超声辅助浸液式厚不锈钢电火花线切割工艺研究

周鹏辉，张凯雪，方文卿，曹 盛，杨超普，万 俊

（ 南昌大学国家硅基LED 工程技术研究中心，江西南昌 330046 ）

奥氏体不锈钢316 L 具有良好的抗腐性及延展性，已成为制造半导体高真空设备及超纯管道的主要金属材料[1]。 往复走丝电火花线切割工艺可切割316L 不锈钢，该工艺不仅具有成本低、对工件外形无要求等特点，还具有切割面无毛刺、能减少残余气体吸附的优点。 然而，当不锈钢厚度超过300 mm时，采用该工艺进行切割的难度很大（图1）。 因此，有人针对具有复杂形腔结构的反应管加工，不得不采用了抗蚀性差的真空钎焊工艺并由此导致一条原本具有较佳性能的半导体生产线在扩大规模时失去其竞争力[2]。

本单位购置了一台最大切割厚度可达1 m 的某品牌HF-1000 型电火花线切割加工机床并使用该机床竖直加工冷却水道（图1），在加工前专门为机床X、Y 轴加装光栅尺，以保证经前道工序进行精密电火花小孔加工的工件不报废，但在切割过程发现，随着切割厚度的增加，短路愈发频繁，尽管对脉宽与脉间、跟踪灵敏度、变频、电流、切割液和钼丝直径等常规切割参数进行了反复调整，但切割效果均未取得有效改进，最明显的问题特征是机床无法及时发现短路，需回退很远（大于1000 μm）才能退出短路状态。

图1 冷却水道工件浸入切割液并辅加超声去屑的示意图

图1 显示了GaN 外延设备中的多层气体输运喷头实物。 喷头直径约300 mm，进氨孔2 和进镓孔3 的直径均为0.6 mm，均已采用电火花小孔加工机床加工。 该工件整体采用电火花加工技术镂制而成，未采用真空钎焊，故可从进氯孔4 实现氯气在线清洗。 生产规模扩大，需更大直径的喷头，但大直径喷头售价昂贵，比如喷头直径达到400 mm 时，一个真空钎焊喷头售价曾达百万元。 为此，团队希望图1 所示喷头的直径扩大到500 mm， 并根据图1右侧设计图示意的将模拟工件浸入切割液，辅加超声清洗工艺，以加强冷却和排屑的效果并减少短路次数，使厚不锈钢的切割加工能顺利进行下去（只要求精度为±0.1 mm）。

研究时，先从机床本身入手。 目前的单向走丝浸液式电火花线切割机床，其最大切割厚度不超过400 mm，但机床价格是往复走丝电火花线切割机床的约50 倍， 并且单向走丝工艺可能并不适合作圆周切割[3]。 此外，目前相关文献中也尚无关于钼丝长度与切割能效关系的实测数据。 为此，本文利用电火花小孔加工机床放电位置确定的特点，用数字示波器研究了钼丝长度与切割能效的关系，得到的数据能部分反映大厚度不锈钢切割的实质，对相关设备的设计具有一定的参考意义。

1 试验设计

1.1 存在的问题

往复走丝电火花线切割机床是我国特有的，因此参考文献主要取自国内。 由于南京航空航天大学多年致力于超厚材料的电火花线切割研究，并且与本单位所采用的机床品牌一致，本文以该校发表的相关论文以及机床制造商提供的技术文件为主要参考资料。 根据上述资料再结合实际操作，本文认为的相关技术难点有：

（1）切割液的充盈问题。 随着切割厚度的增加，即便提高“走丝”速度，也无法保证切割液在极间充盈[4]，会造成钼丝无法及时得到冷却，从而降低其寿命，也会影响排屑，导致蚀除产物逐渐积累，进而致使短路频繁出现甚至断丝。 针对此问题，本文拟通过“浸液式+超声清洗”的方法来解决。

（2）大厚度不锈钢切割策略问题。 316L 不锈钢的组分是：铬17.6%、镍11.1%、钼2.16%、锰1.21%和硅0.56%。 而冷作模具钢Cr12 的主要成分是：铬12%、碳2.1%、硅≤0.4%、锰≤0.40%。由于电火花线切割模具钢要比电火花线切割316L 不锈钢更容易，本文认为相关策略问题可能出在Ni 组分上。 文献[5]分析了316L 电火花加工断面的成分，与之不同的是，本试验使用的是水基切割液，故推测切割面上含有难以剥落的镍、铬、铁氧化物，而这些氧化物不导电， 若继续沿用切割模具钢时的短路判据，可能会导致机床判别不灵敏，从而出现前文提及的需回退很远才能真正退出短路状态的现象。 针对此问题，本文拟通过辅加超声清洗作部分解决。

