燒結(jié)釹鐵硼激光切割質(zhì)量工藝影響研究??

馬傳杰 劉國(guó)東 黎相孟② 丁 磊

(①中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030051；②中北大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

釹鐵硼磁性材料是目前具有最強(qiáng)磁力的永久磁鐵，作為第三代稀土永磁材料，體積小、重量輕，性能上具有高磁能積、高矯頑力以及高剩磁且具有良好的動(dòng)態(tài)回復(fù)特性等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、電子材料制造等領(lǐng)域，在世界范圍內(nèi)掀起一股研究開(kāi)發(fā)熱潮，在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，是一種優(yōu)良的磁性材料[2]。現(xiàn)階段對(duì)于磁性材料的加工方式最普遍的仍為傳統(tǒng)機(jī)械加工方式，但是卻只能加工固定尺寸的產(chǎn)品[3-4]，加工速度比較慢，加工過(guò)程比較繁瑣，生產(chǎn)效率不高，而且加工車床居多占用空間大，有著一定的弊端。同時(shí)在加工過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力對(duì)材料的結(jié)構(gòu)性能有一定的影響。激光加工可以彌補(bǔ)以上缺陷。

激光加工運(yùn)用高功率激光束對(duì)所加工材料進(jìn)行切割、焊接、打標(biāo)等[5]。特別是激光切割，在與其他切割方式相比時(shí)，具有無(wú)接觸、無(wú)切削力，加工無(wú)變形等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行精密快速成型切割，其切縫窄，切割質(zhì)量高，操作簡(jiǎn)便，幾乎無(wú)污染物，綠色環(huán)保，彌補(bǔ)了以上加工的缺陷[6-7]。本文通過(guò)研究激光切割釹鐵硼磁性材料，探討工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響，運(yùn)用正交試驗(yàn)法優(yōu)化切割工藝參數(shù)，進(jìn)而應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)提高生產(chǎn)效率有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)條件和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用深圳迪能激光設(shè)備有限公司型號(hào)為DNE0505Y Nd:YAG激光切割機(jī)(如圖1)，其主要技術(shù)參數(shù)為:

(1)激光波長(zhǎng):1 064 nm；

(2)最大輸出功率:750 W；

(3)晶體為Nd:YAG；

(4)激光脈沖頻率:1～5 000 Hz(連續(xù)可用)；

(5)激光脈沖寬度:1～20 ms(連續(xù)可用)；

(6)加工范圍:500 mm×500 mm；

(7)切割厚度:≤9 mm；

(8)整機(jī)耗電功率:≤20 kW。

其加工原理如圖2所示。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為燒結(jié)釹鐵硼材料，它主要由Nd2Fe14B主相、富Nd相、富B相以及α-Fe組成[8-9]，它們的熱物理性能存在很大差異，在加工過(guò)程中材料的去除方式會(huì)隨著參數(shù)的變化而變化[10]。此次試驗(yàn)選用加工厚度為δ＝2 mm，平面尺寸φ＝50 mm的燒結(jié)釹鐵硼片材(如圖3)。材料的屬性如表1所示。

表1 釹鐵硼材料特性試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

運(yùn)用型號(hào)為DNE0505Y的固體激光器對(duì)其進(jìn)行切割加工，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，采用四因素四水平L16(44)正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)(如表2所示)，根據(jù)正交試驗(yàn)原則，從中選取16組試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表3所示)，通過(guò)極差分析的方法(如表4所示)，分析不同參數(shù)組合的對(duì)釹鐵硼切割質(zhì)量的影響，優(yōu)化激光切割釹鐵硼磁性材料工藝，進(jìn)而得出最優(yōu)的激光切割釹鐵硼工藝參數(shù)。

1.3 正交試驗(yàn)方案

表2所示為試驗(yàn)方案，方案中主要參數(shù)分別是電流、脈寬、頻率以及氧氣氣壓，每個(gè)參數(shù)下各設(shè)計(jì)4個(gè)水平。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響及分析

通過(guò)試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)(如表3所示)。

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)計(jì)算得出極差分析表(如表4所示)，樣品序號(hào)L1～L4為相應(yīng)因素各水平值下的均值，R為各因素下最大值與最小值之差，該數(shù)值越大，表明對(duì)應(yīng)參數(shù)對(duì)此項(xiàng)切割質(zhì)量指標(biāo)影響程度越大，相反，則對(duì)此項(xiàng)切割質(zhì)量指標(biāo)影響越小。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表4 極差分析表

從表4可以看出，對(duì)于割縫寬度影響大小的主次順序依次是電流、脈寬、氧氣氣壓、頻率，割縫寬度的最小工藝參數(shù)組合為電流135 A、脈寬0.80 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓0.3 MPa(A3B2C2D1)；對(duì)于 Ra影響大小主次順序依次為脈寬、電流、頻率、氧氣氣壓，Ra最小的工藝參數(shù)組合為電流140 A、脈寬0.75 ms、頻率205 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa(A4B1C1D4)；對(duì)于熔渣量影響大小主次順序依次為電流、頻率、脈寬、氧氣氣壓，熔渣量最小的工藝參數(shù)組合為電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa(A3B1C2D4)。通過(guò)加工后數(shù)據(jù)可以看出，割縫寬度全部在0.414～0.511 mm，激光切割對(duì)割縫寬度的影響較小。考慮到激光切割效率，可以使用最大的電流和氧氣氣壓來(lái)進(jìn)行切割加工，但此方法不能保證切割質(zhì)量。所以，在保證效率的同時(shí)，也要保證切割質(zhì)量。綜合考慮，對(duì)于切割2 mm的釹鐵硼磁性材料板材，最佳工藝為電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa。

