激光與水射流引導(dǎo)激光切割天然金剛石對(duì)比分析

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 103322）

0 引言

天然金剛石是一種自然界中存在的單晶材料，它具有極高的硬度、強(qiáng)度，超高的耐磨性、極好的導(dǎo)熱性。天然金剛石能刃磨出鋒利的刃口等優(yōu)良特性，可以制作成觀賞性的寶石（如：鉆石等），在工業(yè)中也被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工工業(yè)、電子電器工業(yè)、光學(xué)玻璃和寶石加工工業(yè)、鉆探與開采工業(yè)和建筑與建材工業(yè)等領(lǐng)域，而且在難加工材料的超精加工方面有十分卓越的表現(xiàn)[1]。

現(xiàn)階段金剛石的切割方法有很多種，如劈切、鋸切、激光加工等[1]。激光由于其無接觸、加工效率高/熱影響區(qū)小、切割軌跡復(fù)雜的優(yōu)點(diǎn)，在天然金剛石切割加工中應(yīng)用廣泛[2]，但激光切割金剛石的過程中常會(huì)在金剛石表面產(chǎn)生明顯的裂紋和斷層以及燒蝕現(xiàn)象[1]。隨著精密加工和超精密加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光與其他技術(shù)的復(fù)合逐漸成為加工制造領(lǐng)域的主流技術(shù)。激光與水射流復(fù)合技術(shù)，即水導(dǎo)激光加工技術(shù)（Laser Micro Jet，簡(jiǎn)稱LMJ），與傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)相比具有加工距離長(zhǎng)、熱影響區(qū)小、無熱熔渣和加工效率高等優(yōu)勢(shì)，在加工天然金剛石領(lǐng)域也逐漸被重視[1～3]。因此研究相關(guān)切割方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)于天然金剛石切割質(zhì)量的提供具有重要意義。本文針對(duì)激光切割與LMJ切割兩種方法對(duì)八面體金剛石原石進(jìn)行切割及檢測(cè)分析獲得了相關(guān)現(xiàn)象和規(guī)律。

1 激光與LMJ的切割方法及原理

激光切割材料主要是利用熱作用，在激光作用點(diǎn)的周圍區(qū)域，由于材料對(duì)激光的吸收而使材料融化、氣化、燒蝕或達(dá)到熔點(diǎn)，同時(shí)借助與激光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。但這種加工方式不可避免的會(huì)在工件上形成熱影響區(qū)、熱應(yīng)力和熔渣，這也是其在天然金剛石切割中存在的主要問題。

LMJ是激光加工的一個(gè)新技術(shù)，屬于特種、精密加工范疇，該技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)激光加工技術(shù)與水射流加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將高能激光耦合到水射流中，使激光在水束中全反射傳輸，并被水束波導(dǎo)導(dǎo)引到加工工件，通過高速水射流形成內(nèi)通的全反射激光束，既具有激光加工的內(nèi)在熱效應(yīng)，又具有水射流加工的冷卻、拋光效應(yīng)[1]。LMJ的缺點(diǎn)在于：加工作用力大、加工噪聲大、需要水壓極高等限制，這些阻礙了其在微細(xì)領(lǐng)域的發(fā)展[4]。

因此這兩種方法都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在天然金剛石切割方面的研究仍是一個(gè)新課題。下面試圖采用兩種切割方法針對(duì)常用工藝參數(shù)對(duì)天然金剛石原石進(jìn)行切割檢測(cè)分析，具體切割加工在天然金剛石的（111）晶面進(jìn)行，相關(guān)工作在某刀具廠完成。

2 檢測(cè)分析

2.1 切割紋理檢測(cè)分析

通過尼康TMZ745光學(xué)顯微鏡在500倍放大倍率下分別觀察金剛石（111）晶面的激光和LMJ切割表面，檢測(cè)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 激光切割天然金剛石表面

圖2 LMJ切割天然金剛石表面

不同的激光切割進(jìn)給速度會(huì)產(chǎn)生不同樣貌的表面，同時(shí)過高的溫度容易在金剛石表面產(chǎn)生燒蝕、裂紋和斷層等缺陷，在加工邊緣易產(chǎn)生毛刺，同時(shí)高溫會(huì)使金剛石的表面發(fā)生石墨化，因此激光切割的表面常常表現(xiàn)為致密烏黑狀（如圖1所示）。LMJ切割有效的解決了傳統(tǒng)激光加工有效加工范圍小、熱熔渣、熱影響區(qū)等問題，邊緣不產(chǎn)生或產(chǎn)生微量的毛刺，表面黑化不嚴(yán)重，整體呈半透明狀，但能量的不足而對(duì)金剛石表面的切割質(zhì)量產(chǎn)生紋理和斷層、斷裂的影響，且加工表面不如激光加工細(xì)致（如圖2所示）。

2.2 表面粗糙度分析

利用美國(guó)VEECO NT1100型表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)金剛石切割樣品表面進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。檢測(cè)參數(shù)為：1）縱向掃描范圍：0.1～1mm；2）最大掃描速度：7.2μm/s；3）樣品臺(tái)尺寸：100mm。

