（机械制造及其自动化专业论文）激光切割工程陶瓷装备与工艺研究.pdf

塑堕查堂垫塑型堡墨苎! 垫些竖主堂竺兰、业笙苎塑里 摘要 激光加工是一个热作用过程，加工的难易与被切材料的硬度无直接联系，而主 要取决于材料的热物理性，无疑是解决高效、低成本、无损伤加工工程陶瓷问题的 有效途径之一。同时，激光切割机配上多坐标运动数控系统后，可根据给定的程序 对任意形状、尺寸的板材进行切割，具有高度柔性，因此激光切割方法将为工程陶 瓷材料更广泛的应用提供有力的保证。 对于激光切割工程陶瓷来说，其切割质量由切口表面形状( 粗糙度、刀口宽度、 毛刺高度) ，裂纹损害( 最大平均裂纹长度、裂纹密度) 和对材料的影响三部分因 紊共同决定，而由于切割过程中的热量过载引起的微裂纹对质量的影响尤为重要。 切割微裂纹将导致材料强度的降低，从而导致加工失败。采用高重复频率、高峰值 功率、短脉宽并具有适当的平均功率的c o ：调q 脉冲激光和采用高速多次重复走刀 工艺可以获得无裂纹的精细切口并具有一定的切割效率。本文的主要内容如下： 1 激光器的研制 通过对共振腔内气体类透镜效应和模体积与激发体积相匹配问题的研究，在连 续c o ：激光器研制过程中设计了一种具有较大激发能量和良好的横膜选择能力的 多折腔并通过特殊的结构设计，使其具有机械和热稳定性，最后得到最大输出功 率1 0 0 0 w 的基模输出。 在此基础上，调整谐振腔设计参数，并针对激光切割硬脆材料的特殊要求，通 过对脉冲波形、峰值功率和重复频率的分析，采用机城斩光盘式调q 装置，研制成 功c o ：调q 脉冲激光器，获得以近高斯模输出为主，重复频率2 0 k h z ，主脉宽lh s ， 峰值功率1 5 k w 以上，平均功率大于5 0 0 w 的调q 脉冲输出。 2 脉冲激光切割s i ，n 。陶瓷过程中裂纹产生与控制的研究 通过采用经典的热传导理论对任意形状脉冲激光加热过程中温度场进行了研 究。针对矩形脉冲计算了切割过程中热影响区的大小，从理论上对微裂纹的形成和 消除进行了分析，结果表明，占空比越小，热影响区越小：在同一占空比下，切速 湖南大学机械制造及其自动化博士学位毕业论文 摘要 越快，越有利于减小热影响区，这些都对裂纹低减小和消除有利。但是，随着占空 比的减小和切速的增加，分离单位切口面积所需激光能量( 比能) 热必增加。这对 激光能量的利用是不利的。 4 脉冲激光切割过程的理论分析： 针对汽化切割过程，考虑了切口烧蚀前沿的形状对吸收的影响和切口的几何形 貌，采用了一个简单的二维模型，在能量平衡基础上，建立了一个脉冲激光切割数 学模型，分析了脉冲激光切割机理。在此数学模型基础上进行数值计算，得到了在 一定切割条件下的烧蚀前沿形貌，预测了此条件下单次走刀切割深度。得出结论： 当切割速度较高时，切割较厚的工程陶瓷材料必须采用多次重复走刀工艺。 s 无损伤高效切割s i ，n 。陶瓷材料试验 使用有效平均输出功率为3 5 0 w ，光束模式为近高斯模，脉冲重复频率为2 0 k h z ， 脉冲波形为一纯尖峰脉冲后带一尾部平台，主脉宽为1 i ts 脉冲峰值功率为1 0 k w 的c o ：调q 脉冲激光器，并通过一焦距为1 5 0 毫米的平凸透镜聚焦，获得实际聚焦 光斑直径为0 2 毫米，焦点置于试件中心平面上，对s i ，n 。热压烧结陶瓷工具刀头进 行了切割裂纹和切割过程试验。为获得有一定效率的无裂纹激光切割，研究了裂纹 长度、裂纹密度和所需比能与速度的关系，并对在一定速度下各次走刀所去除的材 料质量和切口深度等参数进行了测量。使用高速重复走刀切割工艺，采用两种不同 的切割方法一划痕法和穿透切割法，均获得了无裂纹的精细切口。 关键词： 激光器c 0 2 调q 脉冲 切割 s i 3 n 。工程陶瓷 v 塑塑查兰! ! 堡型垄丝苎皇垫些堕主兰竺兰些堡苎 垒! ! 堕 a b s t r a c t d u et oi n c r e a s i n gd e m a n d so nt h e r m a l a b r a s i v ea n dc h e m i c a lr e s i s t a n c eo ft e c h n i c a l m a t e r i a l se n g i n e e r i n gc e r a m i c sf i n dm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n si nm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a l a n db i o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g b u tt h e s em a t e r i a l sa r ed i f f i c u l tt om a c h i n eb yt r a d i t i o n a l p r o d u c t i o np r o c e s s ，a st h e ya r e t o oh a r da n db r i t t l e t h u s i n d u s t r yt r i e s t of i n do