Al2O3陶瓷激光切割工艺研究

贾志新，黄金刚，高坚强，房泽旭，郭 强

（1.北京科技大学机械工程学院，北京100083；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215164）

Al2O3陶瓷激光切割工艺研究

贾志新1，黄金刚1，高坚强2，房泽旭2，郭 强1

（1.北京科技大学机械工程学院，北京100083；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215164）

为了探究Al2O3陶瓷的激光切割工艺特性，采用Nd：YAG激光器对Al2O3陶瓷进行加工试验。先通过打孔试验计算获得Al2O3陶瓷的激光烧蚀阈值，再通过切割试验分析激光功率、切割速度、脉冲频率、离焦量等工艺参数对切割质量的影响规律。结果表明：通过优化激光切割工艺参数，可在保证切割效率的同时，提高Al2O3陶瓷的切割质量。

激光切割；Al2O3陶瓷；烧蚀阈值；工艺试验

Al2O3陶瓷具有高熔点、高强度、耐磨损、耐腐蚀等优点，在机械、化工、电子及航空航天等尖端科技领域显示出巨大的发展潜力和应用需求[1]。但由于其硬度高、脆性大，使加工变得非常困难。目前的加工方式主要有：机械加工、水射流加工、电化学加工、电火花加工、等离子束加工和激光加工等，而激光加工技术集中体现了无接触应力、柔性化、高效率、易于自动化控制等优点，被认为是一种有着巨大应用价值和发展潜力、理想的陶瓷加工方法[2]。

季凌飞等[3]总结了陶瓷激光切割技术，主要包括传统工艺的优化参数法、多道切割法、应力引导控制裂纹切割法及辅助切割法等四大类。Quintero等[4]通过采用传统激光切割与多道激光切割的方法，对厚度为6 mm的SiC陶瓷进行切割，发现多道切割法可实现SiC陶瓷的无裂纹切割，且材料几乎没有热损伤。陈春映等[5]利用低压水射流激光复合切割Al2O3陶瓷，大大减少了陶瓷切缝的熔渣，避免了热裂纹的产生。关于Al2O3陶瓷激光加工新工艺、新方法的报道层出不穷，但最基本且性价比最高的优化工艺参数法激光切割的分析报道较少。本文利用Nd：YAG长脉冲激光对厚度3 mm的Al2O3陶瓷进行加工试验，从材料特性及能量去除机理入手，通过切割试验来分析激光工艺参数对切割质量的影响规律，有效提高切割的质量与效率。

1 试验条件及方法

1.1 试验条件

试验装置见图1。激光加工设备为LC-100型Nd：YAG脉冲激光切割机，脉冲宽度为100 μs，激光最大输出功率为100 W，采用三片式复合聚焦镜，焦距为150 mm，聚焦光斑直径为0.18 mm。此外，喷嘴高度为1 mm，辅助气体为压缩空气，采用同轴吹气方式，气体压力为0.6 MPa。试验材料为厚度3 mm的Al2O3陶瓷，添加剂主要为WC、TiC。

1.2 试验方法

首先，采用不同功率进行打孔试验，计算Al2O3陶瓷的激光烧蚀阈值，选用脉冲频率60 Hz、脉冲作用时间0.5 s。然后，进行单向直线切割试验，着重研究激光功率P、切割速度v、脉冲频率f、离焦量△h等工艺参数对切割质量的影响，Al2O3陶瓷的切割质量一般由切缝宽度及断面粗糙度作为表征量。

在无损切割速度的研究中，Lu等[6]给出了激光功率P、切割速度v和材料厚度t之间的关系式：

同时指出，对于一定厚度t的材料，存在一个最优切割速度v，并依此选定切割工艺参数（表1）。

切割试验完成后，利用数字显微镜观测切缝表面形貌并测量缝宽，之后对断面进行清洗去熔渣，利用TR210表面粗糙度仪测量断面粗糙度，均采用四次测量求平均值的方法获取目标参数。

2 试验及结果分析

2.1 Al2O3陶瓷激光烧蚀阈值的试验测定

所谓烧蚀阈值就是对材料产生不可逆破坏时去除单层材料所需的能流密度[7]，单脉冲激光能量密度很大程度上决定着激光烧蚀的效率。理论上来讲，激光脉冲能量稍大于烧蚀阈值时加工质量最好；但实际情况中，由于能量会不同程度地散失，一般经验表明，在合理的去除速率条件下，最好的精度可通过功率密度选择为5～10倍的阈值激光脉冲获得。因此，分析Al2O3陶瓷激光烧蚀阈值可在一定程度上指导实验，避免能量过大造成裂纹和能量过小造成切不透或效率低等现象。

目前确定烧蚀阈值的方法主要有在线观测、形貌检测及数值计算等。本文采用数值计算法[8]并辅以显微观测，推导出烧蚀直径与激光脉冲能量的函数关系，将线性曲线外推至D=0处，从而得出材料的破坏阈值，同时还能获得光束的束腰半径。由于激光属于高斯光束，其能量分布满足如下关系[9]：

式中：φ0为光束中心峰值能量密度；ω0为光束束腰半径；r为光束中一点距光束中心的距离；EP为激光单脉冲能量。

由此可获得普遍研究烧蚀直径D与聚焦后的焦点半径ω0及入射脉冲能量E0的关系：

式中：Eth为烧蚀半径为r时的入射脉冲能量。此处应当指出，本试验为多脉冲烧蚀，单脉冲与多脉冲烧蚀阈值间的关系式可表示为[10]：

式中：Fth(1)为单脉冲烧蚀阈值；Fth(∞)为多脉冲烧蚀阈值；k为能量累积强度；N为脉冲个数。

由此可见，当脉冲个数逐渐增大时，烧蚀阈值有减小的趋势，这是因为多脉冲烧蚀存在着能量累积。当脉冲个数增大到一定数值时，烧蚀阈值趋近定值，且材料的吸收系数越大，烧蚀阈值越低。

