激光对坚硬物质的材料加工应用

1、激光对坚硬物质的材料加工应用材料到底有多硬？物理加工中的硬度到底有多大？微加工行业正急切需要使用或生产由超硬材料制成的零件。这带来了一系列的问题：这些材料如何能以经济的方式被加工或用来制造高质量产品，且同时又能满足今天全世界对环境的日益关注？对于材料来说，“坚硬”意味着纯金刚石（C）、多晶钻（PcD）、立方氮化硼（cBN）和氮化硅（Si3N4）这是人类以前所知道的四种最坚硬的材料。直到今天它们才被人们新发现的仍然 材料到底有多硬？物理加工中的硬度到底有多大？微加工行业正急切需要使用或生产由超硬材料制成的零件。这带来了一系列的问题：这些材料如何能以经济的方式被加工或用来制造高质量产品，且同时又能

2、满足今天全世界对环境的日益关注？ 对于材料来说，“坚硬”意味着纯金刚石（C）、多晶钻（PcD）、立方氮化硼（cBN）和氮化硅（Si3N4）这是人类以前所知道的四种最坚硬的材料。直到今天它们才被人们新发现的仍然罕见的材料所替代，如金刚石纳米棒聚合体（ADNR）和超硬富勒烯(C60)。物理意义上的坚硬指的是将这些超硬材料成形用于所需的应用（如刀具微加工），具有非常复杂轮廓的对象，同时要考虑工艺的经济性。 目前，较流行的制造方法包括激光、磨削、放电加工EDM，或电化学加工ECM，也被称为化学磨削或湿式蚀刻法。但所有的这些方法都有着不同的缺点。厚材料不能通过干式激光切割，因为它们会在切割区域附近产生锥

3、形切口以及热影响区，从而降低最终产品的质量及使用性能。磨削是一种可接受的方法，但速度慢且磨具价格昂贵，而且同样会产生热影响区，此外磨削仅限于线性方向，这使其不适合用于复杂形状的加工。EDM是一种已证实可用的方法，但仅能用于导电材料的加工；此外，EDM速度慢且加工表面不平滑。而ECM的问题在于采用了高腐蚀性的材料，对健康、安全和环境造成负面影响；并且和 EDM一样，只能用于导电材料加工。 由于除了激光钻孔之外，金刚石不能用于以上任何一种方法，这里我们将主要着重于刀具行业三种最常用的材料：PcD, cBN, 和 Si3N4。 PcD是一种使用金刚石微粒和化学粘合剂混合之后，在高温高压环境下沉积为相

4、干结构的人造材料。它被用于加工不含铁的材料，如铝和铝合金、碳化钨、陶瓷、石材、塑料、光纤玻璃和木制材料。 而纯cBN，或是它的来自PcBN的多晶体，主要用于加工高温及具有氧化环境的含铁材料。PcBN是一种由cBN微粒和陶瓷或金属触媒粘合剂在高温高压下沉积而成的聚合体。 Si3N4氮化硅是一种具有高抗碎性能的陶瓷材料，因其具有的硬度、热稳定性和抗磨损性能同样被用于刀具材料。该材料特别被用于高速加工铸铁，在加工钢材的应用中，它通常都以化学气相沉积方法（CVD）镀上氮化钛镀层，以增强抗化学腐蚀性。Si3N4 还被用于如高档滑雪板轴承和燃气设备点火装置的应用中。 将这些材料应用于刀具行业中需要用到前面

5、提到的一种或更多的方法。现在随着水导引激光技术的出现，带来了一种非常成功的方法。该技术又被称为微水刀激光，是由一家瑞士公司Synova设计并制造的专利技术。 微水刀激光技术采用了低压、发丝般细的水射流（起到类似于光纤的作用），将一束波长在1064或532纳米的紧密聚焦短脉冲高效半导体泵浦固态Nd:YAG激光束导引至工件上。该组合能有效切割数公分厚的材料，切口宽度在25到120微米之间（见图1）。该水射流不仅导引了激光束以避免传统激光器常见的光束偏离问题出现，同时也在脉冲间隔时为切口及周边区域提供了足够的冷却，因此工件很少或不会产生热影响区。 在加工的同时，水射流将熔融的材料从切口上去除，使切割

6、区域得以清理。材料表面覆盖的水膜起到了保护层的作用，防止了熔融的材料和工件产生粘结或重铸现象的发生。该应用中唯一损耗的是去离子水，平均值约1升/小时，压力300bar，这在每天24小时每周7天的生产中非常重要。 具备了所有这些独特的能力，激光束能切割复杂二维形状的含铁或不含铁材料，产生完美的平行切割壁，无毛刺，污损或重铸。值得注意的是，微水刀激光并不要求材料具有导电性。在切割坚硬材料时，加工台尺寸为300300 mm的机器能以高达1000 mm/s的速度进行切割，绝对精度为3m，重复定位精度1m。该微水刀激光加工通过使用Synova的LCS300系列激光切割系统完成。 使用微水刀激光 举例来说

7、，微水刀激光被用来切割一个直径59mm，厚1.6mm，基底材料为碳化钨，表面为PCD涂层的圆碟。它被切割为36个 1/4到1/2尺寸的圆片。对于该应用，使用一个双脉冲DPSS激光器，采用532nm波长的激光束，平均功率140W，并且设备装配了直径80m喷嘴。该切割过程以30mm/s的速度进行多道模式的加工需要总共60道分别大致以14和16mm/min的速度完成直线和圆弧切割（见图2和3）。 另外一个例子是使用cBN刀具从一个5mm厚的碳化钨圆碟上切割出圣诞树形状的刀片（见图4）。该切割再次通过产生532nm 波长光束的双脉冲DPSS激光器，平均功率140W，配备80m喷嘴的微水刀激光系统完成。

8、加工速度为10mm/s，要求完成220道加工，每个刀片共需要耗费6分钟完成。 第三个例子是对Si3N4 材料进行钻孔。8mm厚的材料被切出一个直径3mm的孔。该加工采用产生532nm波长光束的双脉冲DPSS激光器，平均功率150W，配备75m微水刀激光喷嘴。该切割在约2分钟内完成，速度为20mm/s，需250道加工。（见图5和6） 最后，微水刀激光被用来切割内部样本用于展示目的（见图7）。被加工材料是一个6cm直径的圆碟，基底材料为碳化钨，表面为厚约0.8mm的cBN涂层，总厚度为3.8mm。切口宽度为85m，深度2.6mm，不同切槽间的距离为250m。该应用还采用双脉冲DPSS激光器产生 532nm波长激光，平均功率140W，配备80m微水刀激光喷嘴。每根切槽的完成需要100道加工，切割速度30mm/s。该实例特别说明了通过微水刀激光能获得非常高的深宽比以及完全平行的切割壁。 这四个例子显示了微水刀激光技术在切割超硬材料时的出色能力。加工速度快，精度高，产生完美的平行切割壁且无热影响区。此外，完成的工件无任何毛刺、起边、污损和沉积现象出现，因此无需进