t h e r m a c h i n i n gp r o c e s s e si n s t e a do fi n f l e x i b l ec u to f fg r i n d i n gw i t he x p e n s i v ed i a m o n dt o o t s w h i c hi st i m ea n dc o s tc o n s u m i n ga n di m p o s s i b l et oc u to u t l i n eo fc u r v e l a s e rc u t t i n gi sat h e r m a lp r o c e s s t h em a t e r i a l s t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sr a t h e r t h a nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd e c i d ew h e t h e r t h e yc a nb em a c h i n e de a s i l yo nn o t m o r e o v e r j ti sp o s s i b l et oc u tc o m p l e xc o n t o u r sb e c a u s eo fi t sh i g hf l e x i b i l i t y s oa so n eo fv a r i o u s a l t e r n a t i v ep r o c e s s e sl a s e rb e a m m a c h i n i n g i sg o i n gt ob ea d a p t e da n da t t r a c t i v et oc u t t i n g o fe n g i n e e r i n gc e r a m i c ss u c ha ss i 3 n 4 n e v e r t h e l e s sl a s e rc u t t i n gs u c hb r i t t l em a t e r i a l sa s c e r a m i c sh a si t so w np r o b l e m s d u r i n gt h el a s e rc u t t i n gp r o c e s st h ef o r m a t i o no fah e a t a f f e c t e dr e g i o ni su n a v o i d a b l ea n dt h i sh a sat e n d e n c yt oi n d u c ec r a c k s s o1 a s e rc u t t i n g e n g i n e e r i n gc e r a m i c se f f i c i e n t l ya n dw i t h o u td a m a g ei sa l la t t r a c t i v es u b j e c tt os o l v e m a t e r i a l sp r o p e r t i e s ，l a s e rp a r a m e t e r sa n dw o r k p i e c eg e o m e t r yh a v eam a i ne f f e c to n t h er e s u l to ft h el a s e rc u t t i n gp r o c e s s t h eq u a l i t yo fl a s e rc u te n g i n e e r i n gc e r a m i c si s c h a r a c t e r i z e db yt h ep r o f i l eo ft h ec u ts u r f a c e ( r o u g h n e s s ，k e r fw i d t h ，b u r rh e i g h t ) ，c r a c k d a m a g e ( m a x i m u m a v e r a g el e n g t ho fc r a c k s ，c r a c kd e n s i t y ) ，a n de f f e c to nm a t e r i a l i n a d d i t i o nt oc u ts u r f a c eg e o m e t r y ，w h i c hi sa l s or e l e v a n tf o rm e t a l s ，c r a c kd a m a g ei so f g r e a ti m p o r t a n c e t h e r m a lo v e r l o a dd u r i n gt h ec u t t i n gp r o c e s sh a st ob ep r e v e n t e di n o r d e rt oa v o i du n s t a b l ec r a c kg r o w