嚴(yán)淼寧，周 磊，梁佳楠，曹永軍，張慶茂

（1.華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院，廣州 510006；2.廣州瑞通生物科技有限公司，廣州 510320；3.華南智能機(jī)器人創(chuàng)新研究院，廣東佛山 528399；4.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣州 510095）

0 引言

超彈鎳鈦合金具有高強(qiáng)度、高延展性、優(yōu)良的生物相容性和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、航空航天和電子行業(yè)[1-3]。鎳鈦合金可用來(lái)生產(chǎn)心血管支架、正畸絲、微型夾持器、傳感器等精密器件。在實(shí)際應(yīng)用中，制造這類微型器件需要對(duì)超彈鎳鈦合金進(jìn)行精密切割，才能滿足結(jié)構(gòu)、尺寸和性能的要求。但超彈鎳鈦合金對(duì)應(yīng)力、熱影響和機(jī)械張力的敏感性高，使用傳統(tǒng)刀具加工會(huì)嚴(yán)重磨損刀具，產(chǎn)品表面毛刺多，硬化嚴(yán)重，加工質(zhì)量不穩(wěn)定[4-6]。因此，鎳鈦合金切割需要使用特殊的加工技術(shù)，如電火花線切割和激光加工等[5,7-8]。電火花線切割是基于正極和負(fù)極之間火花放電的熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的去除。Hsieh等[9]發(fā)現(xiàn)，由于電火花線切割熱效應(yīng)區(qū)的硬化作用，超彈鎳鈦合金的形狀恢復(fù)能力下降。許金凱等[10]對(duì)線切割后的樣品進(jìn)行多次修邊切割，經(jīng)過(guò)5次修邊后，樣品的熱影響區(qū)減小了98.15%，形狀恢復(fù)能力良好，但存在需要進(jìn)行多次切割的缺點(diǎn)。電火花線切割的速度較慢，通常僅為十幾毫米每分鐘，而激光切割的速度可達(dá)數(shù)百毫米每分鐘[11]。激光加工是非接觸、精確和局部化的能量輸入，熱沖擊低，熱影響區(qū)小，特別適用于加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料，是切割超彈鎳鈦合金最有效的方法之一[12-13]。

鎳鈦合金對(duì)溫度變化非常敏感，微觀結(jié)構(gòu)的改變會(huì)顯著影響其表面質(zhì)量和力學(xué)性能。激光脈沖持續(xù)時(shí)間是影響金屬熱影響區(qū)的重要參數(shù)[8]。Biffi等[14]研究了飛秒和連續(xù)激光對(duì)切割鎳鈦合金微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明，使用超短脈沖激光切割的工件切口光滑，無(wú)掛渣現(xiàn)象，而連續(xù)激光切割的工件切口掛渣嚴(yán)重，切割精度低，熱影響區(qū)約250μm并存在非常明顯的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。使用超短脈沖激光切割鎳鈦合金有著較高的加工精度和表面質(zhì)量，但超短脈沖激光器穩(wěn)定性較差、價(jià)格較高，低功率的超短脈沖激光切割金屬速度較慢[8]。納秒光纖激光器有著光束質(zhì)量高、聚焦性強(qiáng)，脈沖能量高等優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，有著巨大的應(yīng)用潛力[15]。但是，其脈沖寬度在納秒范圍內(nèi)，因此加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)[15]。Liu等[16]對(duì)納秒光纖激光切割鎳鈦合金進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，優(yōu)化工藝參數(shù)可以減小工件的表面粗糙度，但仍存在明顯的切口掛渣問(wèn)題，必須通過(guò)打磨、超聲、酸洗等后處理才能去除。許多文獻(xiàn)都研究了激光切割鎳鈦合金切口掛渣的形成機(jī)理，但少有文獻(xiàn)涉及如何避免納秒光纖切割鎳鈦合金切口掛渣的形成。探究避免工件切口形成掛渣的方法，省去復(fù)雜的后處理過(guò)程，對(duì)提高生產(chǎn)效率具有較大意義。本文對(duì)納秒光纖激光精密切割超彈鎳鈦合金薄板工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究。采用納秒光纖激光對(duì)不同處理方式的鎳鈦合金板材進(jìn)行切割，探索熱處理制度對(duì)激光切割質(zhì)量的影響規(guī)律。通過(guò)微觀組織的觀察與分析，力學(xué)性能的評(píng)估，確定最佳的激光切割工藝參數(shù)和熱處理制度。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為Ni50.3Ti超彈鎳鈦合金板，其厚度為0.3 mm，尺寸規(guī)格為150 mm×30 mm×0.3 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）使用波長(zhǎng)為1 064 nm、輸出功率為1 500 W的納秒光纖切割機(jī)精密切割鎳鈦合金薄板。激光切割前，使用無(wú)水乙醇超聲清洗鎳鈦合金薄板去除油污。從器件小型化的角度來(lái)看，切割質(zhì)量主要把切縫寬度、切口是否掛渣和尺寸精度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)[8]。切割后對(duì)工件尺寸進(jìn)行檢測(cè)，使用光學(xué)顯微鏡觀察切割試件的切縫寬度、切面掛渣形貌等特征。

