Al2O3陶瓷激光切割工藝研究

賈志新，黃金剛，高堅強，房澤旭，郭 強

（1.北京科技大學機械工程學院，北京100083；2.蘇州新火花機床有限公司，江蘇蘇州215164）

Al2O3陶瓷激光切割工藝研究

賈志新1，黃金剛1，高堅強2，房澤旭2，郭 強1

（1.北京科技大學機械工程學院，北京100083；2.蘇州新火花機床有限公司，江蘇蘇州215164）

為了探究Al2O3陶瓷的激光切割工藝特性，采用Nd：YAG激光器對Al2O3陶瓷進行加工試驗。先通過打孔試驗計算獲得Al2O3陶瓷的激光燒蝕閾值，再通過切割試驗分析激光功率、切割速度、脈沖頻率、離焦量等工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：通過優(yōu)化激光切割工藝參數(shù)，可在保證切割效率的同時，提高Al2O3陶瓷的切割質(zhì)量。

激光切割；Al2O3陶瓷；燒蝕閾值；工藝試驗

Al2O3陶瓷具有高熔點、高強度、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)點，在機械、化工、電子及航空航天等尖端科技領域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻眯枨骩1]。但由于其硬度高、脆性大，使加工變得非常困難。目前的加工方式主要有：機械加工、水射流加工、電化學加工、電火花加工、等離子束加工和激光加工等，而激光加工技術(shù)集中體現(xiàn)了無接觸應力、柔性化、高效率、易于自動化控制等優(yōu)點，被認為是一種有著巨大應用價值和發(fā)展?jié)摿?、理想的陶瓷加工方法[2]。

季凌飛等[3]總結(jié)了陶瓷激光切割技術(shù)，主要包括傳統(tǒng)工藝的優(yōu)化參數(shù)法、多道切割法、應力引導控制裂紋切割法及輔助切割法等四大類。Quintero等[4]通過采用傳統(tǒng)激光切割與多道激光切割的方法，對厚度為6 mm的SiC陶瓷進行切割，發(fā)現(xiàn)多道切割法可實現(xiàn)SiC陶瓷的無裂紋切割，且材料幾乎沒有熱損傷。陳春映等[5]利用低壓水射流激光復合切割Al2O3陶瓷，大大減少了陶瓷切縫的熔渣，避免了熱裂紋的產(chǎn)生。關(guān)于Al2O3陶瓷激光加工新工藝、新方法的報道層出不窮，但最基本且性價比最高的優(yōu)化工藝參數(shù)法激光切割的分析報道較少。本文利用Nd：YAG長脈沖激光對厚度3 mm的Al2O3陶瓷進行加工試驗，從材料特性及能量去除機理入手，通過切割試驗來分析激光工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響規(guī)律，有效提高切割的質(zhì)量與效率。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗條件

試驗裝置見圖1。激光加工設備為LC-100型Nd：YAG脈沖激光切割機，脈沖寬度為100 μs，激光最大輸出功率為100 W，采用三片式復合聚焦鏡，焦距為150 mm，聚焦光斑直徑為0.18 mm。此外，噴嘴高度為1 mm，輔助氣體為壓縮空氣，采用同軸吹氣方式，氣體壓力為0.6 MPa。試驗材料為厚度3 mm的Al2O3陶瓷，添加劑主要為WC、TiC。

1.2 試驗方法

首先，采用不同功率進行打孔試驗，計算Al2O3陶瓷的激光燒蝕閾值，選用脈沖頻率60 Hz、脈沖作用時間0.5 s。然后，進行單向直線切割試驗，著重研究激光功率P、切割速度v、脈沖頻率f、離焦量△h等工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響，Al2O3陶瓷的切割質(zhì)量一般由切縫寬度及斷面粗糙度作為表征量。

在無損切割速度的研究中，Lu等[6]給出了激光功率P、切割速度v和材料厚度t之間的關(guān)系式：

同時指出，對于一定厚度t的材料，存在一個最優(yōu)切割速度v，并依此選定切割工藝參數(shù)（表1）。

切割試驗完成后，利用數(shù)字顯微鏡觀測切縫表面形貌并測量縫寬，之后對斷面進行清洗去熔渣，利用TR210表面粗糙度儀測量斷面粗糙度，均采用四次測量求平均值的方法獲取目標參數(shù)。