t h c r a c kl e n g t h ，c r a c kd e n s i t ya n dr e s i d u a ls t r e s s i n d i c a t ep a r ts t r e n g t hr e d u c t i o n am e c h a n i c a lc h o p p e rq s w i t c h e dc 0 2 p u l s el a s e rw i t hh i g hp e a kp o w e r ，h i g hp u l s e r e p e t i t i o nr a t e ，s h o r tp u l s ed u r a t i o n ，m o d e r a t ea v e r a g ep o w e ra n dn e a rg a u s s i a nm o d ei s d e v e l o p e d u s i n gt h i sl a s e r ，am u l t i p a s sc u t t i n gp r o c e s sw i t hh i g hc u t t i n gs p e e d i s p r o p o s e df o rc u t t i n ge n g i n e e r i n gc e r a m i c ss u c h 髂s i ，n c e r a m i c s c r a c k f r e ea n df i n ec u t i so b t a i n e d t h em a i nc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o i l o w s ： 1 d e v e l o p m e n to f t h e1 a s e ru n i t i nd e s i g n i n gt h ec o n t i n u o u sw a v el a s e ru n i t ，t h et h e r m a ll e n s i n ge f f e c to f c 0 2l a s e r p l a s m ai st a k e ni n t oa c c o u n t am u l t i - f o l d e dr e s o n a t o rt h a th a st h eg o o dt r a n s v e r s em o d e s e l e c t i o na b i l i t ya n dt h e l a r g e s tb e a me n e r g yi sd e v e l o p e d t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h e r e s o n a t o rm i r r o r si st oi n s u r et h a tt h eb e a mr a d i u sa ta l l s p h e r i c a lm i r r o r sa r ee q u a lb y 湖南大学机械制造及其自动化博士学位毕业论文 a b s t r a c t t r a c i n gt h eg a u s s i a nb e a m w h i c hi n s u r e st h a tt h em o d ev o l u m em a t c h e st h ed i s c h a r g e v o l u m ew e l l d u et oa s p e c i a l s t r u c t u r ed e s i g na n dt h e u t i l i z i n g o ft h el o wt h e r m a l e x p a n s i o nm a t e r i a l s ，t h ef o l d e dr e s o n a t o ro f t h el a s e ru n i ti ss t a b l eb o t hm e c h a n i c a l l ya n d t h e r m a l l y a tl a s t ，af o l d e dq u a s i s e a l e d - o f fc 0 2l a s e r u n i to f10 0 0 wa n dg o o db e a m q u a l i t y ( n e a rt e m o om o d e ) i sd e v e l o p e d b a s e do nt h e f o r e g o i n g c o n t i n u o u sw a v el a s e r u n i t ，am e c h a n i c a lc h o p p e rq s w i t c h e dc 0 2p u l s el a s e ri sd e v e l o p e dt h e n t h er e s o n a t o rp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e