通过Al2O3陶瓷在不同激光功率密度下的烧蚀显微观测，获得了入射激光能量与烧蚀孔径形貌之间的关系（图2）。

拟合数据结果得到斜率k值为7350.6，推出激光束腰半径ω0为60.6 μm，同时依据上述理论，由拟合直线与横坐标截距可得到：在脉冲宽度为100 μs、重复频率为60 Hz、波长为1064 nm、脉冲时间为0.5 s时，Al2O3陶瓷激光烧蚀阈值为0.127 J/cm2。需要说明的是，由于累积效应的影响，用不同的脉冲个数进行加工得出的烧蚀阈值会存在一定差异，且材料对不同光的吸收特性不同，也是造成阈值差异的一个原因。同时看到，对Al2O3陶瓷进行烧蚀去除仅需要微小的能量，但对于3 mm厚的Al2O3陶瓷实现高效率切割能量还远远不够，能量过小会造成材料切不透，能量过大会造成裂纹甚至碎裂，因此需通过打孔试验来划定无裂纹切割能量区间，保证切割加工顺利进行。

2.2 Al2O3陶瓷激光切割试验与分析

2.2.1 激光功率对切割质量的影响

激光能量是切割加工的主要能量来源，功率大小将直接影响切割时的能量密度。图3是在切割速度20 mm/min、脉冲频率50 Hz、零离焦量、激光功率分别为10、20、30、40 W时，测得的切缝宽度和表面粗糙度的变化曲线。可看出，在其他参数不变的情况下，随着激光功率的增大，材料去除量增加，使切缝宽度增大，而表面粗糙度值减小。激光光斑功率密度P可表示为：

式中：E为激光能量；d为光斑直径；tp为脉冲宽度。

在脉宽和频率一定时，提高输出功率能增大激光束功率密度，较高的功率密度能使加工过程中产生更多的蒸汽相物质，切割缝宽及深度增大。

2.2.2 切割速度对切割质量的影响

切割速度的变化意味着激光与材料相互作用时间的变化，即材料单位面积上得到的激光能量发生改变。图4是在激光功率30 W、脉冲频率50 Hz、零离焦量、切割速度分别为10、20、30、40 mm/min时，测得的切缝宽度和表面粗糙度的变化曲线。可看出，切缝宽度随着切割速度的增大而减小。这是由于激光作用时间减少、能量密度降低、材料获得能量较少而导致的。

同时，表面粗糙度值随着切割速度的增大而减小。这是因为当切割速度增大到30 mm/min时，由于线能量低，导致3 mm厚的Al2O3陶瓷未能切透，切割方法转变为应力引导控制裂纹切割法[11]。该方法已成为研究最广泛、前景极被看好的激光切割陶瓷方法之一，但应力方向控制问题还有待进一步解决。不同方法的切割效果见图5。

2.2.3 脉冲频率对切割质量的影响

图6是在激光功率30W、切割速度20 mm/min、零离焦量、脉冲频率分别为30、40、50、60 Hz时，切缝宽度和表面粗糙度的变化曲线。可看出，随着脉冲频率的增加，切缝宽度与表面粗糙度值均呈减小的趋势。由单脉冲能量E与输出功率P、脉冲频率f的关系（E=P/f）可知，随着脉冲频率的增加，单脉冲能量减小，光斑重叠度将增大，这对切割表面质量的提高和裂纹的减少起着关键作用。

2.2.4 离焦量对切割质量的影响

激光焦点相对于工件的距离（即离焦量）对切割质量有着重要影响。由于激光焦点处的能量密度最高，多数情况下，焦点位置应靠近工件表面或略低于工件表面，一定范围内的离焦量可使切割能量分布相对均匀。图7是在激光功率30 W、切割速度20 mm/min、脉冲频率50 Hz、离焦量分别为-0.6、-0.3、0、0.3 mm时，切缝宽度和表面粗糙度的变化曲线。可看出，当处于零离焦时，切缝宽度和表面粗糙度值均最小。

3 结论

（1）通过采用脉宽100 μs、重复频率50 Hz、波长1064 nm、脉冲时间0.5 s的Nd：YAG激光加工Al2O3陶瓷，测得陶瓷的烧蚀阈值为0.127 J/cm2，激光束腰半径ω0为60.6 μm。

（2）激光功率和切割速度决定着切割线能量的大小，适当增加线能量有利于提高切割断面质量，但会增大切缝宽度，同时需避免材料的过烧和崩边现象。增加脉冲频率，可使激光单脉冲能量降低，切缝宽度和表面粗糙度均有所改善。在激光切割薄材料时，宜采用零离焦量来减小缝宽，提升切割质量和效率。

（3）对于Nd：YAG长脉宽激光加工3 mm厚的Al2O3陶瓷，采用激光功率30 W、脉冲频率60 Hz、切割速度30 mm/min、零离焦量等工艺参数时，能取得良好的切割效果。同时，应力引导控制裂纹法是未来陶瓷切割的一个重要发展方向。

[1] 闫胤洲.激光无裂纹切割陶瓷研究[D].北京：北京工业大学，2013.

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[3] 季凌飞，闫胤洲，鲍勇，等.陶瓷激光切割技术的研究现状与思考[J].中国激光，2008，35（11）：1686-1692.

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Study on Laser Cutting Technology of Al2O3Ceramic

JIA Zhixin1，HUANG Jingang1，GAO Jianqiang2，FANG 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

北京市自然科学基金资助项目（3162020）；苏州吴中区创新创业领军人才资助项目（WC201520）

贾志新，男，1968年生，教授。