天然金剛石的水射流引導激光切割及檢測分析

石廣豐，朱可可，張云飛，史國權

（長春理工大學 機電工程學院，長春 103322）

天然金剛石的水射流引導激光切割及檢測分析

石廣豐，朱可可，張云飛，史國權

（長春理工大學 機電工程學院，長春 103322）

金剛石工具行業的快速發展，需要對大量的天然金剛原石顆粒進行精密切割和細分，從而方便通過后續的研磨拋光來實現高精度的金剛石工具制備。相對于傳統的手工劈切和激光切割方法，采用水射流引導激光（Laser Micro Jet，簡稱LMJ）切割方法對天然金剛石原石進行了精密、高效切割分離，并采用光學顯微鏡和X射線衍射儀（XRD）等檢測手段對切割后的金剛石表面（110）晶面進行了物相成分和殘余應力的檢測分析，通過和激光切割后的樣品結果對比獲得了LMJ切割天然金剛石的有益效果。這對于完善金剛石原石的LMJ切割工藝具有重要意義。

天然金剛石；LMJ；X射線；物相；殘余應力

0 引言

天然金剛石是目前地球上發現的自然存在物質中最堅硬的一種單晶體材料，它不僅可以制作成觀賞寶石（鉆石、珠寶等），而且還可以用于工業用途，如金剛石工具等。無論天然金剛石作何用途都要首先對其進行開料、粗磨、微細切割和精磨拋光。由于天然單晶金剛石具有極高硬度和強度、超高耐磨性、極好導熱性等特點，對天然金剛石晶體的加工具有效率低、損耗大、分割質量不穩定以及加工成本高等各種加工難題，因此限制了天然金剛石原石材料的利用率[1]。

相對于人工劈割和鋸切的天然金剛石傳統開料方法來說，激光切割的方法普遍采用[2]。由于天然金剛石存在大自然中多為不規則形式，使用具有高亮度、方向性強、單色性好、相干性好、空間控制和時間控制性好等優越性能的激光切割，容易獲得超短脈沖和小尺寸光斑，能夠產生極高的能量密度和功率密度，足以加工世界上任何金屬和非金屬物質，特別適用于自動化加工,而且對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大[3,4]。但是激光切割天然金剛石表面會產生明顯的裂紋和斷層，并且使切割后的天然金剛石表面產生不同的燒蝕現象，因此尋求天然金剛石的新型切割方法來具有重要意義和價值。

水射流引導激光（Laser Micro Jet，簡稱LMJ）復合加工技術的出現[5]，成為天然金剛石加工的新嘗試。雖然國外相關技術相對成熟[6]，已有商品化機床，但是國內尚處于理論和工藝研究階段[7～9]，實質性應用鮮有報道,可見開展LMJ切割天然金剛石技術的研究十分必要。本課題研究用X射線衍射儀（XRD）對激光切割和水射流切割天然金剛石表面進行物相分析，同時測試了兩種加工工藝的天然金剛石表面殘余應力的情況。通過對比激光切割與水射流切割天然金剛石表面物相變化和殘余應力變化做出機理分析為天然金剛石加工提供重要的理論指導和實驗價值。

1 LMJ切割方法及原理

LMJ的工作原理（如圖1所示）是通過高速水射流形成內通的全反射激光束，既具有激光加工的內在熱效應，又具有水射流加工的冷卻、拋光效應，因此對超硬材料的加工效率、加工精度和質量都有很大提高。

圖1 LMJ加工原理示意圖[5]

LMJ切割過程中，首先將天然金剛石原石（八面體白色透明顆粒）通過粘膠固定到夾具座上，一端部分固定，預留出中間位置便于LMJ從中間的（110）晶面部位進行切割，如圖2、圖3所示。當LMJ水射流的初設速度、激光輸出功率等工藝參數調整后，就可以通過出射點相對于金剛石切割位置的移動實現切割，最終將一個八面體天然金剛石顆粒切割成兩個形狀、大小相似的三棱錐體。當然也可根據制作工具體積大小和晶體結構的需要，在避開顆粒內部雜質、缺陷的前提下，進行任意路徑的選擇性切割，從而實現天然金剛石原石的毛坯取料。

圖2 LMJ切割天然金剛石工藝

圖3 八面體天然金剛石切割晶面及切割后樣品

2 檢測分析

在尼康TMZ745光學體式顯微鏡下觀察金剛石的切割面呈黑色，初步判斷為表面覆蓋了一薄層因加工所引起的反應物質，所以采用工業酒精對LMJ切割表面進行清洗，清洗后繼續觀察。結果依然為黑色，但天然金剛石切割表面的切割紋理變得清晰可見。通過兩個對應表面LMJ切割紋理的顯微觀察，可以更好地分析切割工藝的影響因素和相關規律。