dd u r i n g t h ed e s i g np r o c e s s m o r e o v e r ，a i m e da tt h es p e c i a lr e q u i r eo fl a s e rc u r i n gh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l s ，t h ep u l s ew a v e f o r m ，p e a kp u l s ep o w e ra n dp u l e sr e p e t i t i o nr a t ei s a n a l y z e d c a r e f u l l y a tl a s t ，am e c h a n i c a lc h o p p e rq - s w i t c h e dc 0 2p u l s el a s e rw i t h 15 k wp e a k p o w e r ，6 usp u l s ed u r a t i o n ( t h em a i np u l s ed u r a t i o ni s1us ) ，2 0 k h zp u l s er e p e t i t i o nr a t e 。 5 0 0 w a v e r a g ep o w e r a n dn e a rg a u s s i a nm o d ei sd e v e l o p e dt o o 2 t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ef o r m a t i o na n de l i m i n a t i o no ft h ec r a c k sd u r i n gp u l s e d l a s e rc u t t i n gs i 3 n 4c e r a m i c s h e a t i n ge f f e c t si n d u c e db yap u l s e dl a s e ri nas e m i i n f i n i t em e d i u mi nv i e wo ft h e t h e o r yo ft h e r m a lc o n d u c t i o ni ss t u d i e d b yt h i ss t u d y ，t h et e m p e r a t u r ef i l e di so b t a i n e d t h e nt h eh e a t a f f e c t e d r e g i o n i sc a l c u l a t e d d u r i n gr e c t a n g l e l a s e rp u l s e sh e a t i n g i ti s s h o w st h a tt h ec o n t i n u o u ss u r f a c et e m p e r a t u r ei saf u n c t i o no ft h ep u l s ed u r a t i o nr a t i o t h es m a l l e rt h ep u l s ed u r a t i o nr a t i o ，t h el o w e rt h ec o n t i n u o u ss u r f a c et e m p e r a t u r e a tt h e s a m ep u l s ed u r a t i o nr a t i o ，t h ef a s t e rt h ec u t t i n gs p e e d ，t h es m a l l e rt h eh e a t - a f f e c t e dr e g i o n ， w h i c ha r eu s e f u lt or e d u c ea n de l i m i n a t ec r a c k s o nt h eo t h e rh a n d i ft h ep u l e sd u r a t i o n r a t i oi st o os m a l lo rt h ec u t t i n gs p e e di st o oh i g h ，t h ee n e r g yn e e d e df o rs e p a r a t i n gp e r a r e am a t e r i a l ( s p e c i f i ce n e r g y ) w i l li n c r e a s et os o m ee x t e n d ，w h i c hi sd i s a d v a n t a g e o u st o i m p r o v e t h ec u t t i n g e f f i c i e n c y 4 t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ep u l s e dl a s e rc u t t i n gp r o c e s