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 Al2O3陶瓷激光燒蝕閾值的試驗測定

所謂燒蝕閾值就是對材料產(chǎn)生不可逆破壞時去除單層材料所需的能流密度[7]，單脈沖激光能量密度很大程度上決定著激光燒蝕的效率。理論上來講，激光脈沖能量稍大于燒蝕閾值時加工質(zhì)量最好；但實際情況中，由于能量會不同程度地散失，一般經(jīng)驗表明，在合理的去除速率條件下，最好的精度可通過功率密度選擇為5～10倍的閾值激光脈沖獲得。因此，分析Al2O3陶瓷激光燒蝕閾值可在一定程度上指導實驗，避免能量過大造成裂紋和能量過小造成切不透或效率低等現(xiàn)象。

目前確定燒蝕閾值的方法主要有在線觀測、形貌檢測及數(shù)值計算等。本文采用數(shù)值計算法[8]并輔以顯微觀測，推導出燒蝕直徑與激光脈沖能量的函數(shù)關(guān)系，將線性曲線外推至D=0處，從而得出材料的破壞閾值，同時還能獲得光束的束腰半徑。由于激光屬于高斯光束，其能量分布滿足如下關(guān)系[9]：

式中：φ0為光束中心峰值能量密度；ω0為光束束腰半徑；r為光束中一點距光束中心的距離；EP為激光單脈沖能量。

由此可獲得普遍研究燒蝕直徑D與聚焦后的焦點半徑ω0及入射脈沖能量E0的關(guān)系：

式中：Eth為燒蝕半徑為r時的入射脈沖能量。此處應當指出，本試驗為多脈沖燒蝕，單脈沖與多脈沖燒蝕閾值間的關(guān)系式可表示為[10]：

式中：Fth(1)為單脈沖燒蝕閾值；Fth(∞)為多脈沖燒蝕閾值；k為能量累積強度；N為脈沖個數(shù)。

由此可見，當脈沖個數(shù)逐漸增大時，燒蝕閾值有減小的趨勢，這是因為多脈沖燒蝕存在著能量累積。當脈沖個數(shù)增大到一定數(shù)值時，燒蝕閾值趨近定值，且材料的吸收系數(shù)越大，燒蝕閾值越低。

通過Al2O3陶瓷在不同激光功率密度下的燒蝕顯微觀測，獲得了入射激光能量與燒蝕孔徑形貌之間的關(guān)系（圖2）。

擬合數(shù)據(jù)結(jié)果得到斜率k值為7350.6，推出激光束腰半徑ω0為60.6 μm，同時依據(jù)上述理論，由擬合直線與橫坐標截距可得到：在脈沖寬度為100 μs、重復頻率為60 Hz、波長為1064 nm、脈沖時間為0.5 s時，Al2O3陶瓷激光燒蝕閾值為0.127 J/cm2。需要說明的是，由于累積效應的影響，用不同的脈沖個數(shù)進行加工得出的燒蝕閾值會存在一定差異，且材料對不同光的吸收特性不同，也是造成閾值差異的一個原因。同時看到，對Al2O3陶瓷進行燒蝕去除僅需要微小的能量，但對于3 mm厚的Al2O3陶瓷實現(xiàn)高效率切割能量還遠遠不夠，能量過小會造成材料切不透，能量過大會造成裂紋甚至碎裂，因此需通過打孔試驗來劃定無裂紋切割能量區(qū)間，保證切割加工順利進行。

2.2 Al2O3陶瓷激光切割試驗與分析

2.2.1 激光功率對切割質(zhì)量的影響

激光能量是切割加工的主要能量來源，功率大小將直接影響切割時的能量密度。圖3是在切割速度20 mm/min、脈沖頻率50 Hz、零離焦量、激光功率分別為10、20、30、40 W時，測得的切縫寬度和表面粗糙度的變化曲線?？煽闯?，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著激光功率的增大，材料去除量增加，使切縫寬度增大，而表面粗糙度值減小。激光光斑功率密度P可表示為：

式中：E為激光能量；d為光斑直徑；tp為脈沖寬度。

在脈寬和頻率一定時，提高輸出功率能增大激光束功率密度，較高的功率密度能使加工過程中產(chǎn)生更多的蒸汽相物質(zhì)，切割縫寬及深度增大。

2.2.2 切割速度對切割質(zhì)量的影響

切割速度的變化意味著激光與材料相互作用時間的變化，即材料單位面積上得到的激光能量發(fā)生改變。圖4是在激光功率30 W、脈沖頻率50 Hz、零離焦量、切割速度分別為10、20、30、40 mm/min時，測得的切縫寬度和表面粗糙度的變化曲線?？煽闯?，切縫寬度隨著切割速度的增大而減小。這是由于激光作用時間減少、能量密度降低、材料獲得能量較少而導致的。