（3）切割能量的输运损耗问题。 极间排屑不畅、钼丝抖动（文献[4]实测抖动范围大于0.01 mm）、切割液的劣化、局部缺少切割液等均有可能导致极间提前击穿，即高频电压远未升到120 V 时的空载最高电压，就提前击穿，显然这会使能量无法有效输运到切割面。 另外，钼的电阻率是53.4 nΩ·m，当12个功放管全开时，最大切割电流为 43.7 A，而高频空载电压是120 V，即最大瞬时功率为5.2 kW。 假设钼丝的平均长度1.0 m、直径0.18 mm，则钼丝的电阻为R=1.3 Ω， 故钼丝本身功率消耗为1.4 kW，即浪费了30%的能量。 在实际的切割过程中，由于钼丝温升，其本身能耗会更大。 针对此问题，本文拟通过实测来进一步验证其严重性。

1.2 “浸液式+超声清洗”的思考

1.2.1 考虑超声清洗参数

本单位采购了由深圳某公司生产的、利于清洗五金件的中频震子（28 kHz、100 W）共计6 个以及相应电源。 根据图1，超声组件11 采用绝缘垫9、塑料螺丝及703 硅胶安装在围坝8 侧面，其整套价格不到1000 元，方便制成模组并重复使用。 应注意的是，模组与震子的电极之一是电导通的，故模组应与围坝进行绝缘安装，否则有可能损坏相关设备。

文献[6]和文献[7]均提到在工件上或钼丝上直接辅助超声振动来增强排屑。 但是若从减少钼丝振幅、避免短路、增强排屑来考虑，本文的试验方法更接近于常规的超声清洗，并且试验证明超声振动不会导致钼丝的振幅过大而引发短路。

1.2.2 考虑围坝及装夹

围坝是由采用激光切割的普通钢板焊接而成，工件与围坝之间采用临时焊接作钢性固定。 激光切割的精度高，为围坝的制作及辅加超声清洗带来方便；围坝的底部留有小孔，用于穿丝；切割前，在围坝上预留了上下、左右的对准点；配合使用光栅尺，穿丝及对准均更加方便。

文献[8]也提到如何通过往复式电火花线切割机床实现工件浸液式切割。 从该方式的本质来看，也是在线切割平台上加一围坝，但该方式在水平方向有一段钼丝浸入切割液，该段钼丝因和高频电源相连，会与工作台之间形成最高约为120 V 的电压差， 从而在切割液中产生了电解或电泳的现象，导致切割能量的浪费。 另外，当装载过多切割液时，机床的负担过重，可能会降低机床的定位精度。

1.3 未参与切割的钼丝的能量损耗实测

以实验实测未参与切割部分钼丝的能量损耗，将一段钼丝接入电火花小孔加工机床，用双踪示波器同时记录该机床工作时的钼丝首尾两端的波形变化，以观察钼丝温升带来的影响。 这也直观证明，为让更多能量馈入放电区，应尽可能地缩短未参与切割部分的钼丝长度。

2 试验数据及处理

2.1 浸液及超声对线切割的影响

对于厚不锈钢的切割，为方便排屑，本文根据试验用机床的说明书，选取加工参数为脉宽80 μs、脉间400 μs，并针对图1 所示厚度600 mm 的工件，选用 JR1A 切割液（1∶20 配比）为工作液；考虑机床自动切割参数（跟踪、变频及短路判据）可能不适合切割厚度600 mm的不锈钢以及本团队很可能没找到最佳切割窗口，采用最原始的方法即在光栅尺的配合下，通过机床侧面的手轮（4 mm/转）来手动移动切割平台。 试验数据见表 1 及图 2。 其中，图 2 所示X 轴代表平台的移动速度。 每次试验的时长为20 min，针对每个参数至少试验3 次，取其平均值。

表1 不同机床移动速度条件下的试验数据

图2 浸液式与浸液式辅加超声清洗的切割效果对比

需要说明的是，试验中发生短路、断丝现象时，即取该现象发生当时的切割面积作为结果，并且以60 μm/min 的机床移动速度进行常规切割时，短路、断丝现象频繁发生，致使切割难以进行，故当时的切割面积记录为0； 完整行程切割面积是没有发生短路、断丝时的理论切割面积。 图2 所示数据是实际值与理论值的比值，用以反映切割效果。

2.2 钼丝能量损耗实验

如图3 所示，将一段钼丝接入电火花小孔加工机床（型号BMD703-400），采用双踪数字示波器（型号MSO/DPO4000B）同时测量该机床工作时钼丝首尾端波形。 钼丝长度分别为265 mm、660 mm；钼丝直径为0.18 mm。 就钼丝首、尾两端而言，首端是接入点，尾端是接出点，需确保两端之间的电连接不引入接触电阻；尾端连接外径0.6 mm 的穿孔铜管，即尾端更接近放电区。 试验模拟时选择了比正常小孔加工更小的峰值电流及更宽的脉间。

图3 未参与切割钼丝的能量损耗实测波形图

需说明的是，试验所用电火花线切割机床的放电电流控制方式是采用电脑控制MOS 管的打开数量。 4 路输出分别控制 1、2、4、8 个 MOS 管，即最大电流以“1+2+4+8”计算，共计15 个MOS 管全打开。该软件控制电流的方式可能和电火花小孔加工机的硬件恒流方式不一样。