s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t i v es h a p eo f t h ec u tf r o n tt h a th a si n f l u e n c et ot h ea b s o r p t i o no f t h el a s e rb e a m ，am a t h e m a t i c sm o d e lc o n s i d e r i n gas i m p l i f i e d2 d g e o m e t r yb a s e do nt h e g e o m e t r yo fap u l s e dl a s e rc u td u r i n gv a p o r i z a t i o nc u t t i n gp r o c e s si s d e v e l o p e d t h i s m o d e li sb a s e do nt h ee n e r g yb a l a n c e n u m e r i c a lv a l u ei s c a l c u l a t e db yt h ei n p u to ft h e c o n c r e t el a s e ru n i ta n dc u t t i n gp a r a m e t e r ss u c ha st h ep e a kp u l s e p o w e r ，p u l s er e p e t i t i o n r a t e ，p u l s ed u r a t i o na n dc u t t i n gs p e e d t h em e c h a n i s ma n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h e p r o c e s sa r ea n a l y z e d i td r a w s ac o n c l u s i o nt h a tw h e nt h ec u t t i n gs p e e di s h i g h m u l t i - p a s s c u t t i n gi sn e e d e df o rc u t t i n gt h r o u g ht h i c ks a m p l e s 5 e x p e r i m e n t so f c r a c k - f r e ea n de f f i c i e n tp u l s e dl a s e r c u t t i n gs i 3 n 4c e r a m i c s u s i n gaq s w i t c h e dc 0 2p u l s el a s e rw i t ha c t u a la v e r a g eo u t p u tp o w e ro f3 5 0 w t h e t r a n s v e r s em o d eo fn e a r t e m o o ，p u l s er e p e t i t i o n r a t eo f2 0 k h z ，p u l s ew a v e f o r mo fa c o m p o s i t el a s e rp u l s et h a ti sai n i t i a lp u l s ef o l l o w e db yat a i l ，t h em a i np u l s ed u r a t i o no f1 usa n dt h ep e a kp u l s ep o w e ro f10 k w am u l t i - p a s sc u t t i n gp r o c e s sw i t hh i g hs p e e di s p r o p o s e df o rc u t t i n gh a r da n db r i t t l em a t e r i a l ss u c ha ss i 3 n 4c e r a m i c s t h el a s e rb e a mi s i i 湖南人学机械制造发其自动化博士学位毕业论文 a b s t t a c t f o c a l i z e db yap l a n e c o n v e xl e n st h a tt h ef o c a ll e n g t hi s15 0 m m t h ef o c u sj sa tt h ec e n t e r p l a n eo ft h es p e c i m e na n dt h ef o c u s e df a c u l ad i a m e t e ri sa b o u t0 2 m m a i m i n gt or e a l i z e ac r a c k - f l e ec u t t i n g ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r a c kd e n s i t y ，a v e r a g ec r a c