CN103071933A

CN103071933A - 激光复合切割陶瓷的装置及方法

Info

Publication number: CN103071933A
Application number: CN2013100188232A
Authority: CN
Inventors: 袁根福; 陈春映; 王金华; 逄志伟
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明涉及一种激光复合切割陶瓷的装置及方法，包括工作台，所述工作台上固定陶瓷板材，所述陶瓷板材上部设置有与其垂直的激光系统，所述激光系统的激光束射入装有透镜的切割头内，所述切割头的一侧还通入有辅助气体；所述激光束与辅助气体通过切割头同时射向陶瓷板材所需切割区域；所述工作台的一侧还设置有水射流系统，所述水射流系统的结构为：包括电机，所述电机连接泵，所述泵的输入端连接水箱，所述泵的输出端通过管路连接有喷枪，所述喷枪的头部安装喷嘴，所述喷嘴喷出的水射流射向陶瓷板材。本发明只需利用低压的水射流，成本低，可以实现高效、低损伤的陶瓷切割加工，产品表面加工质量好，生产效率高。

Description

激光复合切割陶瓷的装置及方法

技术领域

本发明涉及陶瓷制品的制造领域，尤其是一种采用低压水射流14的激光复合切割陶瓷的装置及方法。

背景技术

现有的陶瓷制品坯体的激光切割方法主要采用（CO2或Nd:YAG）激光，利用激光的高温使被照射区的材料瞬间熔化直至气化，并在强烈冲击波下爆射式地去除。激光加工具有其显著特点：激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或气化，即使熔点高、硬度大和质脆的陶瓷也可用激光加工；激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；工件不受应力，不易污染；可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工。但是，这种激光加工方法往往在材料加工表面不可避免存在由于热应力而产生的微裂纹，以及在加工表面存在重铸层，从而影响加工产品的合格率和加工质量；另外，激光刻蚀加工过程由蒸发和喷射产生的微颗粒灰尘，也影响了精密器件加工质量和性能。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的陶瓷切割方法会产生微裂纹，影响产品加工质量等缺点，提供一种激光复合切割陶瓷的装置及方法，从而有效的避免在产品表面产生微裂纹的现象，同时减少了热影响区，切割热损伤减少，大大提高了加工表面的质量。

本发明所采用的技术方案如下：

一种激光复合切割陶瓷的装置，包括工作台，所述工作台上固定陶瓷板材，所述陶瓷板材上部设置有与其垂直的激光系统，所述激光系统的激光束射入装有透镜的切割头内，所述切割头的一侧还通入有辅助气体；所述激光束与辅助气体通过切割头同时射向陶瓷板材所需切割区域；所述工作台的一侧还设置有水射流系统，所述水射流系统的结构为：包括电机，所述电机连接泵，所述泵的输入端连接水箱，所述泵的输出端通过管路连接有喷枪，所述喷枪的头部安装喷嘴，所述喷嘴喷出的水射流射向陶瓷板材。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述喷枪的喷嘴喷出的水射流滞后于切割头所喷出的激光束和辅助气体，滞后距离a为1mm-2mm；

所述辅助气体为氧气；

所述辅助气体的压力为0.2 MPa -0.5MPa；

所述水射流的压力小于10bar；

所述水射流的流速为6cm/s-12cm/s；

所述陶瓷板材的厚度为：0.8mm-2mm；

所述泵的一侧通过管道连接工作台，所述管道上设置有过滤器。

一种利用上述装置进行激光复合切割陶瓷的方法，包括以下步骤：

第一步：选择陶瓷板材上所需切割的区域；

第二步：启动激光系统，调整合理的激光参数；

第三步：利用激光束对陶瓷板材切割区域进行烧蚀，辅助气体进行吹除，以及水射流同时吹向被烧蚀的区域，同时，工作台发生移动，与激光束产生相对运动，最终切断陶瓷板材。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述陶瓷板材经过烧蚀后发生熔化或者气化。

本发明的有益效果如下：

本发明结构合理，操作简便，其只需利用低压的水射流，有效的避免了水射流压力过大对冲蚀区切割所产生的损伤，同时低压水射流的装置成本低，可以实现高效、低损伤的陶瓷切割加工，产品表面加工质量好，生产效率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明操作步骤一的结构示意图。

图3为本发明操作步骤二的结构示意图。

其中：1、工作台；2、陶瓷板材；3、辅助气体；4、激光束；5、注射针头；6、喷嘴；7、喷枪；8、过滤器；9、水箱；10、管路；11、泵；12、电机；13、切割头；14、水射流。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的激光复合切割陶瓷的装置，包括工作台1，工作台1上固定陶瓷板材2，陶瓷板材2上部设置有与其垂直的激光系统，激光系统的激光束4射入装有透镜的切割头13内，切割头13的一侧还通入有辅助气体3；激光束4与辅助气体3通过切割头13同时射向陶瓷板材2所需切割区域；工作台1的一侧还设置有水射流系统，水射流系统的结构为：包括电机12，电机12连接泵11，泵11的输入端连接水箱9，泵11的输出端通过管路10连接有喷枪7，喷枪7的头部安装喷嘴6，喷嘴6喷出的水射流14射向陶瓷板材2。喷嘴6的直径越小越好，成本低，更换方便，可选用医用注射针头5。