3 分析与讨论

根据图2， 用常规工艺切割厚度600 mm 的316L 不锈钢非常困难，频繁出现短路和断丝，即使在较低的速度下也无法正常切割20 min；当采用浸液式切割时，切割面积提升明显，但随着速度增大，相对切割量迅速降低，在60 μm/min 的速度时相对切割量仅为0.17， 且切割量的下降趋势与使用常规工艺时相近；当进一步加入超声辅助时，切割变得更加稳定，在较高速度下也能保证正常切割10 min以上（即相对切割量在0.50 及以上）。

常规电火花线切割时，被电火花放电产生的高温融化的蚀除产物会被工作液冲走，但当工件厚度增加时，这会变得越来越困难；浸液式切割时，工作液在极间充盈，故放电均匀，蚀除产物易扩散并离开极间，同时能确保钼丝得到充分冷却。 但当切割速度增大后，蚀除产物还是会越来越多地粘附于工件表面，导致短路，进而影响切割。 尽管如此，浸液式切割还是能在一定程度上降低短路、断丝的发生频率； 超声辅助利用了超声波在液体中的空化作用，使附着于切割面的蚀除产物更易脱落，同时还起到一定的分散及乳化作用，能帮助排屑。 因此，在加入超声辅助后，切割变得更加稳定。

由图3 所示钼丝尾端5 个波形图可见， 由于5种情形下的尾端波形高度（4 V）基本一致，故推测电火花小孔加工机床会自动恒定放电峰值电流，即通过升高供电电压来实现恒流放电；钼丝首端的波形与尾端的波形高度差就代表接入钼丝的能量损耗。 例如，当接入长度660 mm 的钼丝时，放电10 s后，钼丝发热导致电阻上升，此时首端电压是28 V，故发热钼丝损耗的能量是有效放电能量（4 V）的6倍；即便是冷态下的钼丝（24 V），其损耗的能量也是有效放电能量的5 倍。

从微观来讲，在电火花线切割过程中，每个电脉冲都会寻找最易起辉放电的位置来放电。 因此，在厚材料切割时，放电位置随机，即不参与放电的钼丝的最大长度是上、下两进电块之间钼丝长度的一半。 由此据图3 推测，厚不锈钢中间部位最难切割， 故应对相应的切割策略及短路判据进行调整。另外，图3 所示波形图也从基本上反映了电火花线切割超厚材料时所遇难题的本质。 但是，要真正实现本文所需的高效、 自动切割厚度500 mm 不锈钢的目的，预计还需完善以下工作：

（1）若切割厚度500 mm 不锈钢且切割效率达到50 mm2/min，则对应平均进给速率达1.6 μm/s。本试验所用的HF-1000 型机床， 是一台大型机床，并且采用步进电机进行开环控制，因此切割厚不锈钢时排屑困难、导电性差，更难以切割厚不锈钢的中间区域（图3），故在加工中对机床的位置控制以及进给精度有更高的要求，在今后的试验中最好更换伺服电机及光栅尺，以实现闭环控制。

（2）由于本试验对工件切割精度要求不高（只需±0.1 mm），在引入围坝后，对装夹的精度要求也不高， 但超厚度切割时对运丝的稳定性要求高，否则丝的窜动或抖动可能导致短路，致使切割无法正常进行。 试验时发现，上、下两个导轮在张紧装置作用力方向的振动幅度较小，但在垂直于导轮面的方向， 需对往复换向前后的钼丝跳动量作光学监测。而非喷淋的浸液式切割方式，可为光学在线监测钼丝跳动提供可能。 在电火花小孔加工机床上，对于0.3 mm 的红宝石穿孔模已有标准件，价格也不是很贵，如果能在现有导轮的基础上再加上这样一对穿孔模（或V 形槽），并选用0.3 mm 直径钼丝，将送丝速度由6～12 m/s 放慢到1 m/s， 同时将工件浸入切割液，则可望提高厚不锈钢的切割速度。

（3）根据图1 及图3，为了尽可能缩短不参与切割的钼丝长度，或可将上下进电块移出，尽可能接近工件，但仍保留上下导轮；此时钨进电块的磨损会导致钼丝位置漂移，故应设X、Y 双向钼丝漂移量的在线监测，并设法自动补偿到切割程序中。 这种漂移监测可采用CCD 图像处理的成熟技术；由于采用浸液式切割，冷却问题不是主要，可将走丝速度降到1 m/s，这还能提高钼丝的稳定性。

（4）对316L 不锈钢，可能要将高频空载电压由现在的120 V 提升到150 V 以上，然后再将脉宽变窄，保证切割的平均电流尽可能大。 用单个大功率开关管来实现恒流放电可能更利于厚不锈钢切割，这方面或可关注GaN 或SiC 高频大功率开关器件的最新进展。

4 结束语

本文采用激光切割制作围坝实现浸液式切割厚不锈钢， 在同等条件下能提高切割效率30%；当进一步加上超声清洗， 效率能再提高30%以上；未参与切割的钼丝， 其电阻能耗会成倍影响切割效率，这可能是超厚材料难以切割的本质。 往复走丝电火花线切割技术在切割厚不锈钢时有不可替代的优势，应设法使其发扬光大，或可助推我国第三代半导体产业走出一条更好的发展道路。