陶瓷激光切割技術(shù)的研究現(xiàn)狀與思考

曹鐵生

（深圳市萬福昌科技有限公司，廣東深圳 518000）

1962年，R.L.Coble 首先研究并成功生產(chǎn)了高性能的氧化鋁復(fù)合陶瓷，為復(fù)合陶瓷技術(shù)開拓了嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域。陶瓷材料憑借其獨(dú)特的性質(zhì)在材料領(lǐng)域獲得了自己的一席之地，有著質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、硬度高、抗摩擦耐熱、抗氧化、耐腐蝕的優(yōu)良特性，這些特性都是金屬和其他有機(jī)分子材料所無法媲美的，也使得其在航空航天電子科技、激光海洋生物工程等高新技術(shù)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用（表1）。

表1 陶瓷材料不同性能的應(yīng)用

但是陶瓷材料有著一個(gè)致命的通病，那就是脆度非常大，這也是陶瓷材料的致命弱點(diǎn)，也嚴(yán)重阻礙了陶瓷材料工程化的推廣應(yīng)用。目前通過復(fù)合加工和成型工藝都可以在一定程度上提高陶瓷的可塑性，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的陶瓷零構(gòu)件的使用需求，很多情況下，都需要對陶瓷進(jìn)行修整加工，根據(jù)實(shí)際的使用需求，切割出滿足安裝條件的陶瓷零件，因此，切割技術(shù)也決定著陶瓷零件能否有更加廣闊的發(fā)展前景。

近些年來的激光切割技術(shù)便解決了這種難題。激光切割技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，因此，對于陶瓷零件的精度可以很好地控制，同時(shí)激光切割技術(shù)還有著柔性化、切割效率高的特點(diǎn)，因此，近些年來開始被廣泛應(yīng)用。

1 激光切割技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的切割工藝相比，激光切割有著非常明顯且獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，激光切割的原理是將能量進(jìn)行壓縮，集中在一點(diǎn)高濃度集中的能量和壓力結(jié)合在一起也就創(chuàng)造出了更加狹窄的到這種刀可以切割出更小更窄的材料區(qū)域，降低切割能量和材料的浪費(fèi)，并且由于其可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，使得其具有高度的準(zhǔn)確率，并且激光切割還可以切割非常復(fù)雜的幾何形狀，并且切割完成后的材料原件表面并不會出現(xiàn)毛刺，有著更加平滑的邊緣，由于這些原因激光切割技術(shù)才能夠在陶瓷領(lǐng)域廣泛使用。采用激光切割的過程中，可以有效減少陶瓷元件所承受的機(jī)械壓力，因?yàn)榧す獠粌H消除了在切割過程中對陶瓷產(chǎn)生不利影響的沖擊力，而且加工區(qū)域較小，使得陶瓷件的其他部位所受到的熱影響較小，在保留材料特性的同時(shí)也不會導(dǎo)致加工陶瓷的破碎，并且，對于在電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用的陶瓷材料來說，需要更為精細(xì)的切割技術(shù)，才能夠滿足實(shí)際的使用需求，而激光切割技術(shù)便可以將自身精度高的特點(diǎn)，充分應(yīng)用在切割電子領(lǐng)域的陶瓷電子元件上面，傳統(tǒng)的陶瓷切割技術(shù)為了加工出一個(gè)零件，往往會浪費(fèi)非常多的陶瓷材料，這使得陶瓷元件的價(jià)格居高不下，但是如果應(yīng)用了激光切割工藝，會使得原來能夠加工一個(gè)零件的材料，能加工出更多的元件，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，其整體的質(zhì)量反而還有所提升，同時(shí)，使用激光切割還有一個(gè)好處，那便是激光可以切割較厚的陶瓷材料，這也就使得大型陶瓷元件的制造可以成為現(xiàn)實(shí)，激光切割還可以根據(jù)所需要切割元件的規(guī)模不同來進(jìn)行調(diào)整，因此，激光切割技術(shù)可以非?？斓倪m應(yīng)市場，制造業(yè)對于陶瓷元件規(guī)格的整改，再加上激光切割技術(shù)對于零件的加工是一次成型的，對于某些工程當(dāng)中定制使用的原件，可以很快地加工出來。圖1為激光加工裝置簡圖。

