纳秒光纤激光精密切割超弹镍钛合金薄板工艺技术的研究*
时间：2023-04-08 13:40:06 来源：千叶帆 本文已影响人
严淼宁，周 磊，梁佳楠，曹永军，张庆茂
（1.华南师范大学信息光电子科技学院，广州 510006；
2.广州瑞通生物科技有限公司，广州 510320；
3.华南智能机器人创新研究院，广东佛山 528399；
4.广东省科学院智能制造研究所，广州 510095）
超弹镍钛合金具有高强度、高延展性、优良的生物相容性和耐腐蚀等优点，广泛应用于医疗器械、航空航天和电子行业[1-3]。镍钛合金可用来生产心血管支架、正畸丝、微型夹持器、传感器等精密器件。在实际应用中，制造这类微型器件需要对超弹镍钛合金进行精密切割，才能满足结构、尺寸和性能的要求。但超弹镍钛合金对应力、热影响和机械张力的敏感性高，使用传统刀具加工会严重磨损刀具，产品表面毛刺多，硬化严重，加工质量不稳定[4-6]。因此，镍钛合金切割需要使用特殊的加工技术，如电火花线切割和激光加工等[5,7-8]。电火花线切割是基于正极和负极之间火花放电的热效应来实现材料的去除。Hsieh等[9]发现，由于电火花线切割热效应区的硬化作用，超弹镍钛合金的形状恢复能力下降。许金凯等[10]对线切割后的样品进行多次修边切割，经过5次修边后，样品的热影响区减小了98.15%，形状恢复能力良好，但存在需要进行多次切割的缺点。电火花线切割的速度较慢，通常仅为十几毫米每分钟，而激光切割的速度可达数百毫米每分钟[11]。激光加工是非接触、精确和局部化的能量输入，热冲击低，热影响区小，特别适用于加工高硬度、高脆性及高熔点的材料，是切割超弹镍钛合金最有效的方法之一[12-13]。
镍钛合金对温度变化非常敏感，微观结构的改变会显著影响其表面质量和力学性能。激光脉冲持续时间是影响金属热影响区的重要参数[8]。Biffi等[14]研究了飞秒和连续激光对切割镍钛合金微观结构和性能的影响，结果表明，使用超短脉冲激光切割的工件切口光滑，无挂渣现象，而连续激光切割的工件切口挂渣严重，切割精度低，热影响区约250µm并存在非常明显的晶粒长大现象。使用超短脉冲激光切割镍钛合金有着较高的加工精度和表面质量，但超短脉冲激光器稳定性较差、价格较高，低功率的超短脉冲激光切割金属速度较慢[8]。纳秒光纤激光器有着光束质量高、聚焦性强，脉冲能量高等优异的性能，广泛应用于各领域，有着巨大的应用潜力[15]。但是，其脉冲宽度在纳秒范围内，因此加工过程会产生一定的热效应[15]。Liu等[16]对纳秒光纤激光切割镍钛合金进行了研究，研究结果表明，优化工艺参数可以减小工件的表面粗糙度，但仍存在明显的切口挂渣问题，必须通过打磨、超声、酸洗等后处理才能去除。许多文献都研究了激光切割镍钛合金切口挂渣的形成机理，但少有文献涉及如何避免纳秒光纤切割镍钛合金切口挂渣的形成。探究避免工件切口形成挂渣的方法，省去复杂的后处理过程，对提高生产效率具有较大意义。本文对纳秒光纤激光精密切割超弹镍钛合金薄板工艺进行系统研究。采用纳秒光纤激光对不同处理方式的镍钛合金板材进行切割，探索热处理制度对激光切割质量的影响规律。通过微观组织的观察与分析，力学性能的评估，确定最佳的激光切割工艺参数和热处理制度。
1.1 实验材料
实验材料为Ni50.3Ti超弹镍钛合金板，其厚度为0.3 mm，尺寸规格为150 mm×30 mm×0.3 mm。
1.2 实验方法
