氧化铝陶瓷的激光切割工艺优化与仿真研究

氧化铝陶瓷的激光切割工艺优化与仿真研究

氧化铝陶瓷因其优异的物理化学性能，在多个高科技领域有着广泛应用。然而，其硬脆性特征给传统机械加工带来了挑战。近年来，激光加工技术因其独特优势，成为解决这一难题的有效途径。本文通过系统实验与仿真分析，深入探讨了激光功率、频率和焦点位置对氧化铝陶瓷切割质量的影响，为优化激光加工工艺提供了重要参考。

工程结构陶瓷由于其突出的耐高温性、卓越的耐腐蚀能力、高强度及优异的电绝缘性能，在航空航天、生物医疗、电子器件制造、能源技术和精密机械工程等众多高科技领域展现出广泛的应用潜力。然而，这些材料固有的硬脆性特征，使得对其进行经济、高效的加工面临着严峻挑战。常规的机械加工手段往往难以有效应对，频繁导致材料破损，加工效率低下且成本高昂。因此，迫切需要采用新型的加工手段来突破陶瓷材料加工的现存障碍，其中激光加工技术展现出巨大潜力，成为应对这一挑战的有效途径。

近年来，众多学者针对这一难题展开了深入研究。盛晓军于2010年利用三维对称模型，系统性地评估了激光切割参数对温度场和热应力分布的影响，为参数优化提供了宝贵的理论与实践指导。闫胤洲在2013年的研究中指出，通过调整激光加工的峰值功率、占空比和脉冲重复频率，能够成功实现无裂纹打孔，显著提升了陶瓷切割的品质与效率。2014年，谢林春构建的激光辅助加热切削温度场数学模型，通过实验数据分析了工艺参数变化对刀具损耗和工件表面质量的影响，为切割精度的提升提供了科学依据。2018年，罗永皓通过气熔比数学模型的研究，明确了激光功率、扫描速度与陶瓷厚度等因素对切割效果的联合影响，推荐了最适气熔比值。而章斌在2019年的研究中，则深入探讨了光纤激光在氧化铝陶瓷微孔加工中的应用，增进了对材料交互作用机制的理解。

光纤激光切割技术，作为当代先进制造技术的典范，凭借其非接触式作业、高精确度、较小的热影响区以及加工速度快等优点，为陶瓷材料加工的难点提供了一种有潜力的解决方案，尤其是在处理如氧化铝（Al2O3）这类应用广泛的陶瓷时，显示出了巨大的潜力和经济效益。尽管氧化铝陶瓷具有高硬度、优异的力学特性和化学稳定性，但其低热导率和高热膨胀系数的特性，导致激光加工时易出现热应力集中，进而可能引起裂纹甚至断裂。因此，精细调节激光加工参数（如功率密度、扫描速度、光斑尺寸）及采取适当的辅助冷却措施，对于控制热效应、抑制裂纹形成、提升加工质量和加工效率来说，是非常重要的可行性方案。

本研究综合运用了系统的实验设计与仿真分析方法，旨在更加深入地探索光纤激光切割技术在氧化铝陶瓷加工中的应用潜力，以期获得既准确又实用的研究成果，推动陶瓷激光加工技术的应用与发展。

实验方法

实验设备与材料

本研究选用了一台光纤激光切割系统，其核心部件为一台最大输出功率为150W的光纤激光器，光纤芯径为25μm，能够保证高能量密度的激光输出，满足硬脆材料的加工需求，以确保实验的一致性和可比性。

所有试样在切割前保证光滑平整，以消除表面不平整对实验结果的干扰。

图1：光纤激光切割系统。

激光切割参数设计

激光切割参数主要包括激光功率（P）、频率（f）和焦点位置（F）。基于前期文献调研和预实验，选取了30150W的激光功率范围，频率范围设定在100500Hz，焦点分别设置在距离工件表面0.75mm、0.25mm和-0.25mm的位置进行测试。

实验操作与数据采集

实验过程中，首先将氧化铝陶瓷试样固定在数控平台上，通过控制系统精确调整激光参数，每组实验重复三次以提高数据的可靠性。利用共聚焦显微镜对切割表面进行微观形貌分析。

仿真模型的建立与验证

基于有限元分析软件COMSOL，构建了三维激光切割氧化铝陶瓷的热物理耦合模型。模型中考虑了激光能量的吸收、传递以及材料的热物理性质（如热导率、比热容和热膨胀系数），并采用高斯热源进行模拟，激光功率150W，光斑直径25μm。

