工程陶瓷因具有硬度高、耐磨、耐腐和質輕等優良性能，被日益廣泛地應用于現代工業、國防和航空航天等領域，但其高脆性、高硬度給加工帶來了極大的困難。目前，使用傳統機械加工方法很難加工出形狀復雜的產品，存在加工成本高、效率低、加工質量不理想等突(tu)出(chu)問題，因而限制了陶瓷材料的應用(yong)與(yu)發(fa)展。

       激光(guang)是一種通過入射(she)光(guang)子(zi)的(de)(de)(de)激發(fa)使處于亞穩態的(de)(de)(de)較高(gao)能(neng)級的(de)(de)(de)原子(zi)、離子(zi)或(huo)分子(zi)躍遷到(dao)低(di)能(neng)級時(shi)完成受激輻射(she)所發(fa)出的(de)(de)(de)光(guang)，除具(ju)有一般(ban)光(guang)源的(de)(de)(de)共性(xing)(xing)(xing)之外(wai)，還(huan)具(ju)有單色性(xing)(xing)(xing)、相干性(xing)(xing)(xing)和(he)能(neng)量高(gao)度集中性(xing)(xing)(xing)等優點，因此可聚焦到(dao)尺寸(cun)與(yu)光(guang)波波長相近的(de)(de)(de)小斑(ban)點上。由于陶(tao)瓷對激光(guang)具(ju)有較高(gao)的(de)(de)(de)吸(xi)收率，尤其是氧化物陶(tao)瓷，對10.6m波長激光(guang)的(de)(de)(de)最高(gao)吸(xi)收率可達80％以上，溫(wen)度可高(gao)至上萬攝氏度，在瞬時(shi)即可使陶(tao)瓷材料局(ju)部(bu)熔化和(he)蒸(zheng)發(fa)，因此激光(guang)十分適合用于加(jia)工陶(tao)瓷材料。下面給大(da)家介紹(shao)一下激光(guang)在工程陶(tao)瓷特種加(jia)工技術(shu)和(he)加(jia)熱輔(fu)助加(jia)工方面的(de)(de)(de)應用。

激光在工程陶瓷特種加工技術的應用

       激光(guang)(guang)(guang)(guang)加(jia)工是一種具有(you)良好聚(ju)光(guang)(guang)(guang)(guang)性和位置控制性的(de)不接觸式加(jia)工，其工藝參數可(ke)在線調整，加(jia)工路徑靈活、可(ke)控性強等。常用的(de)激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)主要有(you)CO?激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)，Nd：YAG激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)和準分子激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)。

       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生的高溫來控制陶瓷材料產生裂紋，導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生，因此會產生大量的龜裂紋，影響切口表面質量。但若通過熱應力控制裂紋的形成和擴展，使得其轉弊為利產生新的加工方式即斷裂切割，可以改善表面質量。

        激(ji)光在實際(ji)加工時(shi)會使(shi)得(de)陶(tao)瓷(ci)基體(ti)在厚度(du)方向上(shang)出現不規則的(de)斷裂(lie)區域，而不能(neng)完(wan)全斷裂(lie)的(de)現象(xiang)。此(ci)外(wai)，裂(lie)紋在微觀方向上(shang)通(tong)常是(shi)四周(zhou)擴散(san)，用熱(re)梯度(du)來控制(zhi)材(cai)料產(chan)生裂(lie)紋很難(nan)，因而斷裂(lie)激(ji)光切(qie)割(ge)技術發展得(de)十分緩(huan)慢。

02激光打孔

        激(ji)光打孔是激(ji)光與材料相互作用的極其(qi)復雜(za)的熱物理過(guo)(guo)程(cheng)，而陶瓷材料是典型(xing)的脆性固體材料，在激(ji)光加工過(guo)(guo)程(cheng)中易(yi)發生材料表面出現裂紋(wen)的現象，甚至發生脆性斷(duan)裂的現象。