（1）使用波长为1 064 nm、输出功率为1 500 W的纳秒光纤切割机精密切割镍钛合金薄板。激光切割前，使用无水乙醇超声清洗镍钛合金薄板去除油污。从器件小型化的角度来看，切割质量主要把切缝宽度、切口是否挂渣和尺寸精度作为衡量标准[8]。切割后对工件尺寸进行检测，使用光学显微镜观察切割试件的切缝宽度、切面挂渣形貌等特征。
（2）通过XRD、SEM和EDS测试对镍钛薄板的物相组成、微观形貌和成分分布进行分析，分析切割过程火花剧烈、工件严重挂渣的原因。
（3）针对使用纳秒光纤激光切割镍钛合金薄板产生较大火花、严重挂渣的问题，对超弹镍钛合金薄板进行热处理。使用（1）中相同的工艺参数切割热处理后的镍钛合金薄板。切割后对工件尺寸进行检测，使用光学显微镜观察了切割工件的切面挂渣形貌。对切割的工件进行三点弯曲测试，分析热处理对镍钛板超弹性能的影响。
2.1 纳秒光纤激光切割镍钛合金薄板工艺研究
实验使用1 500 W的精密IPG纳秒光纤切割机对镍钛薄板进行单线切割并测量其切缝宽度。激光功率、切割频率、切割速度、脉宽、保护气体类型和压力是影响切口质量的主要因素。较快的切割速度、较高的切割频率以及短脉冲可减小切口挂渣的产生[16]。由于镍钛合金在高温下易与氮气发生反应，因此切割镍钛合金时，使用氩气作为保护气体能避免镍钛合金发生氮化[17-18]。为了尽可能减少挂渣，气体压力保持在一个较高的水平。但是，考虑到在切割过程中必须避免工件弯曲，气体压力不能过高。综合考虑以上影响因素，通过实验对工艺参数进行优化，最后，选用表1的工艺参数可获得较好的切口质量。切割速度为25 mm/s，与许多参考文献中使用的速度（小于10 mm/s）相比，有较大提高[16,19]。单线切割效果如图1所示。正面的切缝宽度为0.118 5 mm，反面切缝宽度为0.117 7 mm。使用纳秒光纤激光切割镍钛合金板产生的切缝宽度较小，能实现精密结构的切割。
表1 纳秒光纤激光切割镍钛板的工艺参数
图1 纳秒光纤激光单线切割效果图
使用相同参数在镍钛板上切割下复杂图形，工件尺寸如图2所示。根据切缝宽度的大小约为0.12 mm，切割图纸外轮廓线向外偏移0.06 mm，内轮廓线向内偏移0.06 mm，如图2中红色线条所示。在切割的过程中产生比较严重的火花。切割下来的工件的局部放大效果图如图3所示。从图中可知，工件背面有金属残渣飞溅的情况，并且颗粒粘连不易脱落。工件切面存在明显挂渣现象。通过测量，倒角半径、中部宽边和周边窄边尺寸均满足图纸要求。因此，使用纳秒光纤激光切割镍钛薄板，可以满足精密切割的尺寸精度要求。
图2 激光切割镍钛工件加工图纸
图3 纳秒光纤激光切割镍钛板工件的局部放大效果图
2.2 镍钛板微观组织观察与分析
为了分析纳秒光纤激光切割镍钛合金薄板产生剧烈火花、工件严重挂渣的原因，通过XRD测试、SEM测试和EDS测试对板材的物相组成、微观形貌和元素成分分布进行了分析。图4所示为超弹镍钛合金薄板的XRD衍射花样，扫描范围为2θ=10°~90°。其主要物相为镍钛合金的母相B2相。此外，该镍钛板还有较多的Ti单质。
图4 镍钛合金薄板的XRD衍射花样
图5所示为镍钛合金薄板的扫描电镜图，从图中可以看出，表面平整度不高并存在较多缺陷。对切割下来的工件进行了EDS线扫描，线扫描区域如图6（a）所示。线扫描得到了元素C、Ni、Ti含量变化的线分布曲线，如图6（b）所示。从图中可以看出，镍钛板的Ni、Ti元素分布不均匀，存在局部富钛区和富镍区。此外，还存在一定的C杂质。该杂质可能来源于表面清洁不彻底，也可能来源于镍钛板本身的C杂质元素。
