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Al2O3陶瓷YAG激光切割重铸层 Al2O3陶瓷YAG激光切割重铸层 2004-10-16 09:45 来源: 作者: ? 1　引言　　激光切割陶瓷由于具有非接触、柔性化、自动化及可实现精密切割和曲线切割、切缝窄、速度快等特点，同传统的切割方法如金刚石砂轮切割法相比，是一种有巨大应用价值和发展潜力的理想陶瓷加工方法〔1-2〕。但是，陶瓷属硬、脆材料，热稳定性较差，切割时易形成重铸层和裂纹，降低了基体原有的优良性能。现有的无裂纹切割方法基本上采用Q开关脉冲激光(CO2或Nd:YAG)，在单脉冲能量不变的前提下，压缩脉宽至ns级，脉冲频率提高至10～20KHz级。其显著缺点是设备能力要求高，往往要求多道重复切割或预加工，实用切割效率低〔3-4〕。　　本文采用脉冲Nd:YAG(λ=1.06μm)固体激光加工机，设计了超音速喷嘴，利用切割时高速辅助气流对陶瓷基体的去除和冷却作用，结合激光切割参数的优化，研究影响重铸层及裂纹的因素，力求获得最小重铸层厚度和裂纹长度的复合气流切割方法，在较高切割速度下一次完成切割过程。 2　试验条件及方法2.1　试验材料　　试验材料为热压Al2O3结构陶瓷，其中：电子工业用Al2O3结构陶瓷厚度为1.0mm，Al2O3－SiC纳米复合结构陶瓷厚度为3.5mm。2.2　试验设备及仪器　　试验设备为五轴联动脉冲Nd:YAG激光加工机。脉宽为0.3～8ms；脉冲频率为1～50Hz。　　试验辅助设备为专用超音速喷嘴。孔道入口气流压力0.69MPa，喉口直径1.6mm，出口直径2.3mm，设计马赫数M＝2.01。　　主要试验仪器为JSM－6301F场发射扫描电镜。2.3　试验方法　　现有研究结果表明，最大限度地压缩脉宽，提高脉冲频率，选择适当平均功率是降低和消除重铸层的方法。本实验选取脉宽τ=0.3ms，在此基础上，研究超音速辅助切割气流、脉冲频率、切割速度及平均功率对重铸层的影响。实验采用超音速喷嘴，置于切割方向和激光割嘴构成的平面内，与激光割嘴成30度角，以超音速惰性气流与同轴气 流互相关联组成切割气流系统。如图1所示。复合超音速切割气流方法以英文缩写PSJ(Plus Supersonic Jet)表示。　　试验如下进行。(1)研究不同切割速度下，复合切割气流与单独使用同轴切割气流对重铸层及裂纹的影响。试验工艺参数如表1所示。(2)研究在复合气流作用下，激光脉冲平均功率、切割速度和脉冲频率对重铸层及裂纹的影响，试验方案如表2所示。并利用正交设计试验方法〔5〕，确定获得最小重铸层厚度和重铸层裂纹长度及密度的最佳工艺，进行试验验证。(3)在采用复合气流的前提下，利用正交设计方案，研究脉冲频率，切割速度和平均功率等因素的交互影响，获得较大厚度的陶瓷高速一次切割的最佳工艺。试验方案如表3所示。 表1　Al2O3(δ=1.0mm)切割工艺参数 试样编号 脉冲频率f/Hz 切割速度v/mm/s 平均功率N/w 切割气流 1 30 0.5 7.0 coaxial 2 30 1.0 7.0 coaxial 3 30 2.0 7.0 coaxial 4 30 3.0 7.0 coaxial 5 30 0.5 7.0 PSJ 6 30 1.0 7.0 PSJ 7 30 2.0 7.0 PSJ 8 30 3.0 7.0 PSJ 表2　Al2O3(δ=1.0mm)切割工艺参数 试样编号 脉冲频率f/Hz 切割速度v/mm/s 平均功率N/w 11 50 0.5 2.4 12 50 1.0 2.4 13 10 0.5 2.4 14 10 2.0 2.4 15 50 0.5 7.0 16 50 1.0 7.0 17 10 0.5 7.0 表3　优化设计试验方案 试样编号 脉冲频率f/Hz 切割速度v/mm/s 平均功率N/w 1 40 0.5 7.0 2 40 0.2 4.2 3 30 0.5 4.2 4 30 0.2 7.0 2.4　试样处理方法　　试样断口经喷金处理后，在场发射扫描电镜上观察切口形貌；切口侧面经研磨抛光，用氢氟酸水溶液腐蚀及喷金处理后，在场发射扫描电镜上观测重铸层及其上裂纹形态。 3　试验结果及分析3.1　切口形貌及分析　　按工艺方案表1切割的试样典型切口形貌照片如图2及图3所示：　　从图2及图3中可以看出：切口侧壁存在重铸层及粘附在重铸层表面的熔渣，在熔渣及重铸层中均存在裂纹。重铸层中裂纹一般向同一方向延伸，熔渣中裂纹多为纵横分布，类似龟裂。　　随着切割速度的增加，熔渣从平面形态向有方向性的波纹形态转变；低速到高速切割时单个脉冲的叠加程度的降低，使熔渣从平面状态转变成为断续状态。切断方式也从气化和融化转化为附加部分热振而引起