        由于(yu)連續(xu)激(ji)(ji)光(guang)比脈沖激(ji)(ji)光(guang)在(zai)加工過(guo)程中更易產生熱(re)震龜裂紋，故脈沖激(ji)(ji)光(guang)更適合于(yu)激(ji)(ji)光(guang)打孔。影響陶瓷脈沖激(ji)(ji)光(guang)打孔質量(liang)的因素主要有(you)：脈沖頻率、輸(shu)出功率、脈寬及輔助(zhu)氣體的壓力。若改(gai)善激(ji)(ji)光(guang)輸(shu)出特性(xing)（減(jian)小脈寬、改(gai)善激(ji)(ji)光(guang)光(guang)束(shu)能量(liang)的空間分(fen)布等）以及控制(zhi)激(ji)(ji)光(guang)加工速度(du)或者進(jin)行預熱(re)處理都可以減(jian)少(shao)甚(shen)至(zhi)消除微裂紋。

氧化鋁激光打孔基片

03激光打標

        激(ji)光(guang)(guang)標(biao)記(ji)技術的(de)原理是高(gao)能量(liang)的(de)激(ji)光(guang)(guang)束照射(she)工(gong)(gong)件后，工(gong)(gong)件表面發(fa)生物理反(fan)(fan)應或者化(hua)學反(fan)(fan)應而出(chu)現顏色等方面的(de)變化(hua)，并就此留下特殊的(de)標(biao)記(ji)和符號。隨(sui)著人們的(de)審(shen)美能力也在逐漸增強，對(dui)于陶瓷制品外(wai)(wai)觀(guan)的(de)要求也越來(lai)越高(gao)，激(ji)光(guang)(guang)標(biao)記(ji)技術在陶瓷加工(gong)(gong)中發(fa)揮著越來(lai)越重要的(de)作(zuo)用。此外(wai)(wai)，人們在采購時越來(lai)越注重防(fang)(fang)偽標(biao)識(shi)，而如何(he)制作(zuo)此標(biao)識(shi)使其不易脫落、不易被模仿復制成(cheng)為(wei)亟(ji)待解(jie)決(jue)的(de)問(wen)題之一。激(ji)光(guang)(guang)技術的(de)出(chu)現使這一問(wen)題得(de)到(dao)了妥善的(de)解(jie)決(jue)。也就是說，經由激(ji)光(guang)(guang)進行的(de)標(biao)記(ji)，不僅(jin)工(gong)(gong)藝(yi)精良，還(huan)能夠延長使用壽命，取(qu)得(de)明顯的(de)防(fang)(fang)偽效果(guo)。

       目前，激(ji)光(guang)標(biao)記技(ji)術廣泛地應(ying)用于(yu)陶瓷(ci)制品，使用金屬激(ji)光(guang)打標(biao)機，光(guang)纖激(ji)光(guang)打標(biao)機等設備，為陶瓷(ci)加工提供(gong)了更(geng)多(duo)的可(ke)能性，使現在的陶瓷(ci)制品更(geng)加精美。

激光在工程陶瓷加熱輔助加工的應用

        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點，使其得到越來越廣泛的關注。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，材料的屈服應力降低。工程陶瓷的變形特征從脆性轉變為塑性或者準塑性，使得工程陶瓷的加工變得越加容易，降低能量消耗，提高材料去除率。下面主要介紹激(ji)光加熱輔(fu)(fu)助車削、激(ji)光加熱輔(fu)(fu)助磨削、激(ji)光加熱輔(fu)(fu)助銑削加工、激(ji)光加熱輔(fu)(fu)助引弧微爆(bao)炸加工。

01激光加熱輔助車削

       激光(guang)加(jia)熱輔助車(che)削(xue)在非加(jia)熱狀態下切(qie)削(xue)加(jia)工時(shi)，刀(dao)具接觸(chu)陶(tao)瓷試件，會產生(sheng)很大的(de)切(qie)削(xue)阻(zu)力，容易造成崩刀(dao)現象，使(shi)得(de)常(chang)規(gui)車(che)削(xue)方法難以實現。但(dan)由于陶(tao)瓷材(cai)料(liao)在玻璃化溫度時(shi)卻(que)具有塑性效應，可用(yong)特殊的(de)耐高溫刀(dao)具對(dui)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)進行(xing)像金屬材(cai)料(liao)一樣(yang)進行(xing)切(qie)削(xue)加(jia)工，通過(guo)激光(guang)與材(cai)料(liao)的(de)相互作用(yong)，在材(cai)料(liao)被刀(dao)具去除前改變其性能，提(ti)高加(jia)工性能。譬如Si?N?陶(tao)瓷溫度超過(guo)1200℃時(shi)，切(qie)削(xue)性能有顯著改善，可以獲得(de)連(lian)續切(qie)屑。