图5 镍钛合金薄板的扫描电镜图
图6 镍钛合金工件线扫描测试
使用万能试验机对切割下来的工件进行拉伸实验，断口的SEM图像如图7所示。从图中可以看出，该断口形貌主要为解理断裂的河流花样，局部有韧窝，表现为脆性断裂与韧性断裂的混合，脆性断裂占主导地位。
图7 镍钛合金切割工件断口SEM图像
结合XRD、SEM和EDS测试的结果，镍钛板存在Ti单质、表面缺陷，成分不均等问题。镍钛合金板的生产通常是通过真空感应一次熔炼法或真空自耗炉熔炼法制造出铸锭，再通过锻造和多次轧制与退火，最终得到镍钛板材[20]。由于镍钛合金对成分和加工敏感性极高，镍钛合金板极易存在成分不均，杂质与表面缺陷等问题。
2.3 热处理工艺对激光切割镍钛薄板质量的影响
由于Ti的高反应性会加剧氧化现象[21]，Ti单质的存在是导致切割过程中产生较大火花、工件切口挂渣严重的主要原因。为了解决该问题，把镍钛薄板加热至450℃并保温30 min，水冷并干燥后再使用纳秒光纤激光进行切割。热处理后的镍钛板表面呈现黄色、蓝色，分别为Ti单质被氧化成TiO、Ti3O5呈现的颜色[22]。热处理后镍钛薄板XRD测试结果如图8所示。从图中可见，通过热处理后，衍射花样没有Ti单质所形成的衍射峰。
图8 热处理后镍钛薄板的XRD衍射花样
使用1 500 W的精密IPG纳秒光纤激光器切割热处理后的镍钛板。工艺参数与切割未热处理的镍钛板一致，如表1所示。切割效果如图9所示。工件背面无金属残渣飞溅的情况，切面不存在明显挂渣现象。通过测量，倒角半径、中部宽边和周边窄边尺寸均满足图纸要求。结合XRD测试，说明热处理后能使镍钛板表面的Ti单质氧化，可以减少激光切割过程中火花的产生，大大改善工件的挂渣问题。
图9 纳秒光纤激光切割热处理镍钛薄板的工件局部放大效果图
为了探究热处理对镍钛合金板超弹性能的影响，对切割工件进行三点弯曲实验。结果如表2所示。从表中看出，热处理后的工件在挠度为3.0 mm和2.0 mm时，力值更小，说明镍钛合金通过热处理后力值更加柔和。此外，永久变形量从0.17 mm减小到0.07 mm，表明热处理后，切割工件的超弹性能有所提高。更加柔和的弯曲力和更加优异的超弹性使镍钛合金更能满足其在医疗器械、航空航天和电子行业的使用要求[23]。
表2 未热处理与热处理镍钛板切割工件三点弯曲实验结果
本文采用纳秒光纤激光对超弹镍钛合金薄板进行了精密切割，系统研究了激光切割工艺参数，热处理工艺与切割质量的关系。得到主要结论如下。
（1）使高功率、高频率的纳秒光纤激光切割镍钛薄板，可以满足尺寸精度的要求，切割速度可达25 mm/s，对提高生产效率有重要意义。
（2）使用纳秒光纤激光切割未经处理的镍钛薄板，在较大压力的氩气气氛中，仍产生剧烈的火花，切口挂渣较严重。由于镍钛合金对成分和加工敏感性极高，镍钛合金板极易存在成分不均等问题。镍钛合金中存在的钛单质是导致切割过程中产生较大火花、工件切口挂渣严重的主要原因。
（3）热处理能使镍钛板表面的Ti单质氧化。采用对镍钛板先进行热处理，再使用纳秒光纤激光切割的方法，在保证尺寸精度和切割速度的前提下，可以减少激光切割过程中火花的产生，很好地解决镍钛板切口挂渣的问题。避免打磨、超声、酸洗等复杂的后处理过程，对提高生产效率具有较大意义。同时，镍钛板通过热处理后获得了更柔和的弯曲力和更优异的超弹性，更能满足镍钛合金在医疗器械、航空航天和电子行业的使用要求。
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