355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷工藝的研究

周 敏，魏 昕，謝小柱，胡 偉

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州 510006)

355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷工藝的研究

周 敏，魏 昕*，謝小柱，胡 偉

(廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州 510006)

紫外激光拋光Al2O3陶瓷可以有效地降低加工中的熱影響區(qū)、防止微裂紋的產(chǎn)生。為了得到不同激光工藝參量(激光能量密度、掃描速率、掃描間隔)對Al2O3陶瓷拋光表面粗糙度的影響規(guī)律，采用單因素實驗方法進行了355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷的工藝實驗，獲得了最優(yōu)的工藝參量范圍。結(jié)果表明，當(dāng)激光能量密度為6J/cm2、掃描間隔為2μm、掃描速率為60mm/s時，拋光后分別獲得了較小的表面粗糙度值。這一結(jié)果對獲得的低粗糙度、高質(zhì)量的Al2O3陶瓷拋光表面具有指導(dǎo)意義。

激光技術(shù)；激光拋光；激光能量密度；激光掃描速率；激光掃描間距；Al2O3陶瓷

引 言

工程陶瓷材料所固有的的脆性大、硬度高、可靠性差等特性使得成型加工比較困難。激光拋光作為一種非接觸式的拋光方法，通過激光對材料的熱作用(如蒸發(fā)、熔化等)與光化學(xué)作用來實現(xiàn)材料的微量去除，最終達到材料表面的平坦化。激光拋光加工避免了機械加工中磨粒與工件直接接觸時因應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋的情況，因此，激光拋光被廣泛運用在脆性材料的加工中。但是影響激光拋光的因素有很多，合理控制激光拋光中的工藝參量對獲得較好的加工質(zhì)量有著重要的影響[1-4]。PERRY[5]等人在研究中得到，在激光拋光中保護氣的的合理選擇，對減少加工時產(chǎn)生裂紋的數(shù)量，抑制加工時材料的噴濺等提高加工質(zhì)量方面具有重要的作用，同時保護氣合理選擇，對有些在激光的熱作用時容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的材料來說極為重要。TEMMLER[6]等人研究得出在相同參量下不同的激光波長對拋光質(zhì)量有很大的影響。LI[7]，F(xiàn)OLWACZNY等人[8]研究了不同能量密度對拋光質(zhì)量的影響規(guī)律，激光能量密度只有在一定范圍內(nèi)才可以獲得較低材料表面粗糙度值。LIU[9]，GLOOR[10]等人研究了在脈沖激光拋光中激光掃描速率對拋光質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)激光掃描速率只有在一定范圍內(nèi)才可以獲得較低材料表面粗糙度值，速率過慢時材料燒蝕過多、速度過快時材料得不到充分的加工。在之前研究中大多采用CO2激光器對采用Al2O3陶瓷進行拋光，紫外激光為短脈沖激光，在材料加工過程的熱影響區(qū)域小。通過單因素實驗，分別分析355nm紫光拋光Al2O3陶瓷時不同激光能量密度、激光掃描速率、激光掃描間隔對拋光質(zhì)量的影響規(guī)律，最終獲得了355nm紫光拋光Al2O3陶瓷時較好的工藝參量范圍。

1 實 驗

1.1 實驗材料與設(shè)備

實驗中采用的氧化鋁陶瓷是由廣州昂泰電子生產(chǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.99的Al2O3陶瓷，其主要晶相為α-Al2O3(又稱剛玉)。圖1所示為原始表面的掃描電子顯微鏡(scanning electronic microscopy,SEM)觀察圖，從圖中可以看出原始材料由許多顆粒狀的凸峰組成。通過馬爾粗糙度儀測得實驗中選取的Al2O3陶瓷的原始粗糙度為0.32μm。實驗中所用激光器是波長為355nm的短脈沖紫外激光器，脈寬為55ns，光斑直徑為12μm，重復(fù)頻率為30kHz，如圖2所示，圖中A所示為X-Y運動平臺，包括工作臺、激光頭等;B所示為激光器控制器、電腦主機等;C為電腦顯示器；實驗中所用檢測儀器為馬爾粗糙度儀，用來檢測加工前后Al2O3陶瓷的表面粗糙度值Ra，如圖3所示； SEM用來檢測加工前后Al2O3陶瓷的表面形貌，如圖4所示。