kl e n g t ha n d c u a i n gs p e e da sw e l la st h es p e c i f i ce n e r g yi s s t u d i e d t h ec u t t i n gp r o c e s si sa l s os t u d i e d b ym e a s u r i n g t h ec u td e p t ho f e v e r yp a s sa tac e r t a i nc u t t i n gs p e e d b yu s i n gt w od i f f e r e n t c u t t i n gm e t h o d s ，p r e t t yf i n ec u t sa r eb o t ho b t a i n e d k e y w o r d s ：c 0 2 l a s e ru n i t ，q - s w i t c h e dp u l s el a s e r ，c r a c k f r e e ，c u t t i n g ，s i 3 n 4c e r a m i c s l i i 塑堕查堂型! 竖型丝墨垦鱼垄些壁主堂笪兰些堡茎 一 激光切割工程陶瓷装备与工艺研究 ( 摘安) 博士研究生：洪蕾 指导教师：李力钧教授 f 提要1为适应切割工程陶瓷类硬质脆性非金属材利的需要t 在设计研制准封离型连续c 0 2 激光器基础 i ：，采用机械斩光盘式调q 装雹，调整设计参数，研制成功0 3 2 调q 脉冲激光器，获得平均输出功率 为5 0 ( ) w 的近高斯模输出，其脉冲峰值功率为1 5 k w ，脉冲重复频率为2 t ) k h z ，主脉宽为lus 。以此激 光器，对以s i d 叱为代表的工程陶瓷材料进行了切割试验。在理论分析脉冲汽化切割机理和最优化参数 以降低和消除切割裂纹，提高能量利用率基础上，采用高速重复走刀切割工艺，在具备一定的切割效率 的同时，获得了无裂纹的精细切口。 f 关键词i 激光器0 0 2 调q 脉冲、切割s i f 也工程陶瓷 。 一、综述、州、 【椁陶瓷由于具有突出的物理、化学和机械性能而在工业中得到日益广泛的应用。但是由于材料硬 h 睫，用传统的机械加工方法很难进行加工。激光加工是一个热作用过程其难易取决于其热物瑚性 能，但由于材料的高度脆性，热传导率低，在切i = i 区有较大的温度梯度，采用连续或普通脉冲激光在热 影响区易产生裂纹，降低材料强度。而0 晚调q 脉冲激光器可获得高峰值功率和高重复频率的脉冲输 出，使切割过程以汽化切割为主，有利于减小热负荷，提高切口质量。故研制开发具有高峰值功率和高 琶丝频：年的机械斩光盘式c o ，调q 脉冲激光器，进行高效尤损伤切割工艺的研究，仃较人现实意义。 二、激光器的研制 1 激光器的选用和方案比较：机械斩光盘式o q 调q 脉冲激光器较为理想。 2 连续激光器的研制 ( 1 ) 总体方案一总长约2 0 米的石英放电管，经十重折叠，分段真流激励，每段放电管之问通过反射镜 榴光路耦台。十根放电管分为相互平行的两排放置，之间用两片4 5 。转折反射镜将全部光路耦合起来。 ( 2 ) 博振腔的设计：在计及气体内透镜效应的同时，追寻高斯光束的变化，使所有球面反射镜上光束半 径相等使每段放电管内模体积与放电体积形成很好的匹配，从而获得尽可能高的输出功率。 ( 3 ) 试验结果：最大激光输出功率为1 0 0 0 w ，横向模式以吒为主，激光束远场发散全角为l m r a d 。 3 机械靳光盘式c o ：调q 脉冲激光器的研制 【1 ) 总体设计：将原乎行两排放置的放电管各自的端部分别用镀增透膜的z n s e 透镜封隔，通过一9 ( ) 。 镀金圆锥面镜将光路耦合。从平行放置的两根放电管端部出来的平行光被圆锥面镜聚焦成沿其光轴的一 条线，并在其焦平面处被一高速旋转的斩光盘所开、断，以使谐振腔q 值产生周期性突变。 ( 2 ) 谐振腔的特点：对谐振腔的参数避行调整时计及两排放电管各自端口的z n s e 透镜对激光的吸收所 产生的窗口热透镜效应，其等效透镜焦距为7 6 m m 。 ( 3 ) 脉冲参数的分析：可获得两种脉冲波形纯尖峰脉冲或尖峰脉冲后带尾部平台的组合脉冲：在 切割1 ：程陶瓷等材利时，c o ，脉冲激光的功率密度应足够高，保证村荆以汽化去除为主进行加工，但不 举r 产生光子等离子体；脉冲重复频率的选取原则是在保证足够高的峰值功率下有较高的乎均功率。 几个关键性技术伺题：圆锥面镜及斩光盘的制造工艺、安装和z n s e 窗口平行度要求。 “1 湖南大学机械制造及其自动化博士学位毕业论文 ( 5 ) 实验方法及结果分析：脉冲激光器输出仍以基模为主，脉冲重复频率为2 0 k h z 。对脉冲波形进行调 整，获得两种波形：组合脉冲一主脉宽为l 雌，尾部平台宽度为4 p a t 平均功率为5 0 0 w ，峰值功率为 1 8 k w ：纯尖峰脉冲一主脉宽为l 螂，平均功率为3 0 0 w ，峰值功率为1 5 k w 。 _ 脉冲激光切割瓯n 4 陶瓷过程中裂纹产生的机理分析 1 概述 2 任意形状激光脉冲作用于半无限体上的温度场 3 矩形脉冲激光热影响区的计算 在下一脉冲开始时的表面温度是脉冲占空比的函数占空比越小，该表面温度越低。