圖3 激光與LMJ切割金剛石（111）晶面的表面粗糙度情況對(duì)比

切割表面由于加工過程中會(huì)出現(xiàn)各種影響因素，導(dǎo)致切割表面各部分的情況會(huì)有差別，為了減小偶然因素帶來的影響，這里取表面粗糙度平均值Ra，經(jīng)過多次測(cè)量取平均值得到測(cè)量值：激光切割Ra在200nm左右，LMJ切割Ra在400nm左右，約為激光切割的二倍，這是由于LMJ切割質(zhì)量受水射流的水柱切割軌跡的影響較大，這中情況從圖4的光學(xué)顯微鏡下也可以看出，同時(shí)通過減小切割進(jìn)給速度能夠有效減小LMJ切割表面的粗糙度。

此外，LMJ與激光切割的較大不同處就是切割表面幾乎看不到熱損傷現(xiàn)象，這是因?yàn)長(zhǎng)MJ的水射流可以冷卻被切割材料表面，極大地降低材料的熱變形和熱損傷，使材料保持原來的結(jié)構(gòu)。此外，水射流也會(huì)在切割過程中帶走內(nèi)部激光的熔融材料，減少了污染物。

2.3 物相及表面晶格參數(shù)檢測(cè)

采用荷蘭帕納科Empyrean型X射線衍射測(cè)試儀分別對(duì)激光和LMJ切割后的金剛石表面進(jìn)行物相分析。經(jīng)X光管發(fā)出X射線打在天然金剛石切割表面發(fā)生衍射現(xiàn)象，其能量點(diǎn)數(shù)被探測(cè)器接收，獲得金剛石不同切割表面的衍射圖譜。

圖4 激光切割天然金剛石表面XRD衍射圖譜

如圖4所示，激光切割天然金剛石表面物相分析中最強(qiáng)衍射峰（第五個(gè)峰）是石墨的衍射峰，峰強(qiáng)較高表明其主要成分是石墨，說明在激切割天然金剛石時(shí)由于能量過高改變了天然金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)，使表面發(fā)生了石墨化反應(yīng)。其他小的衍射峰為碳的衍射峰，說明在激光切割過程中有一部分的金剛石發(fā)生了從天然金剛石到碳的同速異形體的轉(zhuǎn)變。顯微鏡觀察的表面黑色現(xiàn)象即是石墨與碳物質(zhì)存在的結(jié)果。如圖5所示，LMJ切割天然金剛石表面物相分析中最強(qiáng)衍射峰（即第三個(gè)衍射峰）是天然金剛石的衍射峰，其他的小衍射峰是碳的衍射峰，說明在水射流切割天然金剛石時(shí)由于能量過高表面產(chǎn)生變化從天然金剛石到碳的同速異形體的轉(zhuǎn)變。顯微鏡觀察的發(fā)黑現(xiàn)象即是碳物質(zhì)存在的結(jié)果，但卻不是石墨。

圖5 LMJ切割天然金剛石表面XRD衍射圖譜

通過激光和LMJ切割表面的晶格參數(shù)檢測(cè)可知天然金剛石切割面的相關(guān)晶格變化情況，如表1和表2所示。隨著X射線入射角度的不斷增大，晶格參數(shù)d成近似線性減小趨勢(shì)，但是兩種切割表面的晶格參數(shù)相差不多，幾乎沒有變化。根據(jù)晶格變化和殘余應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知[5]，兩種切割表面的殘余應(yīng)力數(shù)值相近似。

表1 激光切割天然金剛石表面微觀晶格參數(shù)變化

表2 LMJ切割天然金剛石表面微觀晶格參數(shù)變化

3 結(jié)論

與激光切割相比，LMJ切割天然金剛石的表面并沒有石墨出現(xiàn)，清洗加工表面后會(huì)在一定程度繼續(xù)保持金剛石的通透性。在合理的工藝條件下，LMJ切割天然金剛石的表面質(zhì)量要優(yōu)于激光切割的結(jié)果。如果不經(jīng)過工藝優(yōu)化研究，并沒有明顯的特征（如表面粗糙度和殘余應(yīng)力等）來區(qū)別兩者切割質(zhì)量的優(yōu)劣。激光切割表面的損傷層會(huì)影響后續(xù)的研拋去除量，而LMJ切割紋理所帶來的表面粗糙度影響也同樣會(huì)影響后續(xù)的研拋去除量。

[1]石廣豐,朱可可,張?jiān)骑w,史國(guó)權(quán).天然金剛石的水射流引導(dǎo)激光切割及檢測(cè)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2017,39(6):74-76.

[2]劉備.基于微水導(dǎo)激光加工技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[3]葉瑞芳.新型水射流導(dǎo)引激光加工系統(tǒng)光學(xué)特性與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廈門大學(xué),2009.

[4]李靈.水導(dǎo)激光微細(xì)加工技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[5]張津,高振桓,牟建雷,鄭林,何長(zhǎng)光.晶體材料內(nèi)部殘余應(yīng)力衍射法無損檢測(cè)的研究進(jìn)展[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2010,46(11):695-700.