圖4中左上部切割紋理還基本成豎直向下方向，表明LMJ的初始切割順利；但是左下部切割紋理普遍右傾（對應圖5中的左下部稍微右傾），表明水射流在切割到金剛石材料較深厚度時受到一定阻力而使切割方向發生變化（紋理偏向與切割進給方向相反），但并不影響切割效果。在切割面的中間位置處可以明顯觀察到斷層現象，深入分析表明這與切割樣品時切割工藝的采用有很大關系。隨著切割進給的繼續，在金剛石顆粒切割面的中間位置處，LMJ切割阻力增大，影響水射流的持續深入并影響到了切割效果，于是將金剛石顆粒調轉180°反向繼續切割，最終在兩個方向切割的交接處形成切斷應力進而完成金剛石分離。為了避免因切割能量不足所采用的LMJ換向切割時的切割紋理變化和斷層現象，適當增加LMJ激光的功率（由50W增加到100W）可保證金剛石顆粒沿切割表面的一次性順利分離。

圖4 金剛石切割后表面

圖5 金剛石切割表面（圖3）的對面

采用荷蘭帕納科Empyrean型X射線衍射測試儀對LMJ切割后的金剛石表面進行物相分析。經X光管發出X射線打在天然金剛石切割表面發生衍射現象其能量點數被探測器接收，獲得水射流切割金剛石表面的衍射圖譜。如圖6所示，LMJ切割天然金剛石表面物相分析中最強衍射峰（即第二個衍射峰，第一個衍射峰為Kβ不作分析）是天然金剛石的衍射峰，峰強較高說明主要成分是天然金剛石，之后的兩個小衍射峰是碳的衍射峰，說明在水射流切割天然金剛石時由于能量過高表面產生變化從天然金剛石到碳的同速異形體的轉變，顯微鏡觀察的較黑現象即是碳物質存在的結果，但卻不是石墨。這也說明了LMJ切割過程中的冷卻效果。通過LMJ切割表面的多點殘余應力檢測可知（晶格參數檢測結果如表1所示），切割表面為拉應力10MPa，表明存在較小的殘余應力。

圖6 水射流切割天然金剛石表面的物相分析

表1 水射流切割天然金剛石表面微觀晶面參數變化

在對同類金剛石顆粒進行傳統激光切割表面的檢測結果分析可知，激光切割金剛石表面（（110）晶面）會呈現黃黑色，X射線檢測物相結果表明此物質為石墨，分析可知是由于高能量激光加工所產生的高溫所致。而表面殘余拉應力應力檢測結果為142.89MPa，明顯高于LMJ的加工結果。這也說明LMJ對金剛石的切割技術相比于傳統的激光切割來說具有一定的優勢。

3 結論

1）LMJ切割能量的不足會對金剛石切割表面的質量產生紋理、斷裂和斷層的影響。根據金剛石的切割工藝要求，可適當增加LMJ激光的輸出功率來實現金剛石的高效和高質量切割。

2）激光切割天然金剛石表面由于切割表面可達到很高的溫度使天然金剛石轉變成石墨，而LMJ切割天然金剛石表面只形成碳的同素異形體，薄薄的一層均勻覆蓋在金剛石表面。

3）激光切割和水射流切割天然金剛石表面都會產生殘余應力，并且都表現為拉應力，但LMJ切割天然金剛石表面所產生的殘余應力相對于激光切割表面的殘余應力小很多，其對加工表面亞表面損傷層和表面質量的影響關系仍需深入研究。

[1] 張著軍.天然金剛石刀具的激光切割技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2014:61.

[2] 龔學清,穆守(山侖). 金剛石激光定向切割取得重大突破[J].應用激光,1983,(04):26.

[3] 江海河.激光加工技術應用的發展及展望[J].光電子技術與信息,2001,14(4):1-12.

[4] 林樹忠,孫會來.激光加工技術的應用及發展[J].河北工業大學學報,2004,33(2):77-82.

[5] 蔡黎明,雷玉勇,邴龍健,唐令波.水射流導引激光在微細加工中的應用[J].微細加工技術,2008,(05):60-64.

[6] Porter J A, Louhisalmi Y A, Karjalainen J A, et al. Cutting thin sheet metal with a water jet guided laser using various cutting distances, feed speeds and angle s of incidence[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technolo gy,2007,33(9):961-967.

[7] 葉瑞芳,沈陽,王磊,黃元慶.新型水導引激光耦合系統研究[J].廈門大學學報(自然科學 版),2009,(03):369-372.

[8] 初杰成.水導引激光耦合機理及加工試驗研究[D].哈爾濱工業大學,2006.

[9] 孫勝廷.水導引激光加工裝置及加工特性研究[D].哈爾濱工程大學,2012.

Cutting and test analysis of natural diamond by laser micro jet

SHI Guang-feng, ZHU Ke-ke, ZHANG Yun-fei, SHI Guo-quan

TG71

：A

1009-0134(2017)06-0074-03

2017-04-23

吉林省科技廳計劃項目（20150204059GX，No.20170101124JC）；國家自然科學基金資助項目（51405031，51575057）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，主要從事超精密加工技術相關方面研究。