依據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，繪制出工藝參數(shù)對(duì)割縫寬度、Ra和熔渣量的影響變化曲線如圖4所示。從圖4a中可以看出，隨著電流的增加，熔渣量先隨之增大，原因?yàn)楫?dāng)提高激光功率，釹鐵硼吸收大量的熱，導(dǎo)致熔融區(qū)域增大，熔渣量增加。隨著激光功率的繼續(xù)增加，切縫寬度、Ra和熔渣量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。繼續(xù)增大激光功率，材料吸收的熱量增多，上部迅速升華，下部受到溫度的影響發(fā)生熔化，導(dǎo)致熔融區(qū)域減小，切縫寬度隨之減小，熔渣量也隨著材料的迅速升華而減少。

從圖4b中可以看出，隨著脈寬的增加，割縫寬度、Ra和熔渣量總體看呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，是由于加工脈寬的增加，激光對(duì)釹鐵硼的作用延長(zhǎng)，導(dǎo)致釹鐵硼吸收的熱量相對(duì)增加，熔融區(qū)域增大，導(dǎo)致最終切縫寬度增大。在輔助氣流的吹動(dòng)下，一些粘度高的熔融物不易去除，熔融物在厚度方向上增多，氧氣不易吹除，粘附于材料底部，導(dǎo)致掛渣增多，進(jìn)而導(dǎo)致Ra增大。

從圖4c中可以看出，同樣隨著加工頻率的增加，割縫寬度、Ra和熔渣量逐漸增大。由于材料為燒結(jié)釹鐵硼，在底部受到熱輻射和氧化隨著作用時(shí)間的增加而增多，由于熔融物粘度相對(duì)較高，不易去除，粘附于材料底部，導(dǎo)致掛渣增多，隨之Ra也增大。

從圖4d中可以看出，隨著氧氣氣壓的升高，割縫寬度呈現(xiàn)先增大后減小最后增大的趨勢(shì)，寬度范圍在0.414～0.511 mm，而熔渣量和Ra逐漸減小，這是由于隨著氧氣氣壓的升高，熔融物質(zhì)去除率增加，掛渣減小，進(jìn)而Ra減小。在切割加工過(guò)程中，產(chǎn)生的熔融物在一定程度上也會(huì)增大氧氣吹除的阻力，工藝參數(shù)調(diào)整不恰當(dāng)，往往會(huì)增大切割表面的Ra和熔渣量。在合適的切割工藝下，使用氧氣吹除熔融物可減小Ra和熔渣量。

2.2 表面形貌分析

圖5分別為三組參數(shù)下的切割質(zhì)量形貌，不同的參數(shù)組合下的切割形貌有較大差異。圖5a中對(duì)應(yīng)參數(shù)為:電流 130 A、脈寬 0.90 ms、頻率 210 Hz、氧氣氣壓0.5 MPa；圖5b中對(duì)應(yīng)參數(shù)為:電流135 A、脈寬0.85 ms、頻率 205 Hz、氧氣氣壓 0.5 MPa；圖 5c 中對(duì)應(yīng)參數(shù)為:電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率215 Hz、氧氣氣壓0.9 MPa。從圖5a到圖5b，電流從130 A增加到135 A，頻率和脈寬減小，氧氣氣壓保持不變，從圖中可以看出，圖5b的切割質(zhì)量明顯改善，割縫寬度較為均勻，電流的增大，使得釹鐵硼材料吸收的熱量增加，熔融物質(zhì)以升華的形式去除，使得于材料的熔渣減少，進(jìn)而Ra減小，加工區(qū)域受到熔融物的熱量影響降低，此時(shí)割縫區(qū)域不會(huì)因?yàn)槿廴谖锏臒崃慷^續(xù)燒蝕，割縫寬度因此減小。從圖5b到圖5c，氧氣氣壓從0.5 MPa升高至0.9 MPa，脈寬繼續(xù)減小，電流保持不變。觀察圖5c，未出現(xiàn)熔渣粘結(jié)現(xiàn)象，割縫更加規(guī)整。增大氧氣氣壓，氧氣對(duì)熔融物的吹除率上升，熔渣較圖5b減少，重熔物減小，Ra減小。

圖6a為未激光加工切割截面宏觀及微觀形貌圖，較為整齊，圖6b為激光加工后切割截面宏觀及微觀形貌圖。圖中可以看出截面可分為光亮區(qū)和熔融區(qū)，由于激光的作用使得材料熔化，形成光亮區(qū)，光亮區(qū)切口較為光滑。熔融的釹鐵硼流動(dòng)性較差，未被氧氣氣流完全吹除，粘附于材料底部，重熔形成掛渣，形成下半部分的熔融區(qū)，圖中觀察熔融區(qū)較為粗糙，且有一定厚度。工藝參數(shù)不同，兩個(gè)區(qū)域所占面積比例也不同。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)用激光切割2 mm厚的釹鐵硼磁性材料板材最佳工藝參數(shù)為電流135 A、脈寬0.75 ms、頻率210 Hz、氧氣氣壓 0.9 MPa。

(2)當(dāng)增加電流及氧氣氣壓，降低加工脈寬及頻率時(shí)，掛渣粘結(jié)現(xiàn)象明顯改善，切割質(zhì)量較好。

(3)切割截面可分為光亮區(qū)和熔融區(qū)，形貌有較大差異，隨著工藝參數(shù)的改變，光亮區(qū)和熔融區(qū)所占區(qū)域大小也會(huì)隨之改變。