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机械2004年第31卷第3期·55·

激光切割及其在切割陶瓷材料中的应用

邓英剑

(湖南冶金职业技术学院机械系，湖南株州412000)

摘要：激光是一种理想的切割热源，本文简述了激光切割的工作原理、特点及其在切割陶瓷材料中的应用，并讨论了激
光切割工艺参数及其对切割质量的影响。
关键词：激光切割；特点；工艺参数；陶瓷；影响因素
中图分类号:TG506文献标识码：A文章编号:1006－0316(2004)03－0055－04

Thelaserincisesanditsapplicationincuttingtheceramics
DENGYING－jian
(HunanMetallurgicalProfessionalTechnologyCollege，zhuzhou412000，China)
Abstract：Thelaserisakindoftheperfectlyhotsourceforincising,Thistextbrieflyintroducetheworkprincipleand
characteristicsoflaserincisinganditsapplicationincuttingceramics,andthetechnicalparametersofthelaserincisingandits
influencesthequantityarediscussed.
Keywords：laserincises；Characteristics；technicalparameters；ceramic；influencefactors

激光是一种通过入射光子的激发使处于亚稳烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流

态的较高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级（即具有一定压力的辅助气体，常用气体有N2、

时完成受激辐射所发出的光，它与引起这种受激O2、空气等，其主要作用是：在熔化切割时，依
辐射的入射光在相位、波长、频率和传播方向等靠喷吹气体的压力把液态金属吹走形成切口；在
几方面完全一致，因此激光除具有一般光源的共氧气切割中，气体与切割金属反应放热，提供部
性之外，还具有亮度高、方向性好、单色性好和分切割能量，同时又靠气体吹除反应物），吹除熔
相干性好四大特性。由于激光的单色性好和具有融物质，从而实现工件割开的一种热切割方法。
很小的发散角，因此在理论上可聚焦到尺寸与光其工作原理示意图如图1所示。

波波长相近的小斑点上，其焦点处的功率密度可反射镜
达107W/cm2~1011W/cm2，温度可高至上万摄氏激光器
度，它是一种理想的切割热源，能使任何坚硬的激光束
材料如硬质合金、陶瓷、金刚石等，都将在瞬时
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(<10s)被局部熔化和蒸发，并通过所产生的强烈透镜
辅助气体
冲击波被喷发出去。因此，我们可以利用激光对
喷嘴移动方向
各种材料进行切割等加工。
喷嘴

1激光切割的原理、类型及特点

切割面
被割材料
1．1激光切割的原理

激光切割系利用经聚焦的高功率密度激光束图1激光切割原理图

照射工件，使被照射处的材料迅即熔化、汽化、

收稿日期：2003-11-25
作者简介：邓英剑（1969－），女，高讲，研究生在读，原在工厂从事机械设计与制造工作，目前主要从事机电专业教学与研究，公开发表论
文10多篇.

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1．2激光切割的类型寸精度与形位精度，低的表面粗糙度的零件是很
困难的。
根据工件热物理特性和辅助气体的特性，激
将陶瓷材料加工成所需零件一般要经过坯料
光切割可分为汽化切割、熔化切割、反应熔化切
切割、磨削、研磨和抛光等工序，其中陶瓷坯料
割和控制断裂切割四类。其中激光汽化切割指在
的切割以往主要采用固定磨具（如金刚石锯片或
极高的激光功率密度（108W/cm2）的光束照射下，
带锯）和超声波游离磨料等机加工方法及电火花
工件表面材料在极短时间内被加热到汽化点，并
切割法，近几年来，正逐步采用以高能量密度的
以气体或为气体冲击以液态、固态微粒形态逸出，
激光作为“切割刀具”对其进行切割，即激光切
形成割缝从而实现切割。陶瓷的切割可采用汽化
割，取得了令人满意的效果。
切割。
陶瓷的某些物理特性有利于激光加工。
1．3激光切割的主要特点（1）对激光的吸收率高

即使是波长较长的CO2激光，陶瓷对其吸
（1）切割质量好
收率要比一般金属高得多。如氧化铝（AlO）陶
由于激光的光斑小、能量密度高，切割速度23
瓷的吸收率约85%，氧化锆（ZrO2）则达90%左
又快，故能获得良好的切割质量。
右，氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷的吸
①切缝窄，激光切割的割缝一般在0.10～
收率也在40%以上，如果陶瓷表面较粗糙时，吸
0.20m