（2）通過(guò)XRD、SEM和EDS測(cè)試對(duì)鎳鈦薄板的物相組成、微觀形貌和成分分布進(jìn)行分析，分析切割過(guò)程火花劇烈、工件嚴(yán)重掛渣的原因。

（3）針對(duì)使用納秒光纖激光切割鎳鈦合金薄板產(chǎn)生較大火花、嚴(yán)重掛渣的問(wèn)題，對(duì)超彈鎳鈦合金薄板進(jìn)行熱處理。使用（1）中相同的工藝參數(shù)切割熱處理后的鎳鈦合金薄板。切割后對(duì)工件尺寸進(jìn)行檢測(cè)，使用光學(xué)顯微鏡觀察了切割工件的切面掛渣形貌。對(duì)切割的工件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，分析熱處理對(duì)鎳鈦板超彈性能的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 納秒光纖激光切割鎳鈦合金薄板工藝研究

實(shí)驗(yàn)使用1 500 W的精密IPG納秒光纖切割機(jī)對(duì)鎳鈦薄板進(jìn)行單線切割并測(cè)量其切縫寬度。激光功率、切割頻率、切割速度、脈寬、保護(hù)氣體類型和壓力是影響切口質(zhì)量的主要因素。較快的切割速度、較高的切割頻率以及短脈沖可減小切口掛渣的產(chǎn)生[16]。由于鎳鈦合金在高溫下易與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，因此切割鎳鈦合金時(shí)，使用氬氣作為保護(hù)氣體能避免鎳鈦合金發(fā)生氮化[17-18]。為了盡可能減少掛渣，氣體壓力保持在一個(gè)較高的水平。但是，考慮到在切割過(guò)程中必須避免工件彎曲，氣體壓力不能過(guò)高。綜合考慮以上影響因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后，選用表1的工藝參數(shù)可獲得較好的切口質(zhì)量。切割速度為25 mm/s，與許多參考文獻(xiàn)中使用的速度（小于10 mm/s）相比，有較大提高[16,19]。單線切割效果如圖1所示。正面的切縫寬度為0.118 5 mm，反面切縫寬度為0.117 7 mm。使用納秒光纖激光切割鎳鈦合金板產(chǎn)生的切縫寬度較小，能實(shí)現(xiàn)精密結(jié)構(gòu)的切割。

表1 納秒光纖激光切割鎳鈦板的工藝參數(shù)

圖1 納秒光纖激光單線切割效果圖

使用相同參數(shù)在鎳鈦板上切割下復(fù)雜圖形，工件尺寸如圖2所示。根據(jù)切縫寬度的大小約為0.12 mm，切割圖紙外輪廓線向外偏移0.06 mm，內(nèi)輪廓線向內(nèi)偏移0.06 mm，如圖2中紅色線條所示。在切割的過(guò)程中產(chǎn)生比較嚴(yán)重的火花。切割下來(lái)的工件的局部放大效果圖如圖3所示。從圖中可知，工件背面有金屬殘?jiān)w濺的情況，并且顆粒粘連不易脫落。工件切面存在明顯掛渣現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量，倒角半徑、中部寬邊和周邊窄邊尺寸均滿足圖紙要求。因此，使用納秒光纖激光切割鎳鈦薄板，可以滿足精密切割的尺寸精度要求。

圖2 激光切割鎳鈦工件加工圖紙

圖3 納秒光纖激光切割鎳鈦板工件的局部放大效果圖

2.2 鎳鈦板微觀組織觀察與分析

為了分析納秒光纖激光切割鎳鈦合金薄板產(chǎn)生劇烈火花、工件嚴(yán)重掛渣的原因，通過(guò)XRD測(cè)試、SEM測(cè)試和EDS測(cè)試對(duì)板材的物相組成、微觀形貌和元素成分分布進(jìn)行了分析。圖4所示為超彈鎳鈦合金薄板的XRD衍射花樣，掃描范圍為2θ=10°~90°。其主要物相為鎳鈦合金的母相B2相。此外，該鎳鈦板還有較多的Ti單質(zhì)。

圖4 鎳鈦合金薄板的XRD衍射花樣

圖5所示為鎳鈦合金薄板的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，表面平整度不高并存在較多缺陷。對(duì)切割下來(lái)的工件進(jìn)行了EDS線掃描，線掃描區(qū)域如圖6（a）所示。線掃描得到了元素C、Ni、Ti含量變化的線分布曲線，如圖6（b）所示。從圖中可以看出，鎳鈦板的Ni、Ti元素分布不均勻，存在局部富鈦區(qū)和富鎳區(qū)。此外，還存在一定的C雜質(zhì)。該雜質(zhì)可能來(lái)源于表面清潔不徹底，也可能來(lái)源于鎳鈦板本身的C雜質(zhì)元素。

圖5 鎳鈦合金薄板的掃描電鏡圖

圖6 鎳鈦合金工件線掃描測(cè)試

使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)切割下來(lái)的工件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，斷口的SEM圖像如圖7所示。從圖中可以看出，該斷口形貌主要為解理斷裂的河流花樣，局部有韌窩，表現(xiàn)為脆性斷裂與韌性斷裂的混合，脆性斷裂占主導(dǎo)地位。

