吳　迪，王續(xù)躍

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

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氧化鋯陶瓷板激光切割熔化物顆粒形態(tài)研究

吳迪，王續(xù)躍*

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

本文設計了一套加工裝置，對氧化鋯陶瓷板激光切割的熔化物顆粒進行收集，并采用Imagine-Pro Pluse(IPP)圖像處理軟件對熔化物顆粒的形態(tài)(數(shù)量、形狀、平均直徑、標準差及其分布情況)進行研究。通過氣熔比控制方法，對板厚分別為0.8 mm、1 mm、1.5 mm、3 mm的氧化鋯陶瓷板進行激光切割實驗。實驗結(jié)果表明：不同板厚參數(shù)下，球形熔化物顆粒所占百分比范圍從99.21%降到89.81%，圓餅形從0.79%升至7.44%，啞鈴形從0升至2.75%。隨著板厚的增加，圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比增大，球形顆粒所占百分比降低，球形顆粒平均直徑和標準差隨之增大，切面粗糙度由2.287 μm增加到5.946 μm。建立了熔化物去除幾何模型，闡述了熔化物顆粒與切割質(zhì)量的關系，球形顆粒所占的百分比越大，平均直徑和標準差越小，切割質(zhì)量越好，最終獲得質(zhì)量較高切割樣件。

激光切割；氧化鋯陶瓷；熔化物顆粒；圖像處理

1　引　言

氧化鋯陶瓷熔點高、硬度大、耐腐蝕、抗熱震性能良好、導熱系數(shù)和摩擦系數(shù)低，在汽車、生物醫(yī)學等領域具有廣泛的應用[1]。脈沖激光切割陶瓷材料主要去除形態(tài)為熔化和氣化，氣化部分直接逸出基體材料，而熔化部分在輔助吹氣的作用下脫離基體材料，未被吹出部分在切面上形成重鑄層，在切縫下端形成掛渣[2-4]?；跉馊郾瓤刂频募す饩芮懈罘椒ń沂玖饲懈钋把貧饣锖腿刍锏膬?nèi)在狀態(tài)，建立了氣熔比與切割質(zhì)量的內(nèi)在聯(lián)系[5-6]。Imagine-Pro Plus(IPP)是功能強大和完善的圖像分析軟件，具有圖像采集、處理、增強和分析等異常豐富的測量和定制功能。

激光切割過程中熔化物的去除和最終成型狀態(tài)對切割質(zhì)量有著重要的影響。目前關于激光切割過程中的熔化物去除機理及熔化物顆粒形態(tài)，國內(nèi)外學者都進行了相關研究。Dabby[7]等人研究了激光切割過程中固體材料的氣化和爆炸去除現(xiàn)象，對此建模分析，并指出在高激光能量密度情況下材料能夠發(fā)生爆炸去除。Quintero[8]等人研究了脈沖激光熔化切割陶瓷材料的材料去除機理，運用質(zhì)量、動量和能量三大定律建立切割數(shù)學模型，獲得材料去除率的數(shù)值解并對不同頻率和脈寬下的熔化層厚度進行數(shù)值模擬。Lobo[9]等人研究了激光加工工藝參數(shù)對激光切割低碳鋼板過程中產(chǎn)生的熔化物顆粒的影響，并指出微米級的顆粒直徑直接關系到切割質(zhì)量，對切縫邊緣表面粗糙度，切縫寬度，熱影響區(qū)寬度有很大的影響。Schulz[10]等人研究了激光切割過程中條紋的形成以及熔化物的流動，并指出切割前沿材料表面張力的作用可忽略，但在熔化材料切割前沿下端開始脫離基體時，其影響開始占據(jù)主導地位。Cabanillas[11]等人觀測了激光加工過程中形成的熔化物顆粒，他們指出激光切割能夠獲得球形金屬顆粒，這些球形金屬顆粒可應用于粉末制備行業(yè)。Yilbas[12]等人采用模塊化參數(shù)分析的方法建模，預測了熔化層厚度和熔化物顆粒的大小。并采用SEM和XRD對熔化物顆粒的微觀形貌和物相進行分析。國內(nèi)對于熔化物顆粒的研究較少，黃開金[13]等人研究了不銹鋼管材的熔化物顆粒形貌，并指出了飛行距離不同導致了飛渣形貌由薄餅狀過渡到類似球狀顆粒。王彥飛[14-15]等人采用了IPP圖像處理軟件研究了激光切割鋁合金薄板熔化物顆粒形狀及特征尺寸分布，初步建立了熔化物去除模型，闡述了熔化物去除與切割質(zhì)量的緊密關系。

