工程陶瓷因具有硬度高、耐磨、耐腐和質(zhì)輕等優(yōu)良性能，被日益廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、國防和航空航天等領(lǐng)域，但其高脆性、高硬度給加工帶來了極大的困難。目前，使用傳統(tǒng)機械加工方法很難加工出形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，存在加工成本高、效率低、加工質(zhì)量不理想等突出問題，因而限制了陶瓷材料的應(yīng)用與發(fā)展。

       激光是一種通過入射光子的激發(fā)使處于亞穩(wěn)態(tài)的較高能級的原子、離子或分子躍遷到低能級時完成受激輻射所發(fā)出的光，除具有一般光源的共性之外，還具有單色性、相干性和能量高度集中性等優(yōu)點，因此可聚焦到尺寸與光波波長相近的小斑點上。由于陶瓷對激光具有較高的吸收率，尤其是氧化物陶瓷，對10.6m波長激光的最高吸收率可達80％以上，溫度可高至上萬攝氏度，在瞬時即可使陶瓷材料局部熔化和蒸發(fā)，因此激光十分適合用于加工陶瓷材料。下面給大家介紹一下激光在工程陶瓷特種加工技術(shù)和加熱輔助加工方面的應(yīng)用。

激光在工程陶瓷特種加工技術(shù)的應(yīng)用

       激光加工是一種具有良好聚光性和位置控制性的不接觸式加工，其工藝參數(shù)可在線調(diào)整，加工路徑靈活、可控性強等。常用的激光器主要有CO?激光器，Nd：YAG激光器和準分子激光器。

       工程陶瓷的激光加工主要原理分為兩方面：一方面為利用激光束產(chǎn)生的高密度能量把材料氣化或者熔化同時被高壓氣體將其吹離造成分離材料，另一方面是利用激光產(chǎn)生的高溫來控制陶瓷材料產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致脆性材料塊狀剝落機理。激光特種加工主要包括：激光切割、激光打孔、激光打標等。

01激光切割

        陶瓷的導(dǎo)熱性能較差，若單純依靠高能量將材料氣化或熔化的相變切割，熱量容易積蓄在工件表面，使工件切口處有很大的溫度梯度和熔渣產(chǎn)生，因此會產(chǎn)生大量的龜裂紋，影響切口表面質(zhì)量。但若通過熱應(yīng)力控制裂紋的形成和擴展，使得其轉(zhuǎn)弊為利產(chǎn)生新的加工方式即斷裂切割，可以改善表面質(zhì)量。

        激光在實際加工時會使得陶瓷基體在厚度方向上出現(xiàn)不規(guī)則的斷裂區(qū)域，而不能完全斷裂的現(xiàn)象。此外，裂紋在微觀方向上通常是四周擴散，用熱梯度來控制材料產(chǎn)生裂紋很難，因而斷裂激光切割技術(shù)發(fā)展得十分緩慢。

02激光打孔

        激光打孔是激光與材料相互作用的極其復(fù)雜的熱物理過程，而陶瓷材料是典型的脆性固體材料，在激光加工過程中易發(fā)生材料表面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，甚至發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象。

        由于連續(xù)激光比脈沖激光在加工過程中更易產(chǎn)生熱震龜裂紋，故脈沖激光更適合于激光打孔。影響陶瓷脈沖激光打孔質(zhì)量的因素主要有：脈沖頻率、輸出功率、脈寬及輔助氣體的壓力。若改善激光輸出特性（減小脈寬、改善激光光束能量的空間分布等）以及控制激光加工速度或者進行預(yù)熱處理都可以減少甚至消除微裂紋。

氧化鋁激光打孔基片

03激光打標

        激光標記技術(shù)的原理是高能量的激光束照射工件后，工件表面發(fā)生物理反應(yīng)或者化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)顏色等方面的變化，并就此留下特殊的標記和符號。隨著人們的審美能力也在逐漸增強，對于陶瓷制品外觀的要求也越來越高，激光標記技術(shù)在陶瓷加工中發(fā)揮著越來越重要的作用。此外，人們在采購時越來越注重防偽標識，而如何制作此標識使其不易脫落、不易被模仿復(fù)制成為亟待解決的問題之一。激光技術(shù)的出現(xiàn)使這一問題得到了妥善的解決。也就是說，經(jīng)由激光進行的標記，不僅工藝精良，還能夠延長使用壽命，取得明顯的防偽效果。

       目前，激光標記技術(shù)廣泛地應(yīng)用于陶瓷制品，使用金屬激光打標機，光纖激光打標機等設(shè)備，為陶瓷加工提供了更多的可能性，使現(xiàn)在的陶瓷制品更加精美。

