导致熔化材料在切割表面形成了波纹状残留层 线切割 图 2 为 PDC 的金刚石层电火花线切割表面形貌 表面粗糙度 Ra 为 1 6 zm 左右 由于所采用的 PDC 其金刚石平均粒径为 25um 从图 2 可以看到金刚石颗粒有明显的碎化 现象 并且存在许多小凹坑 这是金刚石颗粒间隙的金属钴过量去除留下的痕迹 图 3 为 硬质合金层电火花线切割表面形貌 表面粗糙度 Ra 为 3 2 zm 左右 PDC 硬质合金层 WC 的平均粒径小于 2um 从图 3 可以看到表面存在大量大颗粒 WC 这主要是因为金属 钴熔点低 金属钴单脉冲去除体积相对 WC 与金刚石要大得多 从而造成硬质合金层金属 钴过量去除 在脉冲放电爆炸力作用下 小粒径 WC 从硬质合金表面脱落 从而导致电火 花线切割后硬质合金层表面存在大量大颗粒 WC 从表面形貌对比分析 采用 lOOus 的 YAG 激光进行 PDC 切割残留层厚度大 表面质 量差 而采用电火花线切割进行加工则表面质量相对较好 试件抛光对比分析 经激光切割的试件表面残留层与基体材料结合比较松散 利用细砂纸轻微打磨即可将 残留层去除 图 4 为经细砂纸打磨后的试件表面形貌 从图 4 可以看到在金刚石层与硬质 合金层之间存在明显的连续裂纹 图 5 为利用 W2 5 的金刚石微粉对激光切割试件抛光 4h 后的表面形貌 尽管残留层已完整去除 但界面处的连续裂纹依然存在 图 6 为利用 W2 5 的金刚石微粉对电火花线切割试件抛光 4h 后的表面形貌 界面处没有裂纹存在 但从测面形貌可以发现 PDC 电火花线切割试件在界面处存在明显的材料过量去除现象 从而在界面处留下明显的凹槽 这主要是 PDC 在制备过程中在硬质合金与金刚石层界面存 在富钴界面层 火花放电时金属钴过量去除而导致界面处存在凹槽 试件拉曼光谱对比分析 在空气中加热金刚石到 700 800 金刚石就会出现氧化失重 并且表面碳原子层会 发生相变 转变成非晶态碳或玻璃态碳 当加热到 1600 时 金刚石表层的非晶态碳与玻 璃态碳才转变成晶态石墨 图 7 为切割前 PDC 金刚石层拉曼光谱 从拉曼光谱图中可以看到明显的金刚石峰和微 弱的石墨峰 说明 PDC 金刚石层有微量的石墨存在 图 8 为 PDC 激光切割表面的拉曼光 谱 拉曼光谱存在很强的石墨峰 这说明在激光高能辐射作用下表层金刚石发生相变后大 部分转变成了晶态石墨 从而在拉曼光谱图中看到了明显的石墨峰 图 9 为电火花线切割 表面的拉曼光谱 图 9 中显示金刚石峰与石墨峰均较弱 说明金刚石在火花放电脉冲能量 作用下发生相变后转变成了非晶态碳 只有极少的碳转变成了晶态石墨 因此 电火花线 切割试件的拉曼光谱石墨较弱 片 从图 l0 可以明显地看出残留层与石墨变质层 由白色虚 线分割 其中里层的石墨变质层材质比较紧密 与金刚石层结合牢固 厚度为 20 30 Lm 左右 残留沉积层结构松散 呈层状结构 厚度在 30 50um 之间 与石墨变 质层结合力很小 通过细砂纸打磨即可去除 石墨变质层与残留沉积层厚度总共可达 50 80um 图图 9 PDC 金刚石层电火花金刚石层电火花线切割线切割表面拉曼光谱表面拉曼光谱 图 11 为经抛光后的电火花线切割试件金刚石层的 SEM 照片 从图 11 可以看到平均 厚度在 l0 um 以内的变质层 并且变质层与基体材料之间存在明显的裂纹 从 PDC 激光切割与