圖1 激光加工裝置

2 現(xiàn)階段激光切割技術(shù)的方法

現(xiàn)階段，激光切割技術(shù)采用的還是二氧化碳激光熱加工切割，而且二氧化碳激光切割技術(shù)是目前熱加工當(dāng)中對于陶瓷切割最為主要的切割手段，之所以使用二氧化碳作為主要的切口手段，是因?yàn)槎趸夹纬杉す庑g(shù)后激光面積較小，面積小就會匯聚比較強(qiáng)的能量，在陶瓷材料上面的單體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較高的切割效率瞬間就可以使陶瓷材料的局部蒸發(fā)，并且，二氧化碳產(chǎn)生的激光束易于導(dǎo)向，可以更加方便地完成切割流程。當(dāng)前情況下，激光器的種類非常多，其衡量標(biāo)準(zhǔn)主要是以激光光束質(zhì)量以及材料對于激光光束熱源吸收的效率來進(jìn)行，選擇二氧化碳激光光束在加工陶瓷材料的過程中都比較符合，但是即使這樣，現(xiàn)階段的陶瓷激光切割技術(shù)仍有著非常大的弊端伴。隨著高精密陶瓷的不斷生產(chǎn)，陶瓷的脆性被無限放大，在加工過程中對于所受力的大小有了更高的要求，一旦激光產(chǎn)生的剪切應(yīng)力較大，就會導(dǎo)致陶瓷元件產(chǎn)生裂縫，甚至材料產(chǎn)生崩壞，因此，如何高效無損傷的利用激光對陶瓷進(jìn)行切割，一直是一個(gè)科學(xué)界有待研究的問題。近些年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，陶瓷切割技術(shù)也迎來了重大突破，其包括對傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)化，近些年來還提出了多道切割法和輔助切割法，接下來將就這三點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述。

3 現(xiàn)代科技背景下陶瓷切割工藝的優(yōu)化

3.1 傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)化

在優(yōu)化傳統(tǒng)切割工藝前，要先對激光切割技術(shù)有一個(gè)了解，激光切割技術(shù)及切割的原理是將匯聚的激光束照射到帶切割的工鼠器件上，照射區(qū)域會急劇升溫，使材料產(chǎn)生熔化或者氣化而熔化，氣化的過程由于表面溫度過高，是在一瞬間完成的，因此，便產(chǎn)生了所謂的切割，切割過程從激光束穿透元件開始，之后，光束也沿著加工元件的輪廓進(jìn)行移動將材料熔化，這時(shí)，融化的材料通常會被噴嘴處的氣流從切口吹走，噴嘴噴出的氣流，不僅只是起到將加工過程中產(chǎn)生廢料吹走，其更重要的作用是將零件表面激光束通過后產(chǎn)生的余熱進(jìn)行吸收，在切割的部分留下一道縫隙，而這道縫隙便是激光束切割過后產(chǎn)生的，因此，對于傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)化，便是要想辦法，盡量將切割過后元件與加工材料之間的這條縫隙變窄，即將激光束進(jìn)行細(xì)化，同時(shí)，降低激光束在加工過程中對于材料產(chǎn)生的熱效應(yīng)，傳統(tǒng)工藝優(yōu)化的第一步便是選擇合適的切割頻率在切割過程中不斷改變脈沖激光輸出的功率減小重復(fù)頻率，降低切割速度，同時(shí)降低外寬，盡量減少激光輸入對材料本身產(chǎn)生的熱效應(yīng)，降低裂縫的產(chǎn)生。采用線聚焦的方式控制切割速度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到，在切割激光束頻率相同的情況下，線聚焦方式下切割速度比點(diǎn)聚焦方式下的切割速度提升了4倍以上，并且線聚焦下的切割技術(shù)，可以有效減小激光束產(chǎn)生的熱效應(yīng)區(qū)，降低裂縫產(chǎn)生的概率。

