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-激光與光學研究中心，綠色產業創新研究所，安徽大學 

2-安徽柏逸激光科技有限責任公司 

3-信息材料與智能感知安徽省實驗室，安徽大學

工程結構陶瓷由于其突出的耐高溫性、卓越的耐腐蝕能力、高強度及優異的電絕緣性能，在航空航天、生物醫療、電子器件制造、能源技術和精密機械工程等眾多高科技領域展現出廣泛的應用潛力。然而，這些材料固有的硬脆性特征，使得對其進行經濟、高效的加工面臨著嚴峻挑戰。常規的機械加工手段往往難以有效應對，頻繁導致材料破損，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存障礙，其中激光加工技術展現出巨大潛力，成為應對這一挑戰的有效途徑。

近年來，眾多學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，系統性地評估了激光切割參數對溫度場和熱應力分布的影響，為參數優化提供了寶貴的理論與實踐指導。[2]閆胤洲在2013年的研究中指出，通過調整激光加工的峰值功率、占空比和脈沖重復頻率，能夠成功實現無裂紋打孔，顯著提升了陶瓷切割的品質與效率。[3]2014年，謝林春構建的激光輔助加熱切削溫度場數學模型，通過實驗數據分析了工藝參數變化對刀具損耗和工件表面質量的影響，為切割精度的提升提供了科學依據。[4]2018年，羅永皓通過氣熔比數學模型的研究，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，作為當代先進制造技術的典范，憑借其非接觸式作業、高精確度、較小的熱影響區以及加工速度快等優點，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）這類應用廣泛的陶瓷時，顯示出了巨大的潛力和經濟效益。盡管氧化鋁陶瓷具有高硬度、優異的力學特性和化學穩定性，但其低熱導率和高熱膨脹系數的特性，導致激光加工時易出現熱應力集中，進而可能引起裂紋甚至斷裂。因此，精細調節激光加工參數（如功率密度、掃描速度、光斑尺寸）及采取適當的輔助冷卻措施，對于控制熱效應、抑制裂紋形成、提升加工質量和加工效率來說，是非常重要的可行性方案。

本研究綜合運用了系統的實驗設計與仿真分析方法，旨在更加深入地探索光纖激光切割技術在氧化鋁陶瓷加工中的應用潛力，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的應用與發展。

實驗方法

（1）實驗設備與材料

本研究選用了一臺光纖激光切割系統，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果的干擾。

圖1：光纖激光切割系統。

（2）激光切割參數設計

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

（3）實驗操作與數據采集

實驗過程中，首先將氧化鋁陶瓷試樣固定在數控平臺上，通過控制系統精確調整激光參數，每組實驗重復三次以提高數據的可靠性。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（如熱導率、比熱容和熱膨脹系數），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，確保了仿真預測的準確性。

結果與討論

（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量的影響。通過共聚焦顯微鏡測量了在其他加工參數恒定的條件下，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量的關鍵變量。

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化效果

隨后，固定激光功率為80W，系統地改變激光頻率，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質的表面質量。

進一步，將焦點位置分別調整到距離樣品表面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下移對優化切割質量的積極作用。

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，設定激光功率為150W，光斑直徑25μm，采用高斯面熱源模型。

模擬結果（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格變形，不僅直觀反映了熱效應引起的材料變化，還證實了氧化鋁陶瓷優異的各向同性導熱性能；這意味著熱量在材料內部均勻傳導，促使材料在所有方向上經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、以及切割質量的穩定性至關重要。

圖4：燒蝕過程的仿真結果：（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。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，切割區域沒有礦渣或毛刺，大大優化了激光切割工藝。圖5（c）和圖5（d）為高倍顯微圖，切割區域光滑、無毛刺，更有利于大規模工業生產的推廣。

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

結論

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化對于提升切割端面質量的顯著影響。

實驗數據顯示，當激光頻率由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整至-0.25mm時，切割質量最佳，邊緣缺陷顯著減少。

熱模擬結果補充說明了在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，通過優化激光頻率和焦點位置而非簡單調整功率，可顯著提升切割表面質量。這些發現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指導，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。

參考文獻

[1]賀永明. 工程陶瓷及其復合構件加工試驗研究[D].南京理工大學,2009.

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

[3]閆胤洲. 激光無裂紋切割陶瓷研究[D].北京工業大學,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,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[D].大連理工大學,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,2019.