目前國內(nèi)外研究大多是激光切割工藝參數(shù)對熔化物顆粒的影響，很少有探究材料參數(shù)對熔化物顆粒以及切割質(zhì)量的影響。本文采用基于圖像處理的方法，對激光切割氧化鋯陶瓷板在不同板厚下的熔化物顆粒數(shù)量、形狀、球形顆粒平均直徑及標準差進行分析，進一步對熔化物去除機理進行闡述。

2　氧化鋯陶瓷板激光切割試驗方法

2.1試驗材料與參數(shù)

試驗材料為部分穩(wěn)定氧化鋯(3Y-TZP)陶瓷板，厚度分別選取為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3 mm，試件尺寸為100 mm×100 mm。其主要化學成分和物理參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1　(3Y-TZP)氧化鋯陶瓷化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2　(3Y-TZP)氧化鋯陶瓷熱物理參數(shù)

2.2試驗設備與方法

實驗設備為JK701H型Nd∶YAG固體脈沖激光器，激光波長1.064 μm，聚焦光斑直徑為0.2 mm。試驗裝置如圖1所示，收集箱尺寸300 mm×180 mm×160 mm，用鋁箔紙將激光頭與收集箱密封，在收集箱兩側(cè)開30 mm×30 mm的通氣口，并用目數(shù)為325(孔徑45 μm)鐵網(wǎng)覆蓋，氧化鋯陶瓷板試件懸空固定于收集箱中，激光頭在其上方做往復直線切割，為了避免熱量累積造成的熱影響區(qū)過大，每道切割間隔2 min，切割長度共計2.250 mm。切割時所用的高壓輔助氣體為氬氣，采用同軸吹氣方式，材料氣化部分逸出裝置，大于45 μm的熔化物顆粒保留在收集裝置內(nèi)部。切割工藝參數(shù)如表3所示。

圖1　激光切割裝置示意圖 Fig.1　Setup photo of laser cutting

參數(shù)數(shù)值頻率/Hz30離焦量/mm0脈沖寬度/ms2輔助吹氣壓力/MPa0.8

實驗結(jié)束后，采用FA2004電子分析天平測量收集到的去除熔化顆粒質(zhì)量Mp,掛渣質(zhì)量Ms以及試件加工前后的質(zhì)量M1,M2。其氣化質(zhì)量Mv和熔化質(zhì)量Mm都受到板厚的影響，這樣可測得氣熔比Rvmr為:

(1)

在激光功率、掃描速度、輔助吹氣壓力均保持不變的情況下，不同板厚獲得的不同氣熔比值，如表4所示。

表4　不同板厚及不同工藝參數(shù)下的氣熔比值

同時，采用NewView5022型表面輪廓儀測量切面粗糙度，測量位置為切面中間部位。

3　圖像處理步驟與評價結(jié)果

3.1熔化物顆粒圖像處理步驟

圖2為超景深顯微鏡放大200倍下拍攝的不同板厚的熔化物照片，圖2(a)～2(d)分別為0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、3 mm板厚下的熔化物顆粒照片。可見熔化物顆粒主要為球形、圓餅形，當板厚增加到1.5 mm時，出現(xiàn)啞鈴形顆粒。球形顆粒和圓餅形顆粒直徑分布于十幾微米到上百微米,其中球形顆粒與切割質(zhì)量有著密切的關系，故本文采用IPP軟件對熔化物顆粒進行處理，以獲得不同板厚下球形、圓餅形、及啞鈴形顆粒的個數(shù)，以及球形顆粒平均直徑、標準差及分布情況。

