文/劉夢宇1-3，湯泉1, 2，胡倫珍1, 2，侯玉強1, 2，單磊3，郭慶川1-3

1-激光與光學(xué)研究中心，綠色產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究所，安徽大學(xué) 

2-安徽柏逸激光科技有限責(zé)任公司 

3-信息材料與智能感知安徽省實驗室，安徽大學(xué)

工程結(jié)構(gòu)陶瓷由于其突出的耐高溫性、卓越的耐腐蝕能力、高強度及優(yōu)異的電絕緣性能，在航空航天、生物醫(yī)療、電子器件制造、能源技術(shù)和精密機械工程等眾多高科技領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。然而，這些材料固有的硬脆性特征，使得對其進行經(jīng)濟、高效的加工面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。常規(guī)的機械加工手段往往難以有效應(yīng)對，頻繁導(dǎo)致材料破損，加工效率低下且成本高昂。[1]因此，迫切需要采用新型的加工手段來突破陶瓷材料加工的現(xiàn)存障礙，其中激光加工技術(shù)展現(xiàn)出巨大潛力，成為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的有效途徑。

近年來，眾多學(xué)者針對這一難題展開了深入研究。盛曉軍于2010年利用三維對稱模型，系統(tǒng)性地評估了激光切割參數(shù)對溫度場和熱應(yīng)力分布的影響，為參數(shù)優(yōu)化提供了寶貴的理論與實踐指導(dǎo)。[2]閆胤洲在2013年的研究中指出，通過調(diào)整激光加工的峰值功率、占空比和脈沖重復(fù)頻率，能夠成功實現(xiàn)無裂紋打孔，顯著提升了陶瓷切割的品質(zhì)與效率。[3]2014年，謝林春構(gòu)建的激光輔助加熱切削溫度場數(shù)學(xué)模型，通過實驗數(shù)據(jù)分析了工藝參數(shù)變化對刀具損耗和工件表面質(zhì)量的影響，為切割精度的提升提供了科學(xué)依據(jù)。[4]2018年，羅永皓通過氣熔比數(shù)學(xué)模型的研究，明確了激光功率、掃描速度與陶瓷厚度等因素對切割效果的聯(lián)合影響，推薦了最適氣熔比值。[5]而章斌在2019年的研究中，則深入探討了光纖激光在氧化鋁陶瓷微孔加工中的應(yīng)用，增進了對材料交互作用機制的理解。[6]

光纖激光切割技術(shù)，作為當(dāng)代先進制造技術(shù)的典范，憑借其非接觸式作業(yè)、高精確度、較小的熱影響區(qū)以及加工速度快等優(yōu)點，為陶瓷材料加工的難點提供了一種有潛力的解決方案，尤其是在處理如氧化鋁（Al2O3）這類應(yīng)用廣泛的陶瓷時，顯示出了巨大的潛力和經(jīng)濟效益。盡管氧化鋁陶瓷具有高硬度、優(yōu)異的力學(xué)特性和化學(xué)穩(wěn)定性，但其低熱導(dǎo)率和高熱膨脹系數(shù)的特性，導(dǎo)致激光加工時易出現(xiàn)熱應(yīng)力集中，進而可能引起裂紋甚至斷裂。因此，精細調(diào)節(jié)激光加工參數(shù)（如功率密度、掃描速度、光斑尺寸）及采取適當(dāng)?shù)妮o助冷卻措施，對于控制熱效應(yīng)、抑制裂紋形成、提升加工質(zhì)量和加工效率來說，是非常重要的可行性方案。

本研究綜合運用了系統(tǒng)的實驗設(shè)計與仿真分析方法，旨在更加深入地探索光纖激光切割技術(shù)在氧化鋁陶瓷加工中的應(yīng)用潛力，以期獲得既準確又實用的研究成果，推動陶瓷激光加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

實驗方法

（1）實驗設(shè)備與材料

本研究選用了一臺光纖激光切割系統(tǒng)，其核心部件為一臺最大輸出功率為150W的光纖激光器，光纖芯徑為25μm，能夠保證高能量密度的激光輸出，滿足硬脆材料的加工需求，以確保實驗的一致性和可比性。

所有試樣在切割前保證光滑平整，以消除表面不平整對實驗結(jié)果的干擾。

圖1：光纖激光切割系統(tǒng)。

（2）激光切割參數(shù)設(shè)計

激光切割參數(shù)主要包括激光功率（P）、頻率（f）和焦點位置（F）。基于前期文獻調(diào)研和預(yù)實驗，選取了30~150W的激光功率范圍，頻率范圍設(shè)定在100~500Hz，焦點分別設(shè)置在距離工件表面0.75mm、0.25mm和-0.25mm的位置進行測試。

（3）實驗操作與數(shù)據(jù)采集

實驗過程中，首先將氧化鋁陶瓷試樣固定在數(shù)控平臺上，通過控制系統(tǒng)精確調(diào)整激光參數(shù)，每組實驗重復(fù)三次以提高數(shù)據(jù)的可靠性。利用共聚焦顯微鏡對切割表面進行微觀形貌分析。

（4）仿真模型的建立與驗證

基于有限元分析軟件COMSOL，構(gòu)建了三維激光切割氧化鋁陶瓷的熱物理耦合模型。模型中考慮了激光能量的吸收、傳遞以及材料的熱物理性質(zhì)（如熱導(dǎo)率、比熱容和熱膨脹系數(shù)），并采用高斯熱源進行模擬，激光功率150W，光斑直徑25μm。

