PCD复合片激光切割工艺研究

发布时间: 2020-06-04 发布者: 富耐克应用研究中心

PCD复合片得以有效的利用关键在于按实际需要的形状和尺寸切割出来。激光切割时割炬与工件无接触,不存在工具的磨损。加工不同形状的零件,只需改变激光器的输出参数即可。激光切割过程噪声低,振动小,无污染,加工变形及热变形均很小,且激光加工速度快、效率高,是一种较为有效的加工方法。

在PCD的激光切割过程中,先是受激光辐射的表层金刚石发生相变转变为石墨,然后表层石墨直接升华或与氧气反应生成二氧化碳。同时,在激光的热影响下,较深层的金刚石又转变为石墨,这样不断石墨化和不断逐层去除的过程就是金刚石的激光去除机理。

最优的PCD复合片激光切割工艺可以获取最优的切割质量和加工效率,研究发现激光功率、切割速度、脉冲频率及离焦量等工艺参数对切割质量有一定影响。因此,需要从不同角度分析参数对切割质量的影响来优化切割工艺。

1.切缝宽度

不同参数下激光切割缝宽与锥度差别较大,这对刀具材料表面质量及尺寸精度的控制有重要影响。缝宽过大,PCD材料利用率降低,刀具尺寸不易保证;锥度过大会产生较大的磨削余量,增加了刃磨难度。

缝宽影响因素的主次为离焦量、脉冲频率、切割速度、激光功率,离焦量对切缝宽度和切割锥度影响较为显著,原因在于激光焦深范围内能量较高且分布相对均匀,负离焦过大激光能量透射率低,正离焦时能量发散迅速。激光功率和切割速率决定了材料一定时间内单位面积获得激光能量的大小,在脉宽和频率一定时,提高输出功率能增大激光束功率密度,较高的功率密度使加工过程中产生更多的蒸汽相物质,切缝宽度增大。

2.加工质量

对表面粗糙度的影响因素主次为脉冲频率、离焦量、激光功率、切割速度。脉冲频率增加,激光光斑重叠度增大,激光单脉冲能量减小,峰值功率降低,能有效减小切缝宽度,提高表面加工质量。脉冲频率与切割速度的大小决定着光斑的重叠程度,适当提高激光功率密度或增大光斑重叠度有利于提高激光切割质量,频率越高或者脉宽越小侧面毛刺现象越严重,而毛刺比较严重就会对后期的焊接产生影响。

激光功率的增加使切割速率范围也随之扩大,有利于提高切割稳定性和效率。

3.微裂纹

一般来说,激光的输出功率越高,加工过程中热负荷就越大,从而产生更大的温度差和热应力,最终使得热影响区变大并产生更多的微裂纹。研究结果表明激光功率越高,切口宽度也就越大,应力水平也随即降低,当拉应力Fmax<材料的强度,裂纹就不会产生。切口宽度大散热快,加工过程中产生的热量来不及向更深层传递,使得热影响区反而变小。高的激光功率有利于材料的顺利去除,形成良好的加工表面,但激光功率并非越大越好。

综合来讲,切割不同品牌不同料层厚度及总厚度甚至切割不同形状的PCD刀具均需要选用合适的激光切割参数,以避免毛刺、微裂纹等外观缺陷的产生。

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