介紹了硬脆性陶瓷激光切割技術研究的若干新進展，著重從工藝角度系統地分析總結了激光加工陶瓷減少熱損傷的4大類型：傳統工藝的優化參數法、多道切割法、應力引導控制裂紋切割法以及輔助切割法。結合實際研究經驗，針對陶瓷不同薄厚類型及三維切割需求，提出了目前該技術所需解決的主要題目及相關思考。
　　
　　1引言
　　
　　廣義上玻璃、搪瓷、琺瑯、釉、水泥、單晶或其他無機化合物都屬于陶瓷的范疇。陶瓷因具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、高盡緣、無磁性、比重小、自潤滑及熱膨脹系數小等的*優點，除了在日常生活和產業生產中發揮著重要作用，正越來越多地作為電子器件、滑動構件、發動機制件、能源構件等應用材料，在機械、化工、電子以及航空航天等一些科技領域中顯示出巨大的應用需求和上風潛力。但其硬度高、脆性大、抗熱震性與重現性差等致命弱點嚴重阻礙了該類材料工程化的推廣應用。目前通