PDC电火花线切割与激光切割表面形貌比较.doc

PDC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。 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 9 PDC金刚石层电火花线切割表面拉曼光谱 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激光切割与电火花线切割试件的残留层与损伤层的对比观察可以得知，脉宽l00us的YAG激光不适宜于PDC精密切割加工，表面残留层与变质层厚度大，而电火花线切割表面变质层厚度相对要小得多。