当脉冲频率低 至l k h z 时，热影响区披限制在数微米。脉冲重复频率高至2 ( 1 乜时，激光平均功率和切割效率都将得 到提高，热影响区显著增大甚至达1 毫米，这对消除表面裂纹是不利的。但在激光切割过程中激光束相 对于试件表面以一定速度移动，先后而至的两个脉冲的作用光点间距加大。对于试件上某一点，随着作 用光点的离开，其吸收的激光功率密度下降，故此点表面温度将随着辐照时间的增加而振荡下降，此时 热影响区也被限制存一极小值，这对于消除裂纹是非常有利的。 四、脉冲激光切割过程的理论分析 1 概述 2 脉冲切割过程的数学模型表达式为： 鉴 一i 卜d 诗( 肌e 凹) 川 3 数值计算：计算得到一特定切割条件下烧蚀前沿倾角与x 关系陆线和烧蚀前沿曲线。 五、无损伤高效切割瓯n 陶瓷材料试验 1 试验装置和方法：c 0 2 调q 脉冲激光器平均输出功率为3 5 0 w ，光束模式为近高斯模，脉冲重复频 窜为2 0 k h z ，脉冲波形为组合脉冲，主脉宽为1 us ，脉冲峰值功率为1 0 k w ，通过焦距为1 5 0 毫米 的，f l _ 凸透镜聚焦，获得实际聚焦光斑直径为02 毫米，焦点置于试件中心平面上。 2 切割裂纹试验：研究了裂纹长度、裂纹密度和所需比能与速度的关系：使用高速重复走刀切割工 艺，；畏用两种不同的切割方法一划痕法和穿透切割法，均获得了无裂纹的精细切口。 3 切割过程试验：对在一定速度下各次走刀所去除的材料质量和切口深度等参数进行r 测量。 六、全文总结 在设计研制准封离型连续0 0 2 激光器基础上，采用机械斩光盘式调q 装置，研制成功c q 调q 脉 冲激光器，获得平均输出功率为5 0 0 w 的近高斯模输出，其脉冲峰值功率为1 5 k w ，脉冲重复频率为 2 0 d = i z ，主脉宽为ips 。以此激光器，对以s i g n , 为代表的工程陶瓷材料进行丁切割试验。在理论分析 脉冲汽化切剖机理和最优化参数以刚琵和消除切割裂纹，提高能量利用率基础上采用高速重复走刀切 割- r 艺t 在具备一定的切割效率的同时，获得了无裂纹的精细切口。 作者在攻读博士学位期间发表的相关论文( 略) 致谢( 略) 答辩时间：二o o o 年九月 2 塑塑查兰垫堡! ! 望丝基鱼垫些堕主主堡望些笙奎蔓二童一笙查 第一章综述 1 1工程陶瓷加工现状 近年来工程陶瓷的需求量大为增加，在宇航工业、汽车工业、生物工程等工业部门 正得到日益广泛的应用。这是由于以s i ，n 。为代表的工程陶瓷具有极为突出的特性。这 些特性包括高的强度一重量比；极好的抗疲劳性：与传统陶瓷相比得到提高的韧性； 大多数工程陶瓷是绝缘体和隔热体( 这只是一般规律，氧化硅和氮化铝则是由于其高 的导热率被使用) ：具有化学稳定性以及在高温下的机械和物理稳定性。但是从加工 的角度，典型的工程陶瓷材料一个显著的特点就是非常硬且脆性大，这是由其具有局 部的共价离子结合键并有排列整齐的晶体结构所决定的【s c h w a r t zm 】。由于其脆， 任何的应力集中都将引起脆性断裂，或者需要表面精加工，缺乏对多种表面加工的适 应性，因此用传统的加工方法很难对其进行无损伤加工。由于工程陶瓷具有高硬度， 因此常常被用作切削刀具。但由于其硬，用传统的以硬对硬的方法，使成形加工既困 难又成本商这已成为了制约陶瓷复合材料大量并迅速推广使用的一个主要原叫符锡 仁1 i n i k u m bs k e ta l l 。例如：热压烧结s i 3 n 4 陶瓷大量用作切削刀具，其制造工 艺通常是先热压烧结成较大尺寸的板，然后切割成各种形状尺寸的刀片。采用金刚石 锯片切割，效率低，金刚石消耗大，成本高，且不能切割非直线轮廓。不得已而在材料 中加入导电添加剂后采用线切割，又改变和降低了材料原有的性能。据估计，在美国 市场，工程陶瓷的销售额将以8 2 的速率，即从1 9 9 6 年的$ 3 6 5 ，0 0 0 ，0 0 0 增长至 2 0 0 1 年的$ 5 4 2 ，0 0 0 ，0 0 0 a n o n y m o u s l 。而在1 9 9 7 年的国际市场，加工后的工程陶 瓷材料的销售额将近$ 3 7 5 亿 a n o n y m o u s 。因此可以说，工程陶瓷经济、高效并无 损伤加工的问题一旦解决，市场需求的年增长率不但可以远远超过8 2 ，并将导致 性能更加卓越的产品问世。激光加工是一个热作用过程，加工的难易与被切材料的硬 度无直接联系，无疑是解决这一问题的有效途径之一。 表1 1 1 是工业中已试用的切割陶瓷材料的加工工艺比较i h k t o n s h o f fe t a l 1 】a 从表中可以看出，用金刚石砂轮进行加工，可在较高的切割速率下或得较大的材 料切割厚度( 2 0 0 m m ) 和较光整的切口表面，但是加工过程中有较大的机械和热负 荷，必须用冷却液辅助加工。只有金刚石绳带在成形切割中热负荷较低，但加工速率 湖南大学机械制造及其自动化博士学位毕业论文 第一章综述 也较低。带磨料的水射流加工特别适用于钻孔，但不适用于特别硬的材料。研磨剂辅 助超声波加工可以分离切割较厚的陶瓷材料，但是更适用于使用对称工具加工，因此 在成形加工中缺乏柔性，只能加工极小的尺寸。