陶瓷激光切割技术的研究现状与思考.doc

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1、陶瓷激光切割技术的研究现状与思考在线投稿►顶⑶2011-06-1611:12:06文章來源：OFweek激光网我來说两句(0)•导读:随着陶瓷应用领域的不断扩大,激光在陶瓷加工方面的巨大潜力LI趋显现。激光加工方法尤其适合于常规方法不适用和不经济的方法，在换脆性陶瓷类材料加丁方面已体现出强大的发展潜力。O关键字O激光加工陶瓷Nd：丫AG激光激光无损切割•1引言广义上玻璃、据瓷、住琅、釉、水泥、单晶或其他无机化合物都属于陶瓷的范畴。陶瓷因具有耐轉损、耐腐蚀、耐高温、高绝缘、无磁性、比贡小、自润滑及热膨胀系数小等的独特优点，除了

2、在II常生活和工业生产中发挥着贡要作用，正越來越多地作为电子器件、滑动构件、发动机制件、能源构件等应用材料，在机械、化工、电子以及航空航天等一些尖端科技领域屮显示出戶•人的应用需求和优势潜力。但其硬度高、脆性人、抗热震性与熏现性差等致命弱点严重阻碍了该类材料工程化的推广应用。H前通过组分复合(如陶瓷基复合材料)和成型工艺可以在一定程度上提高陶瓷的可加丁•性和达到部分结构设计要求,但还远远不能满足实际陶瓷零构件的使用需求，多数情况下仍需要进行修榕加工，以提高陶瓷零构件的形状和尺寸将度，满足机械结构相互灵活配合的I【的。其中，切

3、割即是陶瓷零构件加工屮一个必不可少的基本手段。激光切割技术因其具有非接触性、柔性化、效率高及易实现数字化控制等特点，一宣以來颇受青睐,人们寄希望于这种髙能束加T方法可以象对待金属材料的切割一样，很好地完成陶瓷的无损切割。2陶瓷激光切割技术特点及现行主要方法以激光作为加工能源,在硬脆性陶瓷加工方面的发展潜力己见瑞倪:它町以实现无接触式加工，减少J'因接触应力对陶瓷带來的损伤；陶瓷对激光具有较高的吸收率（氧化物陶瓷对10.6pm波长激光的最高吸收率可达80%以上）,聚焦的高能激光束作用于陶瓷局部区域的能最町超过108J/cm2,

4、瞬间就可使材料熔化蒸发，实现高效率加T.；山于聚焦光斑小,产生的热影响区小，可以达到粘:密加工的要求：激光的低电磁干扰以及易于导向聚焦的特点,方便实现二维及异形血的特殊加丁要求。激光器的种类很多，以激光光束质最、材料对热源的高吸收效率以及适应产业化发展需求的标准來衡戢，CO2激光热加T.仍为陶瓷切割的丄要于段。激光切割的难易程度山材料的热物理性质决是，山于陶瓷是山共价键、离了键或两者混合化学键结合的物质。晶体间化学键方向性强，因而具有高破度和高脆性的木征特性。相对于金属材料,即使是高精密陶瓷，其显微结构均匀度亦较羞,严朿降低

5、了材料的抗热震性,常温卜•对剪切应力的变形阻力很大，极易形成裂纹、崩齢英至于材料碎裂。因此，高效无损伤激光切割陶瓷类高硬脆无机非金属材料一直是一个诱人的H亟待解决的问题。总结近20年來激光加工陶瓷技术的研究发现，陶瓷的激光切割技术主要包括传统工艺的优化参数法、多道切割法、应力引导控制裂纹切割法以及辅助切割法四大类。2.1传统工艺的优化参数法该类方法基木借鉴金属材料激光加工的成熟工艺，仅通过优化丁艺参数來实现加工H的。研究发现针对不同材料需要采用不同的激光激励方式，对于大多数陶瓷，脉冲激光切割方式是较好的选择,连续激光切割方式

6、一般更适用于其屮的薄片状玻璃切割。提高脉冲激光输出的峰值功率、降低脉宽至纳秒最级、减少重复频率、降低切割速度是该类方法有效减少激光输入对材料产生的过热影响，抑制裂纹产生的基木工艺规律。在无损切割速度的研究屮，G.Lu等给出了激光功率、切割速度和材料厚度之间的关系式:P>1.78101112.41v,指出对于一定厚度t的材料,存在一个垠人切割速度V。要提高切割速度，实验证明在相同激光功率条件下，采用线聚焦方式的切割速度可比点聚焦方式提高5倍以上，线聚焦更好地增大了切割方向的热输入最，并减少了垂直于切割方向的热影响区。在优化参数

7、的基础匕，对相关加工附件（包括夹具）的改进也是该研究方法的一个突破点。激光加工屮辅助气体的超音速气流可有效减少热积累,抑制切割过程中的裂纹产生,但是超音速气流的气压大，作用在被加工材料上会产生类似于丿J具加工的接触应力。通过对超音速喷嘴的创新改进，可使作用于材料表面的气体净压力为冬,达到抑制机械压力损伤的H的。使用图1所>j

8、件在激光加T过程屮的受力均匀，减少因夹持预应力而増大材料产生裂纹乃至断裂的概率。culting・ii图1非同轴辅助气体切割冷却方式示意:图图2菲同轴辅助气体切割冷却方式所切切缝断面图•该类研究屮，值得一提的是I.BIack等对8.5mm和9.2mm厚的AI2O3基瓷砖进行的切割研究。他们通