Fig.1 Micrograph of Al2O3 ceramic surface

Fig.2 Laser device at 355nm wavelength

Fig.3 Mahr profilometer

Fig.4 Scanning electron microscopy

1.2 實驗方法

355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷時，激光光斑按如圖5所示的路徑進行掃描。

Fig.5 Laser scanning path

根據(jù)短脈沖紫外激光加工Al2O3陶瓷熔化和汽化的損壞閾值分別為4.38J/cm2和6.67J/cm2。因此在短脈沖紫外激光拋光Al2O3陶瓷時，熔化與汽化之間時能量密度的選擇間隔可以較小，當(dāng)激光能量密度超過材料汽化損壞閾值時能量密度的選擇間隔可以較大。故激光能量密度的選擇范圍為5J/cm2,6J/cm2,7J/cm2,8J/cm2,13J/cm2,17J/cm2,21J/cm2,25J/cm2,35J/cm2。激光掃描速度的大小影響著相鄰兩個脈沖激光之間的重疊面積大小，只有保證合適的光斑重疊面積才能獲得較好的拋光質(zhì)量。實驗中激光器最大掃描速率為150mm/s，因此激光掃描速率的選擇范圍為10mm/s,20mm/s,30mm/s,40mm/s,50mm/s,60mm/s,70mm/s,80mm/s,90mm/s,100mm/s。兩次相鄰掃描路徑之間的距離稱為掃描間隔，如圖5所示。掃描間距的大小影響到相鄰兩次掃描之間殘余材料的多少，當(dāng)殘余材料過多時嚴(yán)重影響加工后材料的表面粗糙度。當(dāng)掃描間距過小時，會導(dǎo)致材料燒蝕十分嚴(yán)重。根據(jù)短脈沖紫外激光器的x軸與y軸的分辨率為1μm，激光器輸出的激光光斑直徑為12μm，故在短脈沖紫外激光拋光Al2O3陶瓷時，激光掃描間距的選擇范圍為1μm,2μm,3μm,4μm,5μm,6μm,7μm。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光能量密度對拋光效果的影響

激光能量密度的大小決定了在激光加工中材料去除的作用形式，當(dāng)能量密度小于材料熔化閾值時，激光對材料僅僅起加熱作用。當(dāng)激光能量密度超過材料熔化閾值后，激光對材料的作用形式有熔化、汽化、熱應(yīng)力去除、光化學(xué)作用等。因此，在激光拋光過程中合理控制激光能量密度對提高拋光質(zhì)量有著重要的影響。圖6所示為355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷后材料表面粗糙度Ra隨能量密度的變化情況。

Fig.6 Relationship between surface roughness and laser fluence

圖7所示為不同能量密度下355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷后得到的材料表面形貌。從圖6可以看出，隨著激光能量密度增加，加工后材料表面粗糙度Ra有減小的趨勢，當(dāng)激光能量密度在7J/cm2時得到的表面粗糙度Ra小，最其主要原因是隨著能量密度的增加，原始材料表面的凸峰顆粒通過熔化和汽化被消除，使得材料表面變得平整，如圖7b所示。當(dāng)激光能量密度繼續(xù)增加時，材料加工后的表面粗糙度Ra反而越來越大。由于隨著激光能量密度的繼續(xù)增加，由于材料的過量去除，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)明顯的刻痕，最終使得材料表面粗糙度增加，如圖7c所示。當(dāng)能量密度為25J/cm2時，加工后的材料表面粗糙度Ra甚至超過了原始表面的粗糙度。因此推導(dǎo)出355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷時，激光能量密度為6J/cm2左右時可獲得較好的拋光質(zhì)量，此時激光與材料的作用形式主要為熔化作用并帶有較小強度的汽化現(xiàn)象。