激光加熱輔助車削

02激光加熱輔助磨削

       磨削是工(gong)(gong)程陶瓷(ci)(ci)的(de)主要加工(gong)(gong)方法，由于陶瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)料(liao)的(de)高硬度(du)(du)和高脆性，導致切削力(li)大、刀具磨損(sun)嚴(yan)重、材(cai)(cai)料(liao)去除率低，而(er)且加工(gong)(gong)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面容易(yi)產生亞表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面損(sun)傷(shang)。此外，由于陶瓷(ci)(ci)的(de)導熱(re)(re)性較差(cha)，磨削過程中(zhong)產生的(de)熱(re)(re)量積蓄在工(gong)(gong)件表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面，使工(gong)(gong)件表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層產生很高的(de)溫(wen)度(du)(du)梯(ti)度(du)(du)，極易(yi)導致材(cai)(cai)料(liao)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)層出現(xian)熱(re)(re)損(sun)傷(shang)，甚(shen)至出現(xian)碎裂(lie)。激(ji)光加熱(re)(re)輔助磨削加工(gong)(gong)采用激(ji)光對工(gong)(gong)件表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面進行預加熱(re)(re)，可明顯降低材(cai)(cai)料(liao)硬度(du)(du)和脆性，降低磨削力(li)，減(jian)少亞表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面損(sun)傷(shang)產生，提高磨削表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面質量。

激光加熱輔助磨削

03激光加熱輔助銑削

        銑(xian)削(xue)(xue)(xue)是指利用(yong)旋(xuan)轉的多(duo)刃(ren)刀(dao)(dao)具切(qie)削(xue)(xue)(xue)工(gong)(gong)件(jian)，不(bu)僅可以(yi)加(jia)工(gong)(gong)平面(mian)(mian)、溝槽(cao)、輪齒等，也可以(yi)加(jia)工(gong)(gong)復雜(za)型面(mian)(mian)。由于銑(xian)削(xue)(xue)(xue)是多(duo)刃(ren)斷續切(qie)削(xue)(xue)(xue)，每個(ge)刀(dao)(dao)齒在切(qie)削(xue)(xue)(xue)過程(cheng)中的切(qie)削(xue)(xue)(xue)厚度是變(bian)化的，沖(chong)擊載荷較大，容易發生振(zhen)動(dong)。采用(yong)激光加(jia)熱輔助銑(xian)削(xue)(xue)(xue)可以(yi)減少切(qie)削(xue)(xue)(xue)時(shi)銑(xian)刀(dao)(dao)的振(zhen)顫，降(jiang)低切(qie)削(xue)(xue)(xue)力，提高刀(dao)(dao)具壽命，改善(shan)加(jia)工(gong)(gong)表面(mian)(mian)質量。

04激光加熱輔助引弧微爆炸加工

       電極(ji)引弧微爆(bao)轟(hong)波加(jia)工(gong)(gong)技術(shu)是北京裝甲兵工(gong)(gong)程學院再(zai)制造(zao)(zao)系加(jia)工(gong)(gong)室研發的一種(zhong)新型陶瓷粗加(jia)工(gong)(gong)技術(shu)。它利用專用脈(mo)沖電源在通電后產生的高(gao)頻(pin)高(gao)壓，擊穿爆(bao)轟(hong)波發生器的陽極(ji)與陰(yin)極(ji)間的問(wen)隙形成微爆(bao)炸(zha)，轟(hong)擊材(cai)料表面來(lai)去除材(cai)料。為解(jie)決存(cun)在的加(jia)工(gong)(gong)表面粗糙和尺(chi)寸(cun)精度不(bu)高(gao)、容(rong)易造(zao)(zao)成崩碎等(deng)問(wen)題，在其(qi)基(ji)礎(chu)上改進(jin)并設(she)計了激(ji)光加(jia)熱輔助引弧微爆(bao)炸(zha)加(jia)工(gong)(gong)試驗系統(tong)。