圖2　不同板厚下的顯微圖像 Fig.2　Microscopic images at different thickness

以板厚為1.5 mm的熔化物顆粒顯微照片為例演示IPP圖像處理的過程。首先，為了更清晰地辨識顆粒邊緣，對圖像進行反差增強處理，并添加與顯微圖像上100 μm標尺同樣長度的標尺，這樣標尺校正以后可將圖片像素單位轉(zhuǎn)換成實際長度單位，供軟件識別以及后續(xù)測量獲得實際幾何尺寸測量數(shù)據(jù)，如圖3(a)所示。采用魔法棒與人工干預的方法對每個球形顆粒進行選擇，使之成為一個感興趣區(qū)域進行測量，如圖3(b)所示。顆粒標識時為了保證其準確性設定如下準則：(1)顯微圖像邊緣不完整的球形顆粒不予標識；團聚顆粒不予標識；(2)相互重疊的顆粒，為了軟件將標識線的重疊識別為一個顆粒，可將標識線移到空白區(qū)域。軟件會自動識別標識區(qū)域，并進行計數(shù)和測量。圖3(c)為軟件處理后的計算結(jié)果，可得到：球形、圓餅形及啞鈴形顆粒的個數(shù)，球形顆粒的平均直徑、周長、面積等參數(shù)。

圖3　熔化物球形顆粒顯微圖像處理過程 Fig.3　Processing of spherical melt particles microscopic image

3.2熔化物顆粒評價結(jié)果

樣本的選取對圖像處理的結(jié)果有直接的影響，為保證統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準確性，每個樣本數(shù)量需足夠多，并使每個樣本數(shù)量保持同一數(shù)量級。為此，在超景深顯微鏡下對板厚為3 mm的熔化物顆粒進行兩次拍照。依照上述步驟，利用IPP軟件對不同板厚下的熔化物顆粒圖像進行處理。板厚為0.8 mm時，樣本顆粒數(shù)為383個；板厚為1.0 mm時，樣本顆粒數(shù)為396個；板厚為1.5 mm時，樣本顆粒數(shù)為359個；板厚為1.5 mm時，兩幅照片的顆粒分別為167和196，共計363個。不同板厚下的樣本顆?；咎幱谕凰健１?為相同能量密度輸入、不同板厚下各形狀顆粒數(shù)量。

表5　不同板厚下不同形狀顆粒個數(shù)

圖4　球形顆粒分布直方圖 Fig.4　Distribution of spherical melt particles

板厚為1.5 mm的有效測量顆粒個數(shù)為359個，其中球形熔化物顆粒341個，圓餅形顆粒16個，啞鈴形顆粒2個。球形顆粒平均直徑為108.95 μm，其中最大顆粒直徑為230.65 μm，最小顆粒直徑為14.64 μm，顆粒直徑的標準差為38.68 μm。圖4為1.5板厚下球形顆粒直徑分布直方圖。可見，球形顆粒直徑主要分布在50～194 μm之間，直徑在122～158 μm之間分布數(shù)量最多，達到了107個。不同板厚參數(shù)下，數(shù)量足夠多且處于同一水平的樣本，其平均值和標準差能夠反映總體的平均狀態(tài)和波動情況。

圖5為不同板厚對各形顆粒所占百分比的影響，可見隨著板厚的增加，球形顆粒所占百分比降低，圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比隨之增加。如在板厚為0.8 mm時，球形顆粒所占百分比為99.21%，圓餅形顆粒為0.79%。而當板厚增加到3 mm時，球形顆粒所占百分比降低到89.81%,圓餅形顆粒增加到7.44%，啞鈴形顆粒增加到2.75%。

圖5　板厚對各形狀熔化物顆粒所占百分比的影響 Fig.5　Effect of thickness on percentage of different melt particles

圖6　板厚對球形顆粒平均直徑和標準差的影響 Fig.6　Effect of thickness on average diameter of particles and standard

4　圖像處理結(jié)果分析與討論

4.1熔化物顆粒形成機理

圖7　熔化物去除幾何模型 Fig.7　Geometric model of removal melt

如圖7所示，氧化鋯陶瓷材料在激光的作用下，迅速發(fā)生氣化和熔化，有少量材料剝離去除，氣化部分逸出基體，熔化材料在切縫表面形成一層厚度不均的熔化層，在輔助吹氣和氣化反沖壓力的作用下，克服熔化物間的粘性摩擦力，沿著平行于切割前沿的方向向下流動[16]。本實驗采用同軸吹氣方式，故輔助吹氣和熔化材料是同向平行流動的，兩者速度并不相同。由Kelvin-Helmholtz(K-H)不穩(wěn)定性理論可知，輔助吹氣和熔化物流動是不穩(wěn)定的，其氣液界面會出現(xiàn)擾動，這些小的擾動會線性和弱非線性的增長，波動增大到一定程度以后，在表面波和表面張力的作用下，波動液體會從液面上脫離并形成熔滴，去除熔化物發(fā)生第一次破碎[15]。熔滴的直徑dD為：

