鸿运陶瓷激光切割技术特点与发展

由于人们在陶瓷研究中已积累沉淀了大量经验，激光在金属材料的应用技术研究也颇为成熟。因此针对硬脆性陶瓷类非金属材料的激光加工，研究人员已从多学科范围提出过大量的可尝试方法，相对于金属材料，陶瓷类非金属材料除具有硬脆性高、导热率差等普遍性特点外，还存在明显的个性差异，即使是同一配方、同一原料也会由于烧结批次不同而在显微结构上存在差异，这种差异对于无损切割往往是不容忽视的。实际中，研究人员往往要视加工材料的具体情况进行工艺调整、改进，乃至创新，对材料加工前所需进行的预处理细节，如浸润、附着有助应力释放的粘合膜等，也同样不容忽视。
　　从加工工艺而言，陶瓷加工的第一步必须确定合理的激光输出方式。激按照陶瓷构件及陶瓷器件的发展趋势，裂纹是厚型陶瓷类材料激光切割所需解决的最大问题。热量注入导热性差的厚板材料中，会产生很大的热应力积累，在应力特别是非平衡分布应力的作用下，极易导致裂纹产生。需要说明的是，这里的“厚型”有一定的数值范围：应用于机械工程领域实用成形陶瓷类非金属零构件的材料厚度一般均超过1mm，多为几毫米乃至十几毫米，厚度超过20mm以上的陶瓷类材料，特别是具有高密度低缺陷的该类材料，从现行烧结制备工艺来说也是难度极大。厚型陶瓷类材料的制备，往往会伴随密度的下降，而密度的下降将会明显降低激光切割的难度。因此针对实际应用意义，该领域激光加工技术的研究重点可放在厚度20mm以下的陶瓷无损切割。厚型陶瓷类材料的加工往往对切缝精密度的要求不高。但其加工损伤将随陶瓷厚度的增加而愈发严重，其无损切割难度已成为制约激光切割陶瓷技术发展的瓶颈。该类材料的切口断面往往有一层熔凝层，经显微分析，重凝层的厚度仅在20mm左右，而断面裂纹则分布于熔凝层上。陶瓷的硬脆特性使得这一熔凝层结构疏松且极易脱落，其上裂纹并不渗入基体材料，对基体材料没有不良影响。
　　按照热传导基本原理对硬脆性陶瓷激光切割中的热效应行为进行了分析。发现现行“脉冲激光连续走刀”方式在薄型陶瓷类材料切割中的成功，是由于材料在高能激光作用下的迅速穿透，个数有限的脉冲对材料表面温升的影响可以近似等同于单个脉冲，脉冲问隙足以保证温度的冷却，从而抑制了因热应力作用而产生的裂纹；但对于该类厚型材料，脉冲数的增加对材料温升的影响无法忽略，且连续走刀的扫描方式也无法有效减弱激光束前一个加工点的残余热量对后一个加工点的累积效应，这种热积累效应将随加工路径的延长、加工路径拐点的出现而加剧，尤易造成曲线、角形等内轮廓的切割失败。特别是在每次“连续走刀”没有穿透切缝的情况下，更会由于熔化材料的反冲塞效应、凝渣的堆积、辅助气氛仅局限于辐照面浅层区域的有限冷却作用，而增加这种热积累效应及随之的应力分布失衡，导致裂纹出现。因此，对该类材料的切割，仅采取工艺调整是不够的，还需要开发新的工艺。
　　就陶瓷本身而言，其在烧结过程中的高收缩率增大了陶瓷结构件的制成难度。鸿运陶瓷切割机械对材料几乎不产生机械冲击和压力，且定位灵活，为实现陶瓷零构件的三维加工提供了广阔的发展空间。实现陶瓷激光三维切割的前提是解决好本文所提的前两个问题，但陶瓷切割中，往往一个点的显微裂纹就会引致整个陶瓷件的崩裂，因此，要真正实现可实用的陶瓷激光三维切割还有很长的路要走。针对陶瓷的热物理性质，可以预见的问题应涉及：离焦量随工件表面变化实时调节控制的问题，复杂切割路径的热扩散问题，激光束穿透工件单面对相对面的热损伤问题以及激光关光点处应力断裂的控制问题等。随着陶瓷应用领域的不断扩大，鸿运陶瓷机械在陶瓷加工方面的巨大潜力日趋显现。在硬脆性陶瓷类材料加工方面已体现出强大的发展潜力。