激光加工陶瓷材料的研究.doc

.激光加工陶瓷材料的研究 激光是一种通过入射光子的激发使处于亚稳态的较高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级时完成受激辐射所发出的光，它与引起这种受激辐射的入射光在相位、波长、频率和传播方向等几方面完全一致，因此激光除具有一般光源的共性之外，还具有亮度高、方向性好、单色性好和相干性好四大特性。由于激光的单色性好和具有很小的发散角，因此在理论上可聚焦到尺寸与光波波长相近的小斑点上，温度可高至上万摄氏度，它是一种理想的切割热源，能使任何坚硬的材料如硬质合金、陶瓷、金刚石等，都将在瞬时 (10-3s)被局部熔化和蒸发，并通过所产生的强烈冲击波被喷发出去。因此，我们可以利用激光对各种材料进行切割等加工。烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流（即具有一定压力的辅助气体，常用气体有 N2、 O2、空气等，其主要作用是：在熔化切割时，依靠喷吹气体的压力把液态金属吹走形成切口；在氧气切割中，气体与切割金属反应放热，提供部分切割能量，同时又靠气体吹除反应物），吹除熔融物质，从而实现工件割开的一种热切割方法。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照射工件，使被照射处的材料迅即熔化、汽化、 被割材料切割面激光切割的类型 根据工件热物理特性和辅助气体的特性， 激光切割可分为汽化切割、熔化切割、反应熔化切 割和控制断裂切割四类。其中激光汽化切割指在极高的激光功率密度 （108W/cm2） 的光束照射下，工件表面材料在极短时间内被加热到汽化点，并以气体或为气体冲击以液态、 固态微粒形态逸出，形成割缝从而实现切割。陶瓷的切割可采用汽化 切割。激光切割的主要特点 （1）切割质量好 由于激光的光斑小、能量密度高，切割速度又快，故能获得良好的切割质量。 切缝窄，激光切割的割缝一般在 0.10～ 0.20mm，节省材料。 割缝边缘垂直度好，切割面光滑无毛刺， 表面粗糙度一般控制在 Ra：12.5 以上。 热影响区小：激光加工的激光割缝细、速 度快、能量集中，因此传到被切割材料上的热量 小，引起材料的变形也非常小，在某些场合，其 热影响区宽度在 0.05mm 以下。 （2）能切割多种材料，既能切割金属材料又 能切割各种非金属材料。（3）切割时割炬等与工件无接触，没有工具的磨损问题，易于实现无人化自动控制，提高切割效率。 （4）良好的切割环境切割时没有强烈的辐射、噪声和环境污染，为操作者身体健康创造了好的工作场所。寸精度与形位精度，低的表面粗糙度的零件是很 困难的。 将陶瓷材料加工成所需零件一般要经过坯料 切割、磨削、研磨和抛光等工序，其中陶瓷坯料 的切割以往主要采用固定磨具（如金刚石锯片或 带锯）和超声波游离磨料等机加工方法及电火花 切割法，近几年来，正逐步采用以高能量密度的 激光作为“切割刀具”对其进行切割，即激光切割，取得了令人满意的效果。陶瓷的某些物理特性有利于激光加工。（1）对激光的吸收率高即使是波长较长的 CO2 激光，陶瓷对其吸收率要比一般金属高得多。如氧化铝（Al2O3）陶 瓷的吸收率约 85%，氧化锆（ZrO2）则达 90%左 右，氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷的吸 收率也在 40%以上，如果陶瓷表面较粗糙时，吸收率进一步提高，都在90%以上。 （2）受高热照射发生分解和升华 如氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷在 高温加热时具有分解和升华性能因此， 一旦受高能量密度的激光束照射，就会发生局部的分解和升华，有助于提高激光加工的效率。陶瓷材料的特点及其激光切割特性 陶瓷是目前发展最快的无机非金属材料，它是由各种金属同氧、氮或碳等经人工合成的。它具有硬度高、抗氧化、抗磨损、耐高温、耐腐蚀、 摩擦系数低、热膨胀系数小和密度轻等优点，是作为机械零件和切削刀片的良好材料。 但它在常温下几乎不呈现塑性变形，加工表面易产生龟裂，棱角处易崩裂，这些在表面上残留的裂痕将导致其物理性能的降低；同时由于其材质硬而脆，加工时刀具的磨损严重，材料去除率低，影响了加工效率，因此想采用一般的方法将陶瓷材料加工成具有精确的几何形状、高的尺热膨胀系数影响激光切割陶瓷的主要因素 陶瓷的激光切割多采用脉冲激光，因为连续激光切割，不但切割面容易产生裂纹，且切口底部粘渣多。影响激光切割陶瓷的因素除上述一些共用因素外，其主要因素有： （1）脉宽比 采用脉冲激光切割时脉宽比对切割质量，尤 其是裂纹的产生有很大的影响。脉宽比 0.4 时， 切割面底部粘渣并有宏观裂纹，ZrO2 陶瓷尤甚。 切割时脉宽比宜取 0.04。 （2）热应力陶瓷的光能吸收率高，但热导性差，激光切割时容易产生热应力。当沿工件的中性线进行直线切割时，工件所受的热量左右对称，热应力状态比较简单。而切割成形零件时，沿外周切割或从材料内部切割的场合，热分布就不对称，出现较复杂的应力状态，在热应力