Fig.7 SEM of laser polishing surface topographies at various laser fluence a—original surface b—7J/cm2c—25J/cm2

2.2 激光掃描速率對拋光效果的影響

激光掃描速度的大小決定了單位時間內(nèi)材料接收到激光脈沖的個數(shù)。當(dāng)掃描速率過小時，加工材料在單位時間內(nèi)接收到激光脈沖個數(shù)較多，將導(dǎo)致材料去除量增加，甚至使材料表面出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕情況。當(dāng)掃描速率過快時，加工材料在單位時間內(nèi)接受到激光脈沖個數(shù)較少，使得材料加工不充分，甚至起不到材料去除的效果。因此，合理控制激光掃描速率對有效控制材料去除量、防止材料過分燒蝕并獲得較好拋光質(zhì)量有著重要的意義。如圖8所示為加工后Al2O3陶瓷表面粗糙度Ra隨激光掃描速率的變化曲線。

圖9所示為不同掃描速度下355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷后得到的材料表面形貌，從圖8曲線可以得到隨著掃描速率的增加，拋光后材料表面粗糙度Ra先減小后增加，當(dāng)掃描速率為60mm/s時，拋光后得到的材料表面粗糙度Ra最小。從圖9b可以看出,當(dāng)掃描速率過小時,材料在單位時間內(nèi)接收到的激光脈沖個數(shù)較多，導(dǎo)致材料去除增大，加工后表面出現(xiàn)了一層凹凸不平結(jié)構(gòu)且很疏松的燒蝕層，最終導(dǎo)致加工后材料表面粗糙度Ra較大且拋光質(zhì)量很差。隨著激光掃描速率的增加，單位時間內(nèi)材料接收到的激光脈沖個數(shù)減少，材料去除量降低、燒蝕減輕。如圖9c所示，加工后材料表面出現(xiàn)了明顯的熔化現(xiàn)象，材料原始表面的凸峰顆粒通過激光對材料的熔化和汽化作用大量的消除了，最終獲得了較為平整的加工表面。當(dāng)掃描速率繼續(xù)增加時，原始表面的凸峰顆粒去除量降低，因而導(dǎo)致加工后材料表面粗糙度又呈增長趨勢，但加工后表面粗糙度值略小于材料的原始表面粗糙度值。

Fig.8 Relationship between surface roughness and laser scanning velocity

Fig.9 SEM of laser polishing surface topographies at various laser scanning velocity a—original surface b—10mm/s c—60mm/s

2.3 激光掃描間距對拋光效果的影響

圖10所示為355nm紫外激光按圖5所示路徑拋光Al2O3陶瓷的示意圖，從圖10中可以看出，不同大小的掃描間距對加工后材料殘余高度的影響很大，進而影響著加工后材料的表面粗糙度Ra，因此通過選擇合適的掃描間距來控制加工材料的殘余高度對拋光Al2O3陶瓷有著重要的意義。實驗中為了更加明顯地顯示加工過程中掃描間隔對拋光效果的影響，采用的激光能量密度為13J/cm2。圖11所示為355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷后材料表面粗糙度Ra隨不同掃描間隔的變化規(guī)律曲線。