同時，表面粗糙度值隨著切割速度的增大而減小。這是因為當切割速度增大到30 mm/min時，由于線能量低，導致3 mm厚的Al2O3陶瓷未能切透，切割方法轉(zhuǎn)變?yōu)閼σ龑Э刂屏鸭y切割法[11]。該方法已成為研究最廣泛、前景極被看好的激光切割陶瓷方法之一，但應力方向控制問題還有待進一步解決。不同方法的切割效果見圖5。

2.2.3 脈沖頻率對切割質(zhì)量的影響

圖6是在激光功率30W、切割速度20 mm/min、零離焦量、脈沖頻率分別為30、40、50、60 Hz時，切縫寬度和表面粗糙度的變化曲線。可看出，隨著脈沖頻率的增加，切縫寬度與表面粗糙度值均呈減小的趨勢。由單脈沖能量E與輸出功率P、脈沖頻率f的關(guān)系（E=P/f）可知，隨著脈沖頻率的增加，單脈沖能量減小，光斑重疊度將增大，這對切割表面質(zhì)量的提高和裂紋的減少起著關(guān)鍵作用。

2.2.4 離焦量對切割質(zhì)量的影響

激光焦點相對于工件的距離（即離焦量）對切割質(zhì)量有著重要影響。由于激光焦點處的能量密度最高，多數(shù)情況下，焦點位置應靠近工件表面或略低于工件表面，一定范圍內(nèi)的離焦量可使切割能量分布相對均勻。圖7是在激光功率30 W、切割速度20 mm/min、脈沖頻率50 Hz、離焦量分別為-0.6、-0.3、0、0.3 mm時，切縫寬度和表面粗糙度的變化曲線?？煽闯?，當處于零離焦時，切縫寬度和表面粗糙度值均最小。

3 結(jié)論

（1）通過采用脈寬100 μs、重復頻率50 Hz、波長1064 nm、脈沖時間0.5 s的Nd：YAG激光加工Al2O3陶瓷，測得陶瓷的燒蝕閾值為0.127 J/cm2，激光束腰半徑ω0為60.6 μm。

（2）激光功率和切割速度決定著切割線能量的大小，適當增加線能量有利于提高切割斷面質(zhì)量，但會增大切縫寬度，同時需避免材料的過燒和崩邊現(xiàn)象。增加脈沖頻率，可使激光單脈沖能量降低，切縫寬度和表面粗糙度均有所改善。在激光切割薄材料時，宜采用零離焦量來減小縫寬，提升切割質(zhì)量和效率。

（3）對于Nd：YAG長脈寬激光加工3 mm厚的Al2O3陶瓷，采用激光功率30 W、脈沖頻率60 Hz、切割速度30 mm/min、零離焦量等工藝參數(shù)時，能取得良好的切割效果。同時，應力引導控制裂紋法是未來陶瓷切割的一個重要發(fā)展方向。

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Study on Laser Cutting Technology of Al2O3Ceramic

JIA Zhixin1，HUANG Jingang1，GAO Jianqiang2，F(xiàn)ANG Zexu2，GUO Qiang1
（1.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Suzhou New Spark Machine Tool Co.,Ltd.，Suzhou 215164，China）

In order to explore the Al2O3ceramic laser cutting technology characteristics，processing experiments of cutting Al2O3ceramic with Nd:YAG laser were carried out.Firstly，the laser ablation threshold of Al2O3ceramics was obtained by drilling experiment.After that，the effects of laser power，cutting speed，pulse repetition rate and defocusing amount on cutting quality were analyzed though the cutting experiment.The results show that the laser cutting quality of Al2O3ceramic can be improved by optimizing the process parameters，while the efficiency was guaranteed.

laser cutting；Al2O3ceramic；ablation threshold；technological experiment

TG485

A

1009－279X（2017）01－0039-04

2016-09-30

北京市自然科學基金資助項目（3162020）；蘇州吳中區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領軍人才資助項目（WC201520）

賈志新，男，1968年生，教授。