陶瓷激光切割技術的研究現狀與思考

曹鐵生

（深圳市萬福昌科技有限公司，廣東深圳 518000）

1962年，R.L.Coble 首先研究并成功生產了高性能的氧化鋁復合陶瓷，為復合陶瓷技術開拓了嶄新的應用領域。陶瓷材料憑借其獨特的性質在材料領域獲得了自己的一席之地，有著質量輕、強度高、硬度高、抗摩擦耐熱、抗氧化、耐腐蝕的優良特性，這些特性都是金屬和其他有機分子材料所無法媲美的，也使得其在航空航天電子科技、激光海洋生物工程等高新技術領域都有著重要的應用（表1）。

表1 陶瓷材料不同性能的應用

但是陶瓷材料有著一個致命的通病，那就是脆度非常大，這也是陶瓷材料的致命弱點，也嚴重阻礙了陶瓷材料工程化的推廣應用。目前通過復合加工和成型工藝都可以在一定程度上提高陶瓷的可塑性，但是還遠遠不能滿足實際的陶瓷零構件的使用需求，很多情況下，都需要對陶瓷進行修整加工，根據實際的使用需求，切割出滿足安裝條件的陶瓷零件，因此，切割技術也決定著陶瓷零件能否有更加廣闊的發展前景。

近些年來的激光切割技術便解決了這種難題。激光切割技術可以實現數字化控制，因此，對于陶瓷零件的精度可以很好地控制，同時激光切割技術還有著柔性化、切割效率高的特點，因此，近些年來開始被廣泛應用。

1 激光切割技術的特點

與傳統的切割工藝相比，激光切割有著非常明顯且獨特的優勢。首先，激光切割的原理是將能量進行壓縮，集中在一點高濃度集中的能量和壓力結合在一起也就創造出了更加狹窄的到這種刀可以切割出更小更窄的材料區域，降低切割能量和材料的浪費，并且由于其可以實現數字化控制，使得其具有高度的準確率，并且激光切割還可以切割非常復雜的幾何形狀，并且切割完成后的材料原件表面并不會出現毛刺，有著更加平滑的邊緣，由于這些原因激光切割技術才能夠在陶瓷領域廣泛使用。采用激光切割的過程中，可以有效減少陶瓷元件所承受的機械壓力，因為激光不僅消除了在切割過程中對陶瓷產生不利影響的沖擊力，而且加工區域較小，使得陶瓷件的其他部位所受到的熱影響較小，在保留材料特性的同時也不會導致加工陶瓷的破碎，并且，對于在電子產品領域應用的陶瓷材料來說，需要更為精細的切割技術，才能夠滿足實際的使用需求，而激光切割技術便可以將自身精度高的特點，充分應用在切割電子領域的陶瓷電子元件上面，傳統的陶瓷切割技術為了加工出一個零件，往往會浪費非常多的陶瓷材料，這使得陶瓷元件的價格居高不下，但是如果應用了激光切割工藝，會使得原來能夠加工一個零件的材料，能加工出更多的元件，在降低生產成本的同時，其整體的質量反而還有所提升，同時，使用激光切割還有一個好處，那便是激光可以切割較厚的陶瓷材料，這也就使得大型陶瓷元件的制造可以成為現實，激光切割還可以根據所需要切割元件的規模不同來進行調整，因此，激光切割技術可以非常快的適應市場，制造業對于陶瓷元件規格的整改，再加上激光切割技術對于零件的加工是一次成型的，對于某些工程當中定制使用的原件，可以很快地加工出來。圖1為激光加工裝置簡圖。

圖1 激光加工裝置

2 現階段激光切割技術的方法

現階段，激光切割技術采用的還是二氧化碳激光熱加工切割，而且二氧化碳激光切割技術是目前熱加工當中對于陶瓷切割最為主要的切割手段，之所以使用二氧化碳作為主要的切口手段，是因為二氧化碳形成激光術后激光面積較小，面積小就會匯聚比較強的能量，在陶瓷材料上面的單體區域內產生較高的切割效率瞬間就可以使陶瓷材料的局部蒸發，并且，二氧化碳產生的激光束易于導向，可以更加方便地完成切割流程。當前情況下，激光器的種類非常多，其衡量標準主要是以激光光束質量以及材料對于激光光束熱源吸收的效率來進行，選擇二氧化碳激光光束在加工陶瓷材料的過程中都比較符合，但是即使這樣，現階段的陶瓷激光切割技術仍有著非常大的弊端伴。隨著高精密陶瓷的不斷生產，陶瓷的脆性被無限放大，在加工過程中對于所受力的大小有了更高的要求，一旦激光產生的剪切應力較大，就會導致陶瓷元件產生裂縫，甚至材料產生崩壞，因此，如何高效無損傷的利用激光對陶瓷進行切割，一直是一個科學界有待研究的問題。近些年來，伴隨著科學技術的不斷進步，陶瓷切割技術也迎來了重大突破，其包括對傳統切割工藝的優化，近些年來還提出了多道切割法和輔助切割法，接下來將就這三點進行詳細論述。