Fig.10 Schematics of laser polishing Al2O3 ceramic

Fig.11 Relationship between surface roughness and laser scanning interval

從圖11可以得到,隨著激光掃描間距的增加，355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷后的材料表面粗糙度Ra先減小然后再增大，當(dāng)激光掃描間隔為2μm時，加工后材料表面的粗糙度Ra最小。圖12所示為不同掃描間距下加工后材料的表面形貌。當(dāng)激光掃描間隔過小時，輻照區(qū)域內(nèi)材料接收到的激光輻照次數(shù)增加，導(dǎo)致材料去除量過多，因此加工后材料的表面粗糙度Ra就越大。隨著激光掃描間隔的增加，輻照區(qū)域內(nèi)材料接受到的激光輻照次數(shù)也隨之減少，使得材料的去除量減少。圖12b所示為激光掃描間隔為2μm時，激光拋光后材料的表面形貌，從圖中可以看出，此時激光不僅原始表面的凸峰顆粒被大量地消除了，而且加工后材料的殘余高度較小，因此可以獲得較好的拋光效果。當(dāng)掃描間距進一步增加時，相鄰激光掃描路徑之間重疊區(qū)域進一步減少，使得材料不被充分加工。圖12c所示為激光掃描間隔為7μm時，激光拋光后材料的表面形貌，從圖中可以明顯看到由于掃描間距較大，使得相鄰掃描路徑之間存在這大量的殘余材料，導(dǎo)致加工后材料的表面粗糙度增大。因此合理地控制掃描間距可以有效防止材料過多去除，同時也可以降低殘余材料的量，最終實現(xiàn)Al2O3陶瓷的有效拋光。

Fig.12 SEM of laser polishing surface topographies at various laser scanning interval a—original surface b—2μm c—7μm

3 結(jié) 論

通過單因素的實驗研究了不同工藝參量(激光能量密度、掃描速率、掃描間距)對355nm紫外激光拋光Al2O3陶瓷的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)隨著激光能量密度的增加，拋光后得到的材料表面粗糙度Ra先降低然后再增大。當(dāng)能量密度較小時，激光對材料起不到加工作用或者加工不充分;當(dāng)能量密度過大時，激光對材料的去除量過大并且燒蝕較為嚴(yán)重。當(dāng)激光能量密度在6J/cm2附近時，獲得的拋光效果較好。

(2)隨著激光掃描速率的增加，拋光后得到的材料表面粗糙度Ra先降低然后再增大。當(dāng)掃描速率過低時，材料表面出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕并產(chǎn)生疏松的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響材料的物理性能。當(dāng)掃描速度過快時，激光對材料的加工不充分，使Al2O3陶瓷表面凸峰顆粒得不到充分消除，但加工后材料的表面粗糙度略低于原始材料的表面粗糙度。當(dāng)激光掃描速率為60mm/s附近時，獲得的拋光效果較好。

(3)隨著掃描間隔的增加，加工加工后材料的表面粗糙度Ra先降低然后增加，當(dāng)掃描間距過大時，加工后材料的殘余量過大，嚴(yán)重影響拋光質(zhì)量。當(dāng)掃描間隔為2μm時，加工材料的表面粗糙度Ra最小。

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Study on polishing process of Al2O3ceramic with 355nm ultraviolet laser

ZHOUMin，WEIXin，XIEXiaozhu，HUWei

(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Al2O3ceramic polished with 355nm ultraviolet laser could effectively reduce the heat affected zone in processing and prevent the formation of microcracks. In order to find the effects of different parameters (laser energy intensity，laser scanning velocity，laser scanning interval) on the surface roughness and the surface quality，a series of experiments were carried out with a single factor of the 355nm ultraviolet laser affecting the polishing result. The optimal technology parameters were obtained at last. The results show that relatively small surface roughness can be obtained under the conditions of 6J/cm2laser fluence，60mm/s laser scanning velocity and 2μm laser scanning interval. The study is helpful for getting low roughness and high quality of Al2O3ceramic.

laser technique；laser polishing；laser energy intensity；laser scanning velocity；laser scanning interval；Al2O3ceramic

1001-3806(2014)04-0556-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(50675038;50805027);廣東省自然科學(xué)基金資助項目(S2013010014070)

周 敏(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向為激光精密加工技術(shù)。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：weixin@gdut.edu.cn

2013-08-16；

2013-09-03

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.04.024