激光在工程陶瓷加熱輔助加工的應(yīng)用

        激光的光斑小、能量密度大，能瞬時加熱到軟化溫度以及易于移動的優(yōu)點，使其得到越來越廣泛的關(guān)注。激光加熱輔助加工方法是使用激光作為外加熱源加熱軟化工件的一個過程，使得在加工工程陶瓷過程，材料的屈服應(yīng)力降低。工程陶瓷的變形特征從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄曰蛘邷仕苄裕沟霉こ烫沾傻募庸ぷ兊迷郊尤菀祝?strong>降低能量消耗，提高材料去除率。下面主要介紹激光加熱輔助車削、激光加熱輔助磨削、激光加熱輔助銑削加工、激光加熱輔助引弧微爆炸加工。

01激光加熱輔助車削

       激光加熱輔助車削在非加熱狀態(tài)下切削加工時，刀具接觸陶瓷試件，會產(chǎn)生很大的切削阻力，容易造成崩刀現(xiàn)象，使得常規(guī)車削方法難以實現(xiàn)。但由于陶瓷材料在玻璃化溫度時卻具有塑性效應(yīng)，可用特殊的耐高溫刀具對陶瓷材料進行像金屬材料一樣進行切削加工，通過激光與材料的相互作用，在材料被刀具去除前改變其性能，提高加工性能。譬如Si?N?陶瓷溫度超過1200℃時，切削性能有顯著改善，可以獲得連續(xù)切屑。

激光加熱輔助車削

02激光加熱輔助磨削

       磨削是工程陶瓷的主要加工方法，由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，導(dǎo)致切削力大、刀具磨損嚴重、材料去除率低，而且加工表面容易產(chǎn)生亞表面損傷。此外，由于陶瓷的導(dǎo)熱性較差，磨削過程中產(chǎn)生的熱量積蓄在工件表面，使工件表層產(chǎn)生很高的溫度梯度，極易導(dǎo)致材料表層出現(xiàn)熱損傷，甚至出現(xiàn)碎裂。激光加熱輔助磨削加工采用激光對工件表面進行預(yù)加熱，可明顯降低材料硬度和脆性，降低磨削力，減少亞表面損傷產(chǎn)生，提高磨削表面質(zhì)量。

激光加熱輔助磨削

03激光加熱輔助銑削

        銑削是指利用旋轉(zhuǎn)的多刃刀具切削工件，不僅可以加工平面、溝槽、輪齒等，也可以加工復(fù)雜型面。由于銑削是多刃斷續(xù)切削，每個刀齒在切削過程中的切削厚度是變化的，沖擊載荷較大，容易發(fā)生振動。采用激光加熱輔助銑削可以減少切削時銑刀的振顫，降低切削力，提高刀具壽命，改善加工表面質(zhì)量。

04激光加熱輔助引弧微爆炸加工

       電極引弧微爆轟波加工技術(shù)是北京裝甲兵工程學(xué)院再制造系加工室研發(fā)的一種新型陶瓷粗加工技術(shù)。它利用專用脈沖電源在通電后產(chǎn)生的高頻高壓，擊穿爆轟波發(fā)生器的陽極與陰極間的問隙形成微爆炸，轟擊材料表面來去除材料。為解決存在的加工表面粗糙和尺寸精度不高、容易造成崩碎等問題，在其基礎(chǔ)上改進并設(shè)計了激光加熱輔助引弧微爆炸加工試驗系統(tǒng)。

       激光加熱輔助引弧微爆炸加工可以改善和有效控制崩碎的原因表現(xiàn)在兩方面：一方面激光的預(yù)熱作用降低了引弧微爆炸加工瞬間的熱應(yīng)力，減少了裂紋的產(chǎn)生；另一方面，提前加熱陶瓷工件至脆塑轉(zhuǎn)變溫度，使陶瓷材料的變形特征從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，明顯減小了脆性斷裂。

激光加熱輔助引弧微爆炸加工系統(tǒng)

結(jié)語

       激光具有非接觸加工、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，國內(nèi)外都對陶瓷激光加工技術(shù)越來越重視，有望解決陶瓷加工的高成本、低效率的問題。激光加工技術(shù)和激光加熱輔助加工技術(shù)將在難加工材料加工的應(yīng)用中占非常重要的位置。接下來，技術(shù)人員需要不斷深入開展對激光加工工藝系統(tǒng)、工藝參數(shù)優(yōu)化等研究，通過增強對加熱溫度的實時測量與自動控制技術(shù)研究來解決熱應(yīng)力裂紋等缺陷問題。

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