电火花腐蚀加工既具有高度柔性，切 割材料又厚，并且机械和热负荷较小，但仅适用于导电材料。 表 面 切切 机 粗 口 割 械 热 糙 宽厚 负 负 实例 度度 荷 荷 切速v 切割工艺工具应用 度 口 曰 ( m m m i n ) ( m m ) 0目 ( 1 0 m m ) 研磨金刚石 切割板状或条 o a 1 2 0 3 一 分离切割砂轮状材料 一 v = 5 0 0 金刚石焊接金 口目 s i 3 n 4 金属丝刚石或 成形切割 o ( 5 r a m ) 一 c b n 金 一 v = 1 5 属丝 水和腐成形切割和 一 da i ：0 3 。 水射流 蚀性材钻孔 一( 8 m m ) 料 一v = 1 5 0 超声波发封闭的对称 a 1 2 0 3 生器和研精细边界加 o 口 去除速率 一 超声波 磨剂 3 - l o m m 3 m i n 一 铜、石墨、对导电材料 口 日 s i c h 电火花 钨电极和的成型加工o( 1 0 m m ) 一 腐蚀 绝缘体 v = 6 0 n 表i i - i切割陶瓷工艺比较 2 湖南大学机械制造及其自动化博士学位毕业论文 第一章综述 1 2激光加工工程陶瓷综述 激光加工是一个热作用过程，加工的难易与被切材料的硬度无直接联系，而主要 取决于材料的热物理性，无疑是解决高效、低成本、无损伤加工工程陶瓷问题的有效 途径之一。同时，激光切割机配上多坐标运动数控系统后，可根据给定的程序对任意 形状、尺寸的板材进行切割，具有高度柔性，因此激光切工方法将为工程陶瓷材料更 广泛的应用提供有力的保证。 激光切割硬质脆性非金属材料一般有两种方法i 李力钧1i r n s m i t he ta l l ：划 痕法和穿透法。划痕切割通常为先用激光刻线，由于应力集中，材料很容易沿划痕裂 开。穿透切割类似于通常的切割方法，即熔化或汽化材料达到分离目的。不论用哪种 方法，由于材料热传导率较低，在激光切割过程中，切割区内存在很大的温度梯度， 可能产生很大的热应力，材料性质又非常脆，在热影响取极易产生裂纹。 分析和实践表明，从消除激光加工裂纹的角度来讲，脉冲激光比连续输出激光好 【s k n i k u m be ta l l s h o z u it a k e n 0 e ta t l 【i b l a c ka n dk l c h u a l 。在一定 范围内，脉冲峰值功率越高，脉宽越小，则切口材料汽化去除比例越大，导入被切材 料的热量越小，越有利于消除加工裂纹，因而调q 脉冲激光又比普通脉冲激光好 i r n s m i t he t - i l l 坂本治久1 l f 张珊、康少英- l l l 张珊、康少英- 2 k 在采用平均输出功率为5 0 0 w 的连续激光切割a 1 2 0 3 试验中，切i i 区域出现了严重 的切割裂纹【l - b l a c ka n dk l c h u a l ：同样，在平均输出功率1 0 0 0 w 连续激光车 削s i 3 n 试验中，加工区域也出现了明显的裂纹i s k n i k u m be ta i j o 采用c 0 2 普通 脉冲激光切割s i 3 n 陶瓷的实验结果也不很成功l s k n i k u m be ta 1 1f i b l a c ka n d k l c h u a 。而采用y a g 普通脉冲激光切割s i 3 n 陶瓷同样在材料表面存在重凝结 晶层及裂纹f h k t o n s h o f f - 2 l f j u n i c h iy a m a m o t o li p a f o i t e ra n d h g s c h m i d i 。由于切口存在微裂纹，抗弯强度降至切割前的i j u n i c h i y a m a m o t o 】。而采用声- 光调qy a g 脉冲激光，在s i 3 n 陶瓷上打孔和表面扫描，当脉 宽在2 0 0 n s 以下时，可把裂纹尺寸控制在晶粒尺寸以内，并得到表面质量高度完整的 加工表面。实现无损伤加t i 坂本治久- 2 1 这是由于声- 光调q 脉冲窄而峰值功率高， 材料以汽化去除为主，而激光作用时间极短，不利于等离子体云的形成和维持，因此 导入被切材料的热量小，并可在脉冲间隔时间内消散，从而极大的降低了切割过程的 热影响。但声- 光调qy a g 脉冲激光的平均功率一般在百瓦以下并且光束质量不好， 且陶瓷等非金属材料对y a g 激光的吸收不如对c o ：激光高，因而切割工程陶瓷等材料 时效率不高。 3 塑堕查兰垫堡型壅垒茎皇垫垡堕主兰垡兰些笙兰 墅= 里堡堕 1 3工业加工用激光器概述 经过三十多年的发展，目前激光器种类繁多，并不断涌现新的激光器。但是，适 用于激光材料加工用的激光器，当前仍主要为高功率c o ：激光器和掺钕钇铝石榴石 ( y a g ) 激光器两种。1 9 9 0 年，国际商用激光加工系统的产值中，c 0 2 激光加工系统 约占三分之二y a g 激光加工系统约占三分之- - s t e e nw m 1 。 c o ：激光器和y a g 激光器最重要的区别在于波长的不同。c 0 2 激光为1 0 6 um 波长，而y a g 激光波长为1 0 6 um ，恰好相差一个数量级。因此c 0 2 激光能被许多 非金属材料很好的吸收，特别是石英、陶瓷和