烧结钕铁硼激光切割质量工艺影响研究∗∗

2019-02-27马传杰刘国东黎相孟

制造技术与机床 2019年3期

马传杰刘国东黎相孟② 丁磊

(①中北大学机械工程学院，山西太原030051；②中北大学先进制造技术山西省重点实验室，山西太原030051)

钕铁硼磁性材料是目前具有最强磁力的永久磁铁，作为第三代稀土永磁材料，体积小、重量轻，性能上具有高磁能积、高矫顽力以及高剩磁且具有良好的动态回复特性等优点[1]，被广泛应用于通信、医疗、电子材料制造等领域，在世界范围内掀起一股研究开发热潮，在现代工业和电子技术中得到了广泛应用，是一种优良的磁性材料[2]。现阶段对于磁性材料的加工方式最普遍的仍为传统机械加工方式，但是却只能加工固定尺寸的产品[3-4]，加工速度比较慢，加工过程比较繁琐，生产效率不高，而且加工车床居多占用空间大，有着一定的弊端。同时在加工过程中产生的内应力对材料的结构性能有一定的影响。激光加工可以弥补以上缺陷。

激光加工运用高功率激光束对所加工材料进行切割、焊接、打标等[5]。特别是激光切割，在与其他切割方式相比时，具有无接触、无切削力，加工无变形等优点，可进行精密快速成型切割，其切缝窄，切割质量高，操作简便，几乎无污染物，绿色环保，弥补了以上加工的缺陷[6-7]。本文通过研究激光切割钕铁硼磁性材料，探讨工艺参数对切割质量的影响，运用正交试验法优化切割工艺参数，进而应用于实际生产中，对提高生产效率有一定的参考价值。

1 实验条件和方法

1.1 实验条件

1.1.1 实验设备

实验设备使用深圳迪能激光设备有限公司型号为DNE0505Y Nd:YAG激光切割机(如图1)，其主要技术参数为:

(1)激光波长:1 064 nm；

(2)最大输出功率:750 W；

(3)晶体为Nd:YAG；

(4)激光脉冲频率:1～5 000 Hz(连续可用)；

(5)激光脉冲宽度:1～20 ms(连续可用)；

(6)加工范围:500 mm×500 mm；

(7)切割厚度:≤9 mm；

(8)整机耗电功率:≤20 kW。

其加工原理如图2所示。

1.1.2 实验材料

实验材料为烧结钕铁硼材料，它主要由Nd2Fe14B主相、富Nd相、富B相以及α-Fe组成[8-9]，它们的热物理性能存在很大差异，在加工过程中材料的去除方式会随着参数的变化而变化[10]。此次试验选用加工厚度为δ＝2 mm，平面尺寸φ＝50 mm的烧结钕铁硼片材(如图3)。材料的属性如表1所示。

表1 钕铁硼材料特性试验参数

1.2 试验方法

运用型号为DNE0505Y的固体激光器对其进行切割加工，设计正交试验方案，采用四因素四水平L16(44)正交试验方法设计试验(如表2所示)，根据正交试验原则，从中选取16组试验点，进行试验，记录试验数据(如表3所示)，通过极差分析的方法(如表4所示)，分析不同参数组合的对钕铁硼切割质量的影响，优化激光切割钕铁硼磁性材料工艺，进而得出最优的激光切割钕铁硼工艺参数。

1.3 正交试验方案

表2所示为试验方案，方案中主要参数分别是电流、脉宽、频率以及氧气气压，每个参数下各设计4个水平。

表2 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 艺参数对切割质量的影响及分析

通过试验，记录数据(如表3所示)。

根据表3试验结果，通过计算得出极差分析表(如表4所示)，样品序号L1～L4为相应因素各水平值下的均值，R为各因素下最大值与最小值之差，该数值越大，表明对应参数对此项切割质量指标影响程度越大，相反，则对此项切割质量指标影响越小。

