激光切割及其在切割陶瓷材料中的应用

激光切割

机械　　２００４年第３１卷第３期　 ５５

激光切割及其在切割陶瓷材料中的应用

邓英剑

（湖南冶金职业技术学院机械系，湖南　株州　４１２０００）　　

摘要：激光是一种理想的切割热源，本文简述了激光切割的工作原理、特点及其在切割陶瓷材料中的应用，并讨论了激光切割工艺参数及其对切割质量的影响。　

关键词：激光切割；特点；工艺参数；陶瓷；影响因素　

中图分类号: TG506 文献标识码：A 文章编号 :1006－0316(2004)03－0055－04

The laser incises and its application in cutting the ceramics

DENG YING－jian

(Hunan Metallurgical Professional Technology College，zhuzhou 412000，China)

Abstract：The laser is a kind of the perfectly hot source for incising, This text briefly introduce the work principle and characteristics of laser incising and its application in cutting ceramics, and the technical parameters of the laser incising and its influences the quantity are discussed.

Key words：laser incises；Characteristics；technical parameters；ceramic；influence factors

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，其焦点处的功率密度可达107 W/cm2~1011W/cm2，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。其工作原理示意图如图1所示。

反射镜

激光器

激光束

辅助气体

透镜 喷嘴移动方向

喷嘴

1激光切割的原理、类型及特点

被割材料

切割面

1．1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、

图1 激光切割原理图

收稿日期：2003-11-25

作者简介：邓英剑（1969－），女，高讲，研究生在读，原在工厂从事机械设计与制造工作，目前主要从事机电专业教学与研究，公开发表论文10多篇.

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1．2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。

1．3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。

①切缝窄，激光切割的割缝一般在0.10～0.20mm，节省材料。

②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。

③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（见表1）。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。

表1 几种工程陶瓷的热物理性能

密度（g/cm3） 升华温度Tb（ ） 分解温度Td（ ） 熔点Tm（ ） 热导率ë（W/cm k）

25 时

Si3N4 2.2~3.2 1990 1878 0.30

SiC 3.09~3.2 2600 0.81

Al2O3 3.6~3.9 2025 0.314

ZrO2 3.5 4275 2550 0.0195

2 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d（1/106K） 3 4 8.0 10

3 激光切割的工艺参数及其对切割质量的影响

一般来说，影响激光切割过程的主要因素有激光功率、切割速度、辅助气体流量及压力、光学系统的焦距及焦深、光斑直径及气体喷嘴形状等。

3．1激光功率和切割速度

激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。比如切割表面反射率高、导

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热性好的材料以及切割熔点高的材料，需要较大的激光功率和功率密度。采用不同的切割机理切割同种材料，所用的功率也不同，汽化切割所需功率最大，溶化切割次之，氧气切割最小。另外，随着材料厚度的增加，所需的激光功率也增加。

切割速度随着下列因素而发生变化： （1）材料厚度

1：500W；2：200W；工件材料：有机玻璃板

3．2辅助气体的压力（气体流量）

辅助气体的压力主要影响切割速度，增大气体压力可提高切割速度，但达到某一值时，继续增加压力反而会引起切割速度下降。如图3所示。 3．3聚光系统的焦距及焦深

一般使用焦距在6.3~25.4cm的聚光系统。采用短焦距可以得到高功率密度，适合于厚度薄或需要进行高速切割的工件；长焦距聚光系统产生的功率密度较低一些，但能在较宽范围内保持功率密度不变，适合于切割较厚的工件。

焦深对切割面的质量和切割速度具有一定的影响。比如切割较厚的钢板，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面，但它会使切割速度降低；而切割薄板时，宜采用小的焦深，这样，焦点光斑直径缩小，功率密度增大，切割速度加快。 3．4气体喷嘴

激光切割一般采用同轴（气流与光轴同心）喷嘴，如不同轴则在切割时容易产生大量飞溅；喷嘴高度（即喷嘴端面至工件上表面的距离）对切割质量也有影响，喷嘴高度大，喷出的辅助气流的动量易产生波动，影响切割质量和速度。一般都尽量减小喷嘴高度，通常为0.5~2.0cm。