(2)

式中，δL為熔化物破碎前的熔化物直徑，μL為熔化物表面張力，ρL為熔化物濃度。

從熔化層脫離的熔滴速度仍低于輔助吹氣，部分體積較大的熔滴會發(fā)生二次破碎，一方面是由于輔助吹氣對其施加的正壓力和摩擦力導致其變形直至破碎，另一方面熔滴在運動過程中自身也具有一定的角動量，當角速度大到一定程度時，在離心力的作用下熔滴將會破碎，這兩者共同作用下造成了部分體積較大的熔滴的二次破碎。當奧內(nèi)佐格數(shù)Z2<1時，二次破碎停止，熔滴趨于穩(wěn)定狀態(tài)[11]。 二次破碎后的熔滴直徑ds為：

(3)

圖8為超景深顯微鏡下觀測到的啞鈴型顆粒，此種形態(tài)為二次破碎的中間狀態(tài)，經(jīng)快速冷卻被保留下來。板厚3 mm時，啞鈴型顆粒占全部顆粒2.75%，證明了激光切割氧化鋯陶瓷板過程中熔化物的去除存在二次破碎現(xiàn)象。二次破碎發(fā)生后，在表面張力作用下形成尺寸較小的子熔滴，經(jīng)過一系列這樣的過程，大熔滴破碎成很多的小熔滴。

圖8　啞鈴形顆粒 Fig.8　Dumbbell-shaped particles

4.2板厚對熔化物顆粒形狀及球形顆粒尺寸的影響

熔化物顆粒形狀主要取決于熔滴尺寸大小，飛行距離、冷凝時間等因素。對于飛行距離相同的熔滴，小尺寸熔滴飛行中完全凝固，易于形成球形顆粒，大尺寸熔滴需冷卻時間長，在熔滴撞擊收集箱內(nèi)壁時仍保持較高溫度，易于沿徑向均勻攤開，形成圓餅狀顆粒[13]。由表4可知，隨著板厚的增加，氣熔比隨之減小，材料氣化比例減小，熔化比例增大，熔化材料量增大，易于形成大尺寸熔滴，故圓餅形顆粒所占百分比隨著板厚的增加而增大。且大尺寸熔滴更易于發(fā)生二次破碎，故而作為二次破碎中間狀態(tài)的啞鈴型顆粒所占百分比亦隨著板厚的增加而增大。

板厚對球形熔化物顆粒平均直徑的影響主要是由于隨著板厚的增加，一方面氣熔比減小材料熔化量增大，d隨之增大；另一方面由于激光能量在板厚方向上衰減，溫度亦呈現(xiàn)遞減的趨勢，表面張力μm隨之增大，故而隨著板厚的增加熔化物顆粒直徑dD隨之增大。板厚對球形熔化物顆粒直徑標準差的影響原因如下：從實驗結(jié)果來看，隨著板厚的增加，熔化物的去除過程中更易于發(fā)生二次破碎，形成許多更小尺寸顆粒，球形顆粒直徑尺寸分布離散程度增大，最終導致隨著板厚的增加，熔化物顆粒直徑的標準差隨之增大。

4.3熔化物顆粒對切割質(zhì)量的影響

由圖9可知，隨著球形熔化物顆粒平均直徑的增加，切面粗糙度增大。當板厚為0.8 mm，即球形顆粒所占百分比為99.21%，平均直徑為46.52 μm，標準差為9.09 μm時，切面粗糙度為2.287 μm；當板厚增加到3 mm，即球形顆粒所占百分比降低到89.81%,平均直徑增加到123.14 μm，標準差增加到56.9 μm時，切面粗糙度為5.946 μm。由試驗結(jié)果可知，熔化物顆粒中圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比越小，球形顆粒所占的百分比越大，直徑平均值和標準差越小，切面粗糙度越小，切割質(zhì)量越好。球形顆粒平均直徑和標準差即顆粒直徑的平均大小和分布的離散程度，反映了熔化物去除過程的波動情況，球形顆粒平均直徑和標準差越小，切割過程中熔化物去除過程波動越小，切割質(zhì)量越好。圖10為試驗在板厚為0.8 mm時獲得的較高質(zhì)量樣件，切面較光滑，切面粗糙度為2.287 μm，切縫底部無掛渣。

