激光與水射流引導激光切割天然金剛石對比分析

（長春理工大學 機電工程學院，長春 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、強度，超高的耐磨性、極好的導熱性。天然金剛石能刃磨出鋒利的刃口等優良特性，可以制作成觀賞性的寶石（如：鉆石等），在工業中也被廣泛應用于機械加工工業、電子電器工業、光學玻璃和寶石加工工業、鉆探與開采工業和建筑與建材工業等領域，而且在難加工材料的超精加工方面有十分卓越的表現[1]。

現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/熱影響區小、切割軌跡復雜的優點，在天然金剛石切割加工中應用廣泛[2]，但激光切割金剛石的過程中常會在金剛石表面產生明顯的裂紋和斷層以及燒蝕現象[1]。隨著精密加工和超精密加工技術的不斷進步，激光與其他技術的復合逐漸成為加工制造領域的主流技術。激光與水射流復合技術，即水導激光加工技術（Laser Micro Jet，簡稱LMJ），與傳統的激光加工技術相比具有加工距離長、熱影響區小、無熱熔渣和加工效率高等優勢，在加工天然金剛石領域也逐漸被重視[1～3]。因此研究相關切割方法的優缺點對于天然金剛石切割質量的提供具有重要意義。本文針對激光切割與LMJ切割兩種方法對八面體金剛石原石進行切割及檢測分析獲得了相關現象和規律。

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，在激光作用點的周圍區域，由于材料對激光的吸收而使材料融化、氣化、燒蝕或達到熔點，同時借助與激光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現材料的去除。但這種加工方式不可避免的會在工件上形成熱影響區、熱應力和熔渣，這也是其在天然金剛石切割中存在的主要問題。

LMJ是激光加工的一個新技術，屬于特種、精密加工范疇，該技術結合了傳統激光加工技術與水射流加工技術的優點，將高能激光耦合到水射流中，使激光在水束中全反射傳輸，并被水束波導導引到加工工件，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[1]。LMJ的缺點在于：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領域的發展[4]。

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

2 檢測分析

2.1 切割紋理檢測分析

通過尼康TMZ745光學顯微鏡在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，檢測結果如圖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

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

2.2 表面粗糙度分析

利用美國VEECO NT1100型表面粗糙度測量儀對金剛石切割樣品表面進行多次測量，測量結果如圖3所示。檢測參數為：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比

切割表面由于加工過程中會出現各種影響因素，導致切割表面各部分的情況會有差別，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，經過多次測量取平均值得到測量值：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的光學顯微鏡下也可以看出，同時通過減小切割進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象，這是因為LMJ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構。此外，水射流也會在切割過程中帶走內部激光的熔融材料，減少了污染物。

2.3 物相及表面晶格參數檢測

采用荷蘭帕納科Empyrean型X射線衍射測試儀分別對激光和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衍射峰（第五個峰）是石墨的衍射峰，峰強較高表明其主要成分是石墨，說明在激切割天然金剛石時由于能量過高改變了天然金剛石的晶胞結構，使表面發生了石墨化反應。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生了從天然金剛石到碳的同速異形體的轉變。顯微鏡觀察的表面黑色現象即是石墨與碳物質存在的結果。如圖5所示，LMJ切割天然金剛石表面物相分析中最強衍射峰（即第三個衍射峰）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。顯微鏡觀察的發黑現象即是碳物質存在的結果，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檢測可知天然金剛石切割面的相關晶格變化情況，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d成近似線性減小趨勢，但是兩種切割表面的晶格參數相差不多，幾乎沒有變化。根據晶格變化和殘余應力之間的對應關系可知[5]，兩種切割表面的殘余應力數值相近似。

表1 激光切割天然金剛石表面微觀晶格參數變化

表2 LMJ切割天然金剛石表面微觀晶格參數變化

3 結論

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，清洗加工表面后會在一定程度繼續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量要優于激光切割的結果。如果不經過工藝優化研究，并沒有明顯的特征（如表面粗糙度和殘余應力等）來區別兩者切割質量的優劣。激光切割表面的損傷層會影響后續的研拋去除量，而LMJ切割紋理所帶來的表面粗糙度影響也同樣會影響后續的研拋去除量。

[1]石廣豐,朱可可,張云飛,史國權.天然金剛石的水射流引導激光切割及檢測分析[J].制造業自動化,2017,39(6):74-76.

[2]劉備.基于微水導激光加工技術的研究[D].哈爾濱工業大學,2008.

[3]葉瑞芳.新型水射流導引激光加工系統光學特性與關鍵技術研究[D].廈門大學,2009.

[4]李靈.水導激光微細加工技術研究[D].哈爾濱工業大學,2008.

[5]張津,高振桓,牟建雷,鄭林,何長光.晶體材料內部殘余應力衍射法無損檢測的研究進展[J].理化檢驗(物理分冊),2010,46(11):695-700.