圖7 鎳鈦合金切割工件斷口SEM圖像

結(jié)合XRD、SEM和EDS測(cè)試的結(jié)果，鎳鈦板存在Ti單質(zhì)、表面缺陷，成分不均等問(wèn)題。鎳鈦合金板的生產(chǎn)通常是通過(guò)真空感應(yīng)一次熔煉法或真空自耗爐熔煉法制造出鑄錠，再通過(guò)鍛造和多次軋制與退火，最終得到鎳鈦板材[20]。由于鎳鈦合金對(duì)成分和加工敏感性極高，鎳鈦合金板極易存在成分不均，雜質(zhì)與表面缺陷等問(wèn)題。

2.3 熱處理工藝對(duì)激光切割鎳鈦薄板質(zhì)量的影響

由于Ti的高反應(yīng)性會(huì)加劇氧化現(xiàn)象[21]，Ti單質(zhì)的存在是導(dǎo)致切割過(guò)程中產(chǎn)生較大火花、工件切口掛渣嚴(yán)重的主要原因。為了解決該問(wèn)題，把鎳鈦薄板加熱至450℃并保溫30 min，水冷并干燥后再使用納秒光纖激光進(jìn)行切割。熱處理后的鎳鈦板表面呈現(xiàn)黃色、藍(lán)色，分別為T(mén)i單質(zhì)被氧化成TiO、Ti3O5呈現(xiàn)的顏色[22]。熱處理后鎳鈦薄板X(qián)RD測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，通過(guò)熱處理后，衍射花樣沒(méi)有Ti單質(zhì)所形成的衍射峰。

圖8 熱處理后鎳鈦薄板的XRD衍射花樣

使用1 500 W的精密IPG納秒光纖激光器切割熱處理后的鎳鈦板。工藝參數(shù)與切割未熱處理的鎳鈦板一致，如表1所示。切割效果如圖9所示。工件背面無(wú)金屬殘?jiān)w濺的情況，切面不存在明顯掛渣現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量，倒角半徑、中部寬邊和周邊窄邊尺寸均滿足圖紙要求。結(jié)合XRD測(cè)試，說(shuō)明熱處理后能使鎳鈦板表面的Ti單質(zhì)氧化，可以減少激光切割過(guò)程中火花的產(chǎn)生，大大改善工件的掛渣問(wèn)題。

圖9 納秒光纖激光切割熱處理鎳鈦薄板的工件局部放大效果圖

為了探究熱處理對(duì)鎳鈦合金板超彈性能的影響，對(duì)切割工件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表2所示。從表中看出，熱處理后的工件在撓度為3.0 mm和2.0 mm時(shí)，力值更小，說(shuō)明鎳鈦合金通過(guò)熱處理后力值更加柔和。此外，永久變形量從0.17 mm減小到0.07 mm，表明熱處理后，切割工件的超彈性能有所提高。更加柔和的彎曲力和更加優(yōu)異的超彈性使鎳鈦合金更能滿足其在醫(yī)療器械、航空航天和電子行業(yè)的使用要求[23]。

表2 未熱處理與熱處理鎳鈦板切割工件三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用納秒光纖激光對(duì)超彈鎳鈦合金薄板進(jìn)行了精密切割，系統(tǒng)研究了激光切割工藝參數(shù)，熱處理工藝與切割質(zhì)量的關(guān)系。得到主要結(jié)論如下。

（1）使高功率、高頻率的納秒光纖激光切割鎳鈦薄板，可以滿足尺寸精度的要求，切割速度可達(dá)25 mm/s，對(duì)提高生產(chǎn)效率有重要意義。

（2）使用納秒光纖激光切割未經(jīng)處理的鎳鈦薄板，在較大壓力的氬氣氣氛中，仍產(chǎn)生劇烈的火花，切口掛渣較嚴(yán)重。由于鎳鈦合金對(duì)成分和加工敏感性極高，鎳鈦合金板極易存在成分不均等問(wèn)題。鎳鈦合金中存在的鈦單質(zhì)是導(dǎo)致切割過(guò)程中產(chǎn)生較大火花、工件切口掛渣嚴(yán)重的主要原因。

（3）熱處理能使鎳鈦板表面的Ti單質(zhì)氧化。采用對(duì)鎳鈦板先進(jìn)行熱處理，再使用納秒光纖激光切割的方法，在保證尺寸精度和切割速度的前提下，可以減少激光切割過(guò)程中火花的產(chǎn)生，很好地解決鎳鈦板切口掛渣的問(wèn)題。避免打磨、超聲、酸洗等復(fù)雜的后處理過(guò)程，對(duì)提高生產(chǎn)效率具有較大意義。同時(shí)，鎳鈦板通過(guò)熱處理后獲得了更柔和的彎曲力和更優(yōu)異的超彈性，更能滿足鎳鈦合金在醫(yī)療器械、航空航天和電子行業(yè)的使用要求。