通過對比實驗測得的表面溫度分布和材料去除體積，對仿真模型進行了驗證和校準，確保了仿真預(yù)測的準確性。

結(jié)果與討論

（1）激光功率對切割端面粗糙度的影響

本研究初步探討了激光功率對切割表面質(zhì)量的影響。通過共聚焦顯微鏡測量了在其他加工參數(shù)恒定的條件下，不同激光功率下氧化鋁陶瓷樣品上、下表面附近的面粗糙度（Sa）。

如圖2所示，激光功率的變化并未顯著影響樣品端面的粗糙度。這表明在光纖激光切割氧化鋁陶瓷的過程中，激光功率可能不是決定端面切割質(zhì)量的關(guān)鍵變量。

圖2：不同激光功率下氧化鋁陶瓷端面的Sa值分布。

（2）頻率與焦點位置的優(yōu)化效果

隨后，固定激光功率為80W，系統(tǒng)地改變激光頻率，并觀察焦點位置的變動對切割效果的潛在影響。

共聚焦顯微鏡圖像（見圖3）顯示，當(dāng)頻率從100Hz（見圖3a）增加至500Hz（見圖3b-d）時，樣品端面形貌明顯變得更加平滑，且下表面附近的粗糙度顯著降低，這表明高頻切割有利于獲得更優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量。

進一步，將焦點位置分別調(diào)整到距離樣品表面0.75mm、0.25mm及-0.25mm的位置（見圖3b-d），觀察到隨著焦點高度的逐步下降，下表面的切割質(zhì)量逐步改善，邊緣缺陷如毛刺和熔渣明顯減少，證明了焦點位置的適當(dāng)下移對優(yōu)化切割質(zhì)量的積極作用。

圖3：頻率為100Hz（a）和500Hz時，不同焦點位置——（b）0.75mm、（c）0.25mm和（d）-0.25mm的端面形貌。

（3）熱模擬與材料燒蝕機制

為了深入理解上述現(xiàn)象背后的物理機制，本研究利用COMSOL軟件進行了有限元熱模擬，設(shè)定激光功率為150W，光斑直徑25μm，采用高斯面熱源模型。

模擬結(jié)果（見圖3）清晰地展示了氧化鋁材料在達到燒蝕溫度時的氣化去除過程。圖3（b）中高斯光束作用下的氧化鋁陶瓷網(wǎng)格變形，不僅直觀反映了熱效應(yīng)引起的材料變化，還證實了氧化鋁陶瓷優(yōu)異的各向同性導(dǎo)熱性能；這意味著熱量在材料內(nèi)部均勻傳導(dǎo)，促使材料在所有方向上經(jīng)歷相似的形變與燒蝕過程，這對于確保激光加工過程中材料的均勻去除、以及切割質(zhì)量的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖4：燒蝕過程的仿真結(jié)果：（a）主視圖，（b）x-z截面視圖。

（4）氧化鎳摻雜的氧化鋁陶瓷樣品的切割案例

基于上述對氧化鋁陶瓷樣品的試驗結(jié)果，我們進一步對氧化鎳摻雜的氧化鋁陶瓷樣品進行了激光切割試驗。

眾所周知，摻雜氧化鎳往往會增加材料的硬度，這也給激光加工帶來了更多挑戰(zhàn)。圖5（a）顯示了一個氧化鎳摻雜的氧化鋁陶瓷樣品切割前的圖像。提高切割頻率，提高切割功率至100W，同時提高切割速度，可以有效地降低切割的表面粗糙度。從圖5（b）所示的切割切面圖可以看出，切割區(qū)域沒有礦渣或毛刺，大大優(yōu)化了激光切割工藝。圖5（c）和圖5（d）為高倍顯微圖，切割區(qū)域光滑、無毛刺，更有利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的推廣。

圖5：氧化鎳摻雜氧化鋁陶瓷在低倍光學(xué)顯微鏡下的表面（a）和截面圖（b）；以及在高倍光學(xué)顯微鏡下的表面（c）和截面圖（d）。

結(jié)論

本研究通過詳盡的實驗與仿真分析，明確了在光纖激光切割氧化鋁陶瓷過程中，激光頻率與焦點位置的優(yōu)化對于提升切割端面質(zhì)量的顯著影響。

實驗數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)激光頻率由100Hz提升至500Hz時，樣品端面粗糙度明顯降低，尤其是在焦點位置調(diào)整至-0.25mm時，切割質(zhì)量最佳，邊緣缺陷顯著減少。

熱模擬結(jié)果補充說明了在150W激光功率下，材料的均勻燒蝕機制，歸因于氧化鋁陶瓷的各向同性導(dǎo)熱特性。

綜合實驗與仿真分析，本研究揭示了在光纖激光切割氧化鋁陶瓷時，通過優(yōu)化激光頻率和焦點位置而非簡單調(diào)整功率，可顯著提升切割表面質(zhì)量。這些發(fā)現(xiàn)為硬脆性陶瓷材料的精密激光加工提供了重要的工藝參數(shù)指導(dǎo)，并為進一步探索激光與材料相互作用的微觀機制奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]賀永明. 工程陶瓷及其復(fù)合構(gòu)件加工試驗研究[D].南京理工大學(xué),2009.

[2]盛曉軍. 氧化鋁陶瓷激光熱應(yīng)力切割數(shù)值仿真與實驗分析[D].上海交通大學(xué),2010.

[3]閆胤洲. 激光無裂紋切割陶瓷研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2013.

[4]謝林春. 光纖激光輔助加熱切削Al2O3陶瓷工藝試驗研究[D].湖南大學(xué),2014.

[5]羅永皓. 基于氣熔比控制的氧化鋁陶瓷薄板激光切割工藝基礎(chǔ)[D].大連理工大學(xué),2018.

[6]章斌.基于光纖激光的氧化鋁陶瓷材料微孔加工工藝研究[D].溫州學(xué),2019.