喷枪7的喷嘴6喷出的水射流14滞后于切割头13所喷出的激光束4和辅助气体3，滞后距离a为1mm-2mm。

辅助气体3为氧气。

辅助气体3的压力为0.2 MPa -0.5MPa。压力较小，避免产生切割损伤。

水射流14的压力小于10bar。压力较小，避免产生切割损伤。

水射流14的流速为6cm/s-12cm/s。

陶瓷板材2的厚度为：0.8mm-2mm。

泵11的一侧通过管道连接工作台1，管道上设置有过滤器8。有利于水的循环使用，降低成本。

如图1所示，其工作过程中，工作台1沿着X轴和Y轴方向移动，切割头13沿着Z轴方向移动。

本实施例的利用上述装置进行激光复合切割陶瓷的方法，包括以下步骤：

第一步：选择陶瓷板材2上所需切割的区域；

第二步：启动激光系统，调整合理的激光参数；

第三步：利用激光束4对陶瓷板材2切割区域进行烧蚀，辅助气体3进行吹除，以及水射流14同时吹向被烧蚀的区域，同时，工作台1发生移动，与激光束4产生相对运动，最终切断陶瓷板材2。

实际使用过程中：以切割厚度为1mm的Al2O3陶瓷材料为例，对本发明的切割步骤进行分析。

本发明对1mm的Al2O3陶瓷材料的加工时，在Nd:YAG固体激光系统中（其最大功率为500W）完成，该系统包括激光器、导光系统、计算机、控制系统（其为现有技术，图中均未画出），此外还配置了水射流14系统，该系统包括电机12、泵11、喷枪7、喷嘴6。

其具体实现步骤如下：

（1）、如图1所示，将待切割的1mm的Al2O3陶瓷板材2固定在工作台1上；

（2）、启动激光系统，手动调节激光切割头光学系统的光学透镜的位置，使激光束4焦点的光斑大小控制到最小，重置坐标系；

（3）、导入切割图形，在控制板上调节激光参数，本实施例中调节激光脉冲电流为350A，脉冲宽度为0.8ms，激光频率为45Hz，工作台1水平移动线速度为1mm/s，打开气阀，设置辅助气体3压力为0.3MPa；

（4）、在水箱9中加入重量比为10%的KOH（氢氧化钾），在水射流14中加入一定的腐蚀性溶剂，可以腐蚀熔融层；打开电机12，调节水的压力，使喷枪7喷嘴6处水射流14的水流速度为8cm/s；

（5）、加工过程中，首先利用激光将Al2O3陶瓷板材2加热、熔化（甚至气化），与此同时，利用水射流14和辅助气体3将熔化的材料去除，同时迅速冷却Al2O3陶瓷板材2（见图2和图3）。

通过上述步骤可以方便的完成陶瓷板材2的切割，通过水射流14的设置，提高了可刻蚀速率，提高了产品的表面加工质量。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims

1.一种激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：包括工作台（1），所述工作台（1）上固定陶瓷板材（2），所述陶瓷板材（2）上部设置有与其垂直的激光系统，所述激光系统的激光束（4）射入装有透镜的切割头（13）内，所述切割头（13）的一侧还通入有辅助气体（3）；所述激光束（4）与辅助气体（3）通过切割头（13）同时射向陶瓷板材（2）所需切割区域；所述工作台（1）的一侧还设置有水射流系统，所述水射流系统的结构为：包括电机（12），所述电机（12）连接泵（11），所述泵（11）的输入端连接水箱（9），所述泵（11）的输出端通过管路（10）连接有喷枪（7），所述喷枪（7）的头部安装喷嘴（6），所述喷嘴（6）喷出的水射流（14）射向陶瓷板材（2）。

2.如权利要求1所述的激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：所述喷枪（7）的喷嘴（6）喷出的水射流（14）滞后于切割头（13）所喷出的激光束（4）和辅助气体（3），滞后距离a为1mm-2mm。

3.如权利要求1所述的激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：所述辅助气体（3）为氧气。

4.如权利要求1所述的激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：所述辅助气体（3）的压力为0.2 MPa -0.5MPa。

5.如权利要求1所述的激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：所述水射流（14）的压力小于10bar。

6.如权利要求1所述的激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：所述水射流（14）的流速为6cm/s-12cm/s。

7.如权利要求1所述的激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：所述陶瓷板材（2）的厚度为：0.8mm-2mm。

8.如权利要求1所述的激光复合切割陶瓷的装置，其特征在于：所述泵（11）的一侧通过管道连接工作台（1），所述管道上设置有过滤器（8）。

9.一种利用权利要求1所述装置进行激光复合切割陶瓷的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：选择陶瓷板材（2）上所需切割的区域；

第二步：启动激光系统，调整合理的激光参数；

第三步：利用激光束（4）对陶瓷板材（2）切割区域进行烧蚀，辅助气体（3）进行吹除，以及水射流（14）同时吹向被烧蚀的区域，同时，工作台（1）发生移动，与激光束（4）产生相对运动，最终切断陶瓷板材（2）。

10.如权利要求9所述的激光复合切割陶瓷的方法，其特征在于：所述陶瓷板材（2）经过烧蚀后发生熔化或者气化。