通过对比实验测得的表面温度分布和材料去除体积，对仿真模型进行了验证和校准，确保了仿真预测的准确性。

结果与讨论

激光功率对切割端面粗糙度的影响

本研究初步探讨了激光功率对切割表面质量的影响。通过共聚焦显微镜测量了在其他加工参数恒定的条件下，不同激光功率下氧化铝陶瓷样品上、下表面附近的面粗糙度（Sa）。

如图2所示，激光功率的变化并未显著影响样品端面的粗糙度。这表明在光纤激光切割氧化铝陶瓷的过程中，激光功率可能不是决定端面切割质量的关键变量。

图2：不同激光功率下氧化铝陶瓷端面的Sa值分布。

频率与焦点位置的优化效果

随后，固定激光功率为80W，系统地改变激光频率，并观察焦点位置的变动对切割效果的潜在影响。

共聚焦显微镜图像（见图3）显示，当频率从100Hz（见图3a）增加至500Hz（见图3b-d）时，样品端面形貌明显变得更加平滑，且下表面附近的粗糙度显著降低，这表明高频切割有利于获得更优质的表面质量。

进一步，将焦点位置分别调整到距离样品表面0.75mm、0.25mm及-0.25mm的位置（见图3b-d），观察到随着焦点高度的逐步下降，下表面的切割质量逐步改善，边缘缺陷如毛刺和熔渣明显减少，证明了焦点位置的适当下移对优化切割质量的积极作用。

图3：频率为100Hz（a）和500Hz时，不同焦点位置——（b）0.75mm、（c）0.25mm和（d）-0.25mm的端面形貌。

热模拟与材料烧蚀机制

为了深入理解上述现象背后的物理机制，本研究利用COMSOL软件进行了有限元热模拟，设定激光功率为150W，光斑直径25μm，采用高斯面热源模型。

模拟结果（见图3）清晰地展示了氧化铝材料在达到烧蚀温度时的气化去除过程。图3（b）中高斯光束作用下的氧化铝陶瓷网格变形，不仅直观反映了热效应引起的材料变化，还证实了氧化铝陶瓷优异的各向同性导热性能；这意味着热量在材料内部均匀传导，促使材料在所有方向上经历相似的形变与烧蚀过程，这对于确保激光加工过程中材料的均匀去除、以及切割质量的稳定性至关重要。

图4：烧蚀过程的仿真结果：（a）主视图，（b）x-z截面视图。

氧化镍掺杂的氧化铝陶瓷样品的切割案例

基于上述对氧化铝陶瓷样品的试验结果，我们进一步对氧化镍掺杂的氧化铝陶瓷样品进行了激光切割试验。

众所周知，掺杂氧化镍往往会增加材料的硬度，这也给激光加工带来了更多挑战。图5（a）显示了一个氧化镍掺杂的氧化铝陶瓷样品切割前的图像。提高切割频率，提高切割功率至100W，同时提高切割速度，可以有效地降低切割的表面粗糙度。从图5（b）所示的切割切面图可以看出，切割区域没有矿渣或毛刺，大大优化了激光切割工艺。图5（c）和图5（d）为高倍显微图，切割区域光滑、无毛刺，更有利于大规模工业生产的推广。

图5：氧化镍掺杂氧化铝陶瓷在低倍光学显微镜下的表面（a）和截面图（b）；以及在高倍光学显微镜下的表面（c）和截面图（d）。

结论

本研究通过详尽的实验与仿真分析，明确了在光纤激光切割氧化铝陶瓷过程中，激光频率与焦点位置的优化对于提升切割端面质量的显著影响。

实验数据显示，当激光频率由100Hz提升至500Hz时，样品端面粗糙度明显降低，尤其是在焦点位置调整至-0.25mm时，切割质量最佳，边缘缺陷显著减少。

热模拟结果补充说明了在150W激光功率下，材料的均匀烧蚀机制，归因于氧化铝陶瓷的各向同性导热特性。

综合实验与仿真分析，本研究揭示了在光纤激光切割氧化铝陶瓷时，通过优化激光频率和焦点位置而非简单调整功率，可显著提升切割表面质量。这些发现为硬脆性陶瓷材料的精密激光加工提供了重要的工艺参数指导，并为进一步探索激光与材料相互作用的微观机制奠定了理论基础。

参考文献
[1]贺永明. 工程陶瓷及其复合构件加工试验研究[D].南京理工大学,2009.
[2]盛晓军. 氧化铝陶瓷激光热应力切割数值仿真与实验分析[D].上海交通大学,2010.
[3]闫胤洲. 激光无裂纹切割陶瓷研究[D].北京工业大学,2013.
[4]谢林春. 光纤激光辅助加热切削Al2O3陶瓷工艺试验研究[D].湖南大学,2014.
[5]罗永皓. 基于气熔比控制的氧化铝陶瓷薄板激光切割工艺基础[D].大连理工大学,2018.
[6]章斌.基于光纤激光的氧化铝陶瓷材料微孔加工工艺研究[D].温州学,2019.