電火花線切割與激光切割表面形貌比較

1、PDC電火花線切割與激光切割表面形貌比較圖1為聚晶金剛石復(fù)合片的激光切割表面形貌。從該圖中可以看出試件表面存在明顯的波形條紋。這是一種在激光切割中碳鋼、鈦合金等塑性金屬材料時(shí)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，對(duì)于這一現(xiàn)象的形成機(jī)理仍是一個(gè)有待深入研究的問(wèn)題。普遍認(rèn)為激光切割過(guò)程中測(cè)面材料的熔化是形成波形條紋的前提，而測(cè)面材料的熔化深度與單脈沖能量以及脈沖寬度有直接聯(lián)系。由于l00us的YAG激光脈寬大，導(dǎo)致測(cè)面熔化層深度大，熔化材料在輔助氣體吹力與材料表面張力作用下達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡而凝結(jié)在切割表面并形成殘留層。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時(shí)間差，從而使得激光照射區(qū)沿切深方向存在一定角度的坡

2、口，在輔助氣體吹力作用下，導(dǎo)致熔化材料在切割表面形成了波紋狀殘留層。線切割圖2為PDC的金剛石層電火花線切割表面形貌，表面粗糙度Ra為16zm左右。由于所采用的PDC其金剛石平均粒徑為25um，從圖2可以看到金剛石顆粒有明顯的碎化現(xiàn)象，并且存在許多小凹坑，這是金剛石顆粒間隙的金屬鈷過(guò)量去除留下的痕跡。圖3為硬質(zhì)合金層電火花線切割表面形貌，表面粗糙度Ra為32zm左右。PDC硬質(zhì)合金層WC的平均粒徑小于2um，從圖3可以看到表面存在大量大顆粒WC，這主要是因?yàn)榻饘兮捜埸c(diǎn)低，金屬鈷單脈沖去除體積相對(duì)WC與金剛石要大得多，從而造成硬質(zhì)合金層金屬鈷過(guò)量去除。在脈沖放電爆炸力作用下，小粒徑WC從硬質(zhì)合金

3、表面脫落，從而導(dǎo)致電火花線切割后硬質(zhì)合金層表面存在大量大顆粒WC。 從表面形貌對(duì)比分析，采用lOOus的YAG激光進(jìn)行PDC切割殘留層厚度大，表面質(zhì)量差，而采用電火花線切割進(jìn)行加工則表面質(zhì)量相對(duì)較好。 試件拋光對(duì)比分析經(jīng)激光切割的試件表面殘留層與基體材料結(jié)合比較松散，利用細(xì)砂紙輕微打磨即可將殘留層去除。圖4為經(jīng)細(xì)砂紙打磨后的試件表面形貌，從圖4可以看到在金剛石層與硬質(zhì)合金層之間存在明顯的連續(xù)裂紋。圖5為利用W25的金剛石微粉對(duì)激光切割試件拋光4h后的表面形貌。盡管殘留層已完整去除，但界面處的連續(xù)裂紋依然存在。圖6為利用W25的金剛石微粉對(duì)電火花線切割試件拋光4h后的表面形貌，界面處沒(méi)有裂紋存在

4、，但從測(cè)面形貌可以發(fā)現(xiàn)，PDC電火花線切割試件在界面處存在明顯的材料過(guò)量去除現(xiàn)象，從而在界面處留下明顯的凹槽。這主要是PDC在制備過(guò)程中在硬質(zhì)合金與金剛石層界面存在富鈷界面層，火花放電時(shí)金屬鈷過(guò)量去除而導(dǎo)致界面處存在凹槽。 試件拉曼光譜對(duì)比分析 在空氣中加熱金剛石到700800，金剛石就會(huì)出現(xiàn)氧化失重，并且表面碳原子層會(huì)發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)碳或玻璃態(tài)碳；當(dāng)加熱到1600時(shí)，金剛石表層的非晶態(tài)碳與玻璃態(tài)碳才轉(zhuǎn)變成晶態(tài)石墨。圖7為切割前PDC金剛石層拉曼光譜，從拉曼光譜圖中可以看到明顯的金剛石峰和微弱的石墨峰，說(shuō)明PDC金剛石層有微量的石墨存在。圖8為PDC激光切割表面的拉曼光譜，拉曼光譜存在很

5、強(qiáng)的石墨峰，這說(shuō)明在激光高能輻射作用下表層金剛石發(fā)生相變后大部分轉(zhuǎn)變成了晶態(tài)石墨，從而在拉曼光譜圖中看到了明顯的石墨峰。圖9為電火花線切割表面的拉曼光譜，圖9中顯示金剛石峰與石墨峰均較弱，說(shuō)明金剛石在火花放電脈沖能量作用下發(fā)生相變后轉(zhuǎn)變成了非晶態(tài)碳，只有極少的碳轉(zhuǎn)變成了晶態(tài)石墨。因此，電火花線切割試件的拉曼光譜石墨較弱.片。從圖l0可以明顯地看出殘留層與石墨變質(zhì)層(由白色虛線分割)，其中里層的石墨變質(zhì)層材質(zhì)比較緊密，與金剛石層結(jié)合牢固，厚度為2030Lm左右；殘留沉積層結(jié)構(gòu)松散，呈層狀結(jié)構(gòu)，厚度在3050um之間，與石墨變質(zhì)層結(jié)合力很小，通過(guò)細(xì)砂紙打磨即可去除。石墨變質(zhì)層與殘留沉積層厚度總共可達(dá)5080um。 圖 9 PDC金剛石層電火花線切割表面拉曼光譜 圖11為經(jīng)拋光后的電火花線切割試件金剛石層的SEM照片。從圖11可以看到平均厚度在l0um以內(nèi)的變質(zhì)層，并且變質(zhì)層與基體材料之間存在明顯的裂紋。 從PDC激光切割與電火