       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(de)(de)(de)原因表現(xian)在兩方面(mian)(mian)：一方面(mian)(mian)激光的(de)(de)(de)預熱(re)作用降低(di)了(le)引弧(hu)微(wei)爆炸加工(gong)瞬間的(de)(de)(de)熱(re)應力，減(jian)少(shao)了(le)裂紋的(de)(de)(de)產生；另一方面(mian)(mian)，提(ti)前加熱(re)陶瓷(ci)工(gong)件至脆(cui)塑(su)轉變溫(wen)度，使陶瓷(ci)材料(liao)的(de)(de)(de)變形(xing)特征從脆(cui)性斷(duan)(duan)裂轉變為塑(su)性變形(xing)，明顯減(jian)小了(le)脆(cui)性斷(duan)(duan)裂。

激光加熱輔助引弧微(wei)爆炸加工系(xi)統

結語

       激(ji)(ji)光(guang)具(ju)有非接(jie)觸加(jia)(jia)工(gong)、容易實(shi)現自動化等(deng)優(you)點(dian)，國(guo)內外都對(dui)陶(tao)瓷激(ji)(ji)光(guang)加(jia)(jia)工(gong)技(ji)術(shu)(shu)越來越重視(shi)，有望解(jie)決陶(tao)瓷加(jia)(jia)工(gong)的(de)高成本(ben)、低效率的(de)問題(ti)。激(ji)(ji)光(guang)加(jia)(jia)工(gong)技(ji)術(shu)(shu)和激(ji)(ji)光(guang)加(jia)(jia)熱(re)輔助加(jia)(jia)工(gong)技(ji)術(shu)(shu)將在難加(jia)(jia)工(gong)材料加(jia)(jia)工(gong)的(de)應(ying)用中占非常重要(yao)的(de)位置(zhi)。接(jie)下來，技(ji)術(shu)(shu)人員需要(yao)不斷深入開展(zhan)對(dui)激(ji)(ji)光(guang)加(jia)(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)系統、工(gong)藝(yi)參數優(you)化等(deng)研究，通過增強對(dui)加(jia)(jia)熱(re)溫度的(de)實(shi)時測量與自動控(kong)制技(ji)術(shu)(shu)研究來解(jie)決熱(re)應(ying)力(li)裂(lie)紋等(deng)缺陷問題(ti)。

        機械手視覺定位、圖(tu)像(xiang)處(chu)理庫(ku)等(deng)為核心的(de)20多(duo)款(kuan)自(zi)(zi)主知(zhi)識(shi)產(chan)權產(chan)品(pin)。涉及(ji)(ji)自(zi)(zi)動貼(tie)合機(ji)、絲印機(ji)、曝光機(ji)、疊片機(ji)、貼(tie)片機(ji)、智(zhi)(zhi)能(neng)檢(jian)測、智(zhi)(zhi)能(neng)鐳射等(deng)眾多(duo)行業領域。雙(shuang)翌視(shi)覺系統最高生產(chan)精度可(ke)達um級別，圖(tu)像(xiang)處(chu)理精準、速度快，將智(zhi)(zhi)能(neng)自(zi)(zi)動化(hua)制造行業的(de)生產(chan)水平提升到一個更(geng)(geng)高的(de)層次，改進了以(yi)往落(luo)后的(de)生產(chan)流程，得(de)到廣大(da)用戶的(de)認可(ke)與肯定。隨(sui)著(zhu)智(zhi)(zhi)能(neng)自(zi)(zi)動化(hua)生產(chan)的(de)普及(ji)(ji)與發展，雙(shuang)翌將為廣大(da)生產(chan)行業帶來更(geng)(geng)全面、更(geng)(geng)精細、更(geng)(geng)智(zhi)(zhi)能(neng)化(hua)的(de)技(ji)術(shu)及(ji)(ji)服務。