3 現代科技背景下陶瓷切割工藝的優化

3.1 傳統切割工藝的優化

在優化傳統切割工藝前，要先對激光切割技術有一個了解，激光切割技術及切割的原理是將匯聚的激光束照射到帶切割的工鼠器件上，照射區域會急劇升溫，使材料產生熔化或者氣化而熔化，氣化的過程由于表面溫度過高，是在一瞬間完成的，因此，便產生了所謂的切割，切割過程從激光束穿透元件開始，之后，光束也沿著加工元件的輪廓進行移動將材料熔化，這時，融化的材料通常會被噴嘴處的氣流從切口吹走，噴嘴噴出的氣流，不僅只是起到將加工過程中產生廢料吹走，其更重要的作用是將零件表面激光束通過后產生的余熱進行吸收，在切割的部分留下一道縫隙，而這道縫隙便是激光束切割過后產生的，因此，對于傳統切割工藝的優化，便是要想辦法，盡量將切割過后元件與加工材料之間的這條縫隙變窄，即將激光束進行細化，同時，降低激光束在加工過程中對于材料產生的熱效應，傳統工藝優化的第一步便是選擇合適的切割頻率在切割過程中不斷改變脈沖激光輸出的功率減小重復頻率，降低切割速度，同時降低外寬，盡量減少激光輸入對材料本身產生的熱效應，降低裂縫的產生。采用線聚焦的方式控制切割速度，根據實驗室實驗得到，在切割激光束頻率相同的情況下，線聚焦方式下切割速度比點聚焦方式下的切割速度提升了4倍以上，并且線聚焦下的切割技術，可以有效減小激光束產生的熱效應區，降低裂縫產生的概率。

傳統激光切割工藝優化的第二步，是對切割儀器進行優化，由于激光切割儀器到目前為止發展的已經較為完善，所以主要改進的部位是氣流噴嘴，在前文中已經提到氣流噴嘴的作用是噴出氣體，將加工過程中產生的材料碎屑吹走，并且降低材料表面的熱量。近些年來，科學家們在實驗室研究發現，超音速氣流對材料加工過程中產生的熱量吸收效率是普通氣流的3.5倍，但是超音速氣流由于速度過大，根據相對論的知識，其作用力也是非常大的，這種作用力甚至超過了切割激光束對材料產生的切應力，氣流速度一旦過大，很有可能會將金屬元件直接沖裂甚至沖碎，由于超音速氣流本身無法改變，科學家們便對超音速氣流的噴射裝置進行了優化，傳統的氣流噴嘴裝置為銅軸送氣方式而科學家們將同軸輸氣方式的噴嘴改變成了非同軸送氣方式，經過實驗室實驗，這種噴嘴對材料表面的氣體壓力為零，在吸收材料加工過程中熱量的同時，抑制了由于氣流沖擊產生的力對元件的損傷，甚至在實驗室條件下產生了無裂縫切割，但是由于實驗室條件的特殊性，切割技術還有著很廣泛的研究前景，以上兩步便是對傳統激光切割陶瓷工藝的優化。

3.2 多道切割法

多到切割法的提出是為了加工大型的陶瓷元件，多道切割法是采用激光將需要切割的加工軌跡不斷進行掃描，并且在這個過程中不斷改變激光的頻率將加工軌跡的深度不斷加深，從而達到切割陶瓷元件的目的，這種加工方法的操作難度較低，并且對于大型元件的加工及產生的裂縫，幾乎可以忽略不計，但是其最大的弊端便是在加工過程中需要不斷地對同一部位進行切割，在這個過程中，可能會導致切割出的裂縫當中含有大量的材料碎屑，這些材料碎屑會隨著加工過程不斷地積累，越積累越多，最后會將裂縫堵塞，浪費加工過程中產生的能量，因此多道切割法通常配合大型的氣流噴射裝置進行使用，在激光束通過的部位，通過大型氣流噴射裝置，將其表面產生的金屬碎屑快速處理。由于激光束的頻率是從低到高依次遞增的，因此其熱效應也比較容易消除并不會擔心由于熱效應而產生的開裂，由于多到切割法的出現，使得大型陶瓷材料元件加工得以實現，也使得陶瓷材料有了更多的應用領域。

3.3 輔助切割技術

輔助切割技術是近些年來最為熱門的一種激光切割技術，其主要是將激光切割技術與一些傳統的切割技術相結合，研究出一種既有激光也將激光作為輔助工具的切割方法，在激光切割陶瓷工藝中，最常見的便是將水作為液體輔助幫助激光進行陶瓷切割，在陶瓷切割過程中，有水可以帶走產生的大量熱量，降低裂縫產生的概率同時還可以避免陶瓷加工產生的粉塵直接散布到空氣當中，對空氣環境造成污染，抑制了飛濺物的產生，并且由于加工過程是全程在水中進行的，激光對于陶瓷材料表面產生的切應力可以得到一定的緩沖，限制這項技術最大的環節便是陶瓷元件的大小，如果要切割的陶瓷元件過大，為了將陶瓷元件能夠浸泡在水中，便需要大量的水，但是水對于激光又有一定的折射，如果水的厚度過厚，折射率便會很大，很可能會降低切割的準確度，同時會產生激光能量的浪費，降低切割效果。該項技術最適用于切割的便是厚度較厚，但是表面積較大的陶瓷元件，這種元件的切割可以最大程度地發揮輔助切割技術的作用。

4 結語

伴隨著陶瓷材料的不斷發展，陶瓷的應用領域也在逐日擴大，激光在陶瓷加工方面的潛力也會越來越重，因此優化激光切割技術，保證激光元件的加工質量是未來發展的重要目標。在加工過程中如何使陶瓷表面無損，是科學家未來主要的研究方向，特別是航天領域需要用到的陶瓷材料，其加工工藝和陶瓷元件的質量要求更高，加工精細度更是要精確到納米級，由此可見，陶瓷激光加工技術未來的路還很長，需要更加深入的研究。