图2 激光切割速度与工件厚度的关系

4 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，在热应力较高的部位会产生

（下转第６０页）

图3 气体压力对切割速度的影响

（2）材料密度

材料密度低，切割速度高。 （3）光束功率

光束功率高，切割速度快。 （4）光束模式

单模比多模切速高。 （5）光斑尺寸

光斑尺寸越小，切速越大。 在激光功率一定时，切割速度与工件厚度成反比；当工件厚度一定时，激光功率随着切割速度的加快，所需要的功率越高。

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当t=tC时,由公式（6）得到残余应力随径向分布的函数为：

σ(tc,r)=αE(Tz ktc)[e

zln(r1 r)atcTz ktc

1]

参考文献：

[1]（日）平修二.热应力与热疲劳[M].北京： 国防工业出版社. [2]（日）米谷茂.残余应力的产生和对策[M].北京： 机械工业出版社. [3]王常珍.冶金物理化学研究方法[M].北京：冶金工业出版社. [4]方博武.金属冷热加工的残余应力[M].北京： 高等教育出版社. [5]（美） Engineering fracture mechanics. New York.Pergamon Press 0013-7944.

[6]顾红星,赵席春,孙晓洁,等.薄壁渗碳件的裂纹分析及防止措施[J].大型铸锻件，2003，（3）.

[7]朱伟,陈梦雄,张辉,等.降低7075铝合金厚板淬火残余应力的工艺[J].金属热处理 ，2002，（7）. .

[8]姚新,顾剑锋,胡明娟,等.空心圆柱体GCr15钢淬火过程的计算机模拟[J].材料热处理学报，2003，（1）.

(7)

式中：α为温度为Tc时介质线胀系数；E为温度为Tc时介质弹性模量；tP为达到淬火平衡温度的时间；r1为零应力半径式（6）值；Tc为介质弹塑性转变温度；tc为介质达到弹塑性转变温度的时间。

当r=0时，σ(tc,0)为心部应力； 当r=r0时，σ(tc,r0)为表面应力。

当时间为t时，式(7)表达热应力，当t=tg时,热应力有极大值，表面为拉应力。若此时表面已进入弹性区，如果热应力达到断裂强度，则表面断裂；若表面存在低熔点偏析物、气孔、夹杂等缺陷时会产生应力集中，表面的强度将大大降低，淬火断裂的可能性会更大。当t=tC时，轴心温度达到弹塑性转变温度。此时心部进入弹性区，残余应力形成。通过测量可以得到工件的弹塑性转变温度Tc及弹性模量E（T）。由此可以得到残余应力的计算值。

3影响淬火残余应力的因素

从公式（7）可以看出圆柱体的半径大小r对残余应力影响很大，半径r越大，残余应力越高；同时淬火温度TZ的高低对残余应力也有影响，淬火温度TZ越高，使残余应力也增大。同时我们还发现淬火最终温度TP越高，淬火残余应力却降低了。此外，淬火最终温度TP的时间越长，使残余应力反而降低。

裂纹。因此在切割形状较复杂的工件时，要仔细研究，选取合适的脉宽比和切割顺序，以施行绝热切割。

（3）材质

陶瓷材料的ë×Tb 或ë×Td 值（参见表1）越小，越容易得到无宏观裂纹的切割面。

（上接第５７页）

5 结束语

激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学，在材料加工方面，已逐步形成一种崭新的加工方法——激光加工，激光加工已应用于切割、打孔、焊接等领域。其中的激光切割由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力，故适宜于陶瓷、玻璃等既硬又脆材料的切割。采用强化工艺的激光切割使得陶瓷的分割加工获得了满意效果，不但没有降低原材料的硬度，而且切边形成了比基材硬度还高的特殊硬化层。

参考文献：

[1]胡传炘.特种加工手册[M].北京：北京工业大学出版社，2001.4. [2]梁桂芳.切割技术手册[M].北京：机械工业出版社，1997.5. [3]李志远，等.先进连接方法[M].北京：机械工业出版社，2000.5.

4结论

（1）通过计算热传导方程，推导出工件的淬火温度分布函数，并且精确地推导出淬火残余应力函数。同时该理论同样适用于铸造残余应力的研究。

（2）圆柱体心部冷却速度小于外表面。在淬火初期，由于热应力的作用使工件表面受拉应力，而心部受压应力，最后表面形成了拉应力。心部的热应力变化正好相反。

（3）半径r越大，残余应力越高；淬火温度TZ越高，残余应力也增大。

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