傳統(tǒng)激光切割工藝優(yōu)化的第二步，是對切割儀器進(jìn)行優(yōu)化，由于激光切割儀器到目前為止發(fā)展的已經(jīng)較為完善，所以主要改進(jìn)的部位是氣流噴嘴，在前文中已經(jīng)提到氣流噴嘴的作用是噴出氣體，將加工過程中產(chǎn)生的材料碎屑吹走，并且降低材料表面的熱量。近些年來，科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，超音速氣流對材料加工過程中產(chǎn)生的熱量吸收效率是普通氣流的3.5倍，但是超音速氣流由于速度過大，根據(jù)相對論的知識，其作用力也是非常大的，這種作用力甚至超過了切割激光束對材料產(chǎn)生的切應(yīng)力，氣流速度一旦過大，很有可能會將金屬元件直接沖裂甚至沖碎，由于超音速氣流本身無法改變，科學(xué)家們便對超音速氣流的噴射裝置進(jìn)行了優(yōu)化，傳統(tǒng)的氣流噴嘴裝置為銅軸送氣方式而科學(xué)家們將同軸輸氣方式的噴嘴改變成了非同軸送氣方式，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，這種噴嘴對材料表面的氣體壓力為零，在吸收材料加工過程中熱量的同時(shí)，抑制了由于氣流沖擊產(chǎn)生的力對元件的損傷，甚至在實(shí)驗(yàn)室條件下產(chǎn)生了無裂縫切割，但是由于實(shí)驗(yàn)室條件的特殊性，切割技術(shù)還有著很廣泛的研究前景，以上兩步便是對傳統(tǒng)激光切割陶瓷工藝的優(yōu)化。

3.2 多道切割法

多到切割法的提出是為了加工大型的陶瓷元件，多道切割法是采用激光將需要切割的加工軌跡不斷進(jìn)行掃描，并且在這個(gè)過程中不斷改變激光的頻率將加工軌跡的深度不斷加深，從而達(dá)到切割陶瓷元件的目的，這種加工方法的操作難度較低，并且對于大型元件的加工及產(chǎn)生的裂縫，幾乎可以忽略不計(jì)，但是其最大的弊端便是在加工過程中需要不斷地對同一部位進(jìn)行切割，在這個(gè)過程中，可能會導(dǎo)致切割出的裂縫當(dāng)中含有大量的材料碎屑，這些材料碎屑會隨著加工過程不斷地積累，越積累越多，最后會將裂縫堵塞，浪費(fèi)加工過程中產(chǎn)生的能量，因此多道切割法通常配合大型的氣流噴射裝置進(jìn)行使用，在激光束通過的部位，通過大型氣流噴射裝置，將其表面產(chǎn)生的金屬碎屑快速處理。由于激光束的頻率是從低到高依次遞增的，因此其熱效應(yīng)也比較容易消除并不會擔(dān)心由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的開裂，由于多到切割法的出現(xiàn)，使得大型陶瓷材料元件加工得以實(shí)現(xiàn)，也使得陶瓷材料有了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.3 輔助切割技術(shù)

輔助切割技術(shù)是近些年來最為熱門的一種激光切割技術(shù)，其主要是將激光切割技術(shù)與一些傳統(tǒng)的切割技術(shù)相結(jié)合，研究出一種既有激光也將激光作為輔助工具的切割方法，在激光切割陶瓷工藝中，最常見的便是將水作為液體輔助幫助激光進(jìn)行陶瓷切割，在陶瓷切割過程中，有水可以帶走產(chǎn)生的大量熱量，降低裂縫產(chǎn)生的概率同時(shí)還可以避免陶瓷加工產(chǎn)生的粉塵直接散布到空氣當(dāng)中，對空氣環(huán)境造成污染，抑制了飛濺物的產(chǎn)生，并且由于加工過程是全程在水中進(jìn)行的，激光對于陶瓷材料表面產(chǎn)生的切應(yīng)力可以得到一定的緩沖，限制這項(xiàng)技術(shù)最大的環(huán)節(jié)便是陶瓷元件的大小，如果要切割的陶瓷元件過大，為了將陶瓷元件能夠浸泡在水中，便需要大量的水，但是水對于激光又有一定的折射，如果水的厚度過厚，折射率便會很大，很可能會降低切割的準(zhǔn)確度，同時(shí)會產(chǎn)生激光能量的浪費(fèi)，降低切割效果。該項(xiàng)技術(shù)最適用于切割的便是厚度較厚，但是表面積較大的陶瓷元件，這種元件的切割可以最大程度地發(fā)揮輔助切割技術(shù)的作用。

4 結(jié)語

伴隨著陶瓷材料的不斷發(fā)展，陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐日擴(kuò)大，激光在陶瓷加工方面的潛力也會越來越重，因此優(yōu)化激光切割技術(shù)，保證激光元件的加工質(zhì)量是未來發(fā)展的重要目標(biāo)。在加工過程中如何使陶瓷表面無損，是科學(xué)家未來主要的研究方向，特別是航天領(lǐng)域需要用到的陶瓷材料，其加工工藝和陶瓷元件的質(zhì)量要求更高，加工精細(xì)度更是要精確到納米級，由此可見，陶瓷激光加工技術(shù)未來的路還很長，需要更加深入的研究。