激光切割及其在切割陶瓷材料中的应用

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1、机械2004年第31卷第3期·55·激光切割及其在切割陶瓷材料中的应用邓英剑(湖南冶金职业技术学院机械系，湖南株州412000)摘要：激光是一种理想的切割热源，本文简述了激光切割的工作原理、特点及其在切割陶瓷材料中的应用，并讨论了激光切割工艺参数及其对切割质量的影响。关键词：激光切割；特点；工艺参数；陶瓷；影响因素中图分类号:TG506文献标识码：A文章编号:1006－0316(2004)03－0055－04ThelaserincisesanditsapplicationincuttingtheceramicsDENGYING－jian(HunanMetallurgic

2、alProfessionalTechnologyCollege，zhuzhou412000，China)Abstract：Thelaserisakindoftheperfectlyhotsourceforincising,Thistextbrieflyintroducetheworkprincipleandcharacteristicsoflaserincisinganditsapplicationincuttingceramics,andthetechnicalparametersofthelaserincisinganditsinfluencesthequantit

3、yarediscussed.Keywords：laserincises；Characteristics；technicalparameters；ceramic；influencefactors激光是一种通过入射光子的激发使处于亚稳烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流态的较高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级（即具有一定压力的辅助气体，常用气体有N2、时完成受激辐射所发出的光，它与引起这种受激O2、空气等，其主要作用是：在熔化切割时，依辐射的入射光在相位、波长、频率和传播方向等靠喷吹气体的压力把液态金属吹走形成切口；在几方面完全一致，因此激光除具有一般光源的共氧气切

4、割中，气体与切割金属反应放热，提供部性之外，还具有亮度高、方向性好、单色性好和分切割能量，同时又靠气体吹除反应物），吹除熔相干性好四大特性。由于激光的单色性好和具有融物质，从而实现工件割开的一种热切割方法。很小的发散角，因此在理论上可聚焦到尺寸与光其工作原理示意图如图1所示。波波长相近的小斑点上，其焦点处的功率密度可反射镜达107W/cm2~1011W/cm2，温度可高至上万摄氏激光器度，它是一种理想的切割热源，能使任何坚硬的激光束材料如硬质合金、陶瓷、金刚石等，都将在瞬时-3(<10s)被局部熔化和蒸发，并通过所产生的强烈透镜辅助气体冲击波被喷发出去。因此，我们可以利

5、用激光对喷嘴移动方向各种材料进行切割等加工。喷嘴1激光切割的原理、类型及特点切割面被割材料1．1激光切割的原理激光切割系利用经聚焦的高功率密度激光束图1激光切割原理图照射工件，使被照射处的材料迅即熔化、汽化、收稿日期：2003-11-25作者简介：邓英剑（1969－），女，高讲，研究生在读，原在工厂从事机械设计与制造工作，目前主要从事机电专业教学与研究，公开发表论文10多篇.·56·机械2004年第31卷第3期1．2激光切割的类型寸精度与形位精度，低的表面粗糙度的零件是很困难的。根据工件热物理特性和辅助气体的特性，激将陶瓷材料加工成所需零件一般要经过坯料光切割可分为汽化

6、切割、熔化切割、反应熔化切切割、磨削、研磨和抛光等工序，其中陶瓷坯料割和控制断裂切割四类。其中激光汽化切割指在82的切割以往主要采用固定磨具（如金刚石锯片或极高的激光功率密度（10W/cm）的光束照射下，带锯）和超声波游离磨料等机加工方法及电火花工件表面材料在极短时间内被加热到汽化点，并切割法，近几年来，正逐步采用以高能量密度的以气体或为气体冲击以液态、固态微粒形态逸出，激光作为“切割刀具”对其进行切割，即激光切形成割缝从而实现切割。陶瓷的切割可采用汽化割，取得了令人满意的效果。切割。陶瓷的某些物理特性有利于激光加工。1．3激光切割的主要特点（1）对激光的吸收率高即使是

7、波长较长的CO2激光，陶瓷对其吸（1）切割质量好收率要比一般金属高得多。如氧化铝（Al2O3）陶由于激光的光斑小、能量密度高，切割速度瓷的吸收率约85%，氧化锆（ZrO2）则达90%左又快，故能获得良好的切割质量。右，氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷的吸①切缝窄，激光切割的割缝一般在0.10～收率也在40%以上，如果陶瓷表面较粗糙时，吸0.20mm，节省材料。收率进一步提高，都在90%以上。②割缝边缘垂直度好，切割面光滑无毛刺，（2）受高热照射发生分解和升华表面粗糙度一般控制在Ra：12.5以上。如氮化硅（Si3N4）和碳化硅（