表3 试验方案与结果

表4 极差分析表

从表4可以看出，对于割缝宽度影响大小的主次顺序依次是电流、脉宽、氧气气压、频率，割缝宽度的最小工艺参数组合为电流135 A、脉宽0.80 ms、频率210 Hz、氧气气压0.3 MPa(A3B2C2D1)；对于 Ra影响大小主次顺序依次为脉宽、电流、频率、氧气气压，Ra最小的工艺参数组合为电流140 A、脉宽0.75 ms、频率205 Hz、氧气气压0.9 MPa(A4B1C1D4)；对于熔渣量影响大小主次顺序依次为电流、频率、脉宽、氧气气压，熔渣量最小的工艺参数组合为电流135 A、脉宽0.75 ms、频率210 Hz、氧气气压0.9 MPa(A3B1C2D4)。通过加工后数据可以看出，割缝宽度全部在0.414～0.511 mm，激光切割对割缝宽度的影响较小。考虑到激光切割效率，可以使用最大的电流和氧气气压来进行切割加工，但此方法不能保证切割质量。所以，在保证效率的同时，也要保证切割质量。综合考虑，对于切割2 mm的钕铁硼磁性材料板材，最佳工艺为电流135 A、脉宽0.75 ms、频率210 Hz、氧气气压0.9 MPa。

依据表4中的数据，绘制出工艺参数对割缝宽度、Ra和熔渣量的影响变化曲线如图4所示。从图4a中可以看出，随着电流的增加，熔渣量先随之增大，原因为当提高激光功率，钕铁硼吸收大量的热，导致熔融区域增大，熔渣量增加。随着激光功率的继续增加，切缝宽度、Ra和熔渣量呈现降低趋势。继续增大激光功率，材料吸收的热量增多，上部迅速升华，下部受到温度的影响发生熔化，导致熔融区域减小，切缝宽度随之减小，熔渣量也随着材料的迅速升华而减少。

从图4b中可以看出，随着脉宽的增加，割缝宽度、Ra和熔渣量总体看呈现增大趋势，是由于加工脉宽的增加，激光对钕铁硼的作用延长，导致钕铁硼吸收的热量相对增加，熔融区域增大，导致最终切缝宽度增大。在辅助气流的吹动下，一些粘度高的熔融物不易去除，熔融物在厚度方向上增多，氧气不易吹除，粘附于材料底部，导致挂渣增多，进而导致Ra增大。

从图4c中可以看出，同样随着加工频率的增加，割缝宽度、Ra和熔渣量逐渐增大。由于材料为烧结钕铁硼，在底部受到热辐射和氧化随着作用时间的增加而增多，由于熔融物粘度相对较高，不易去除，粘附于材料底部，导致挂渣增多，随之Ra也增大。

从图4d中可以看出，随着氧气气压的升高，割缝宽度呈现先增大后减小最后增大的趋势，宽度范围在0.414～0.511 mm，而熔渣量和Ra逐渐减小，这是由于随着氧气气压的升高，熔融物质去除率增加，挂渣减小，进而Ra减小。在切割加工过程中，产生的熔融物在一定程度上也会增大氧气吹除的阻力，工艺参数调整不恰当，往往会增大切割表面的Ra和熔渣量。在合适的切割工艺下，使用氧气吹除熔融物可减小Ra和熔渣量。

2.2 表面形貌分析

图5分别为三组参数下的切割质量形貌，不同的参数组合下的切割形貌有较大差异。图5a中对应参数为:电流 130 A、脉宽 0.90 ms、频率 210 Hz、氧气气压0.5 MPa；图5b中对应参数为:电流135 A、脉宽0.85 ms、频率 205 Hz、氧气气压 0.5 MPa；图 5c 中对应参数为:电流135 A、脉宽0.75 ms、频率215 Hz、氧气气压0.9 MPa。从图5a到图5b，电流从130 A增加到135 A，频率和脉宽减小，氧气气压保持不变，从图中可以看出，图5b的切割质量明显改善，割缝宽度较为均匀，电流的增大，使得钕铁硼材料吸收的热量增加，熔融物质以升华的形式去除，使得于材料的熔渣减少，进而Ra减小，加工区域受到熔融物的热量影响降低，此时割缝区域不会因为熔融物的热量而继续烧蚀，割缝宽度因此减小。从图5b到图5c，氧气气压从0.5 MPa升高至0.9 MPa，脉宽继续减小，电流保持不变。观察图5c，未出现熔渣粘结现象，割缝更加规整。增大氧气气压，氧气对熔融物的吹除率上升，熔渣较图5b减少，重熔物减小，Ra减小。

图6a为未激光加工切割截面宏观及微观形貌图，较为整齐，图6b为激光加工后切割截面宏观及微观形貌图。图中可以看出截面可分为光亮区和熔融区，由于激光的作用使得材料熔化，形成光亮区，光亮区切口较为光滑。熔融的钕铁硼流动性较差，未被氧气气流完全吹除，粘附于材料底部，重熔形成挂渣，形成下半部分的熔融区，图中观察熔融区较为粗糙，且有一定厚度。工艺参数不同，两个区域所占面积比例也不同。