圖9　球形熔化物顆粒平均直徑對切面粗糙度的影響 Fig.9　Effect of mean spherical melt particles diameter on roughness of kerf surface

圖10　高質(zhì)量切割樣件 Fig.10　High quality cutting sheet

5　結(jié)　論

針對氧化鋯陶瓷激光切割熔化物顆粒，基于IPP圖像處理技術探究了板厚對熔化物顆粒形狀及球形顆粒直徑平均值、標準差的影響。建立了熔化物去除模型，加深了對激光切割過程中熔化物去除機理的認識，本文主要得到以下結(jié)論：

(1)熔化物顆粒主要為球形，并有少量圓餅形和啞鈴型顆粒。隨著板厚的增加，球形顆粒所占百分比降低，圓餅形和啞鈴形顆粒所占百分比隨之增加。在板厚為0.8 mm時，球形顆粒所占百分比為99.21%，圓餅形顆粒為0.79%。而當板厚增加到3 mm時，球形顆粒所占百分比降低到89.81%,圓餅形顆粒增加到7.44%，啞鈴形顆粒增加到2.75%。

(2)隨著板厚增加，球形顆粒平均直徑和標準差均隨之增大。由0.8 mm增加到3 mm，球形顆粒平均直徑由46.52 μm增加到123.14 μm；標準差由9.09 μm增加到56.9 μm；切面粗糙度由2.287 μm增加到5.946 μm。球形顆粒所占的百分比越大，平均直徑和標準差越小，切面粗糙度越小，切割質(zhì)量越好。

(3)根據(jù)開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定理論建立熔化物去除幾何模型，指出了激光切割過程中，熔化物去除存在一次破碎和二次破碎兩個過程，對切割質(zhì)量有直接的影響，最終獲得較高質(zhì)量的切割樣件。同時，本論文的研究方法和結(jié)論對其他脆性材料的激光切割質(zhì)量研究提供了一定的理論依據(jù)。

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Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic

WU Di, WANG Xu-yue*

(College of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)*Correspondingauthor,E-mail:wbzzd@dlut.edu.cn

A set of processing device is designed to collect the melt particles during laser cutting zirconia ceramic. The melt particles morphology including quantity, shape, mean dimeter, standard deviation, and distribution are studied using the image processing software of Imagine-Pro Pluse(IPP). Various cutting experiments with different ceramic thicknesses(0.8 mm, 1.0 mm, 1.5 mm and 3 mm) are taken based on controlling of vapor-to-melt ratio. Results of IPP observation show that, with the ceramic thickness increased, the percentage of spherical molten particles is declined from 99.21% to 89.81%, while the cakey and dumbbell shaped molten particles are ascended from 0.79% to 7.44% and 0 to 2.75% respectively, and the mean and standard deviation of spherical melt particles diameter also are enlarged. Simultaneously, with the increasing of mean and standard deviation of spherical particle diameter, the roughness of kerf surface is deteriorated from 2.287 μm to 5.946 μm. The establishment of geometric model reveals the connection between the form of removal molten particles and cutting quality. The larger the percentage of spherical molten particles, the smaller the mean diameter and standard deviation, and then the better the cutting quality. The high quality cutting sheet is achieved finally.

laser cutting;zirconia ceramic;molten particles;image processing

2016-04-19；

2016-05-13

國家自然科學基金資助項目(No.50975041，No.51375073,No.51321004)

2095-1531(2016)05-0554-09

TN249

Adoi:10.3788/CO.20160905.0554

吳迪(1990—)，男，吉林長春人，碩士研究生，主要從事激光切割方面的研究。E-mail：wudisuper@126.com

王續(xù)躍(1960—)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事特種加工和精密加工方面的研究。E-mail：wbzzd@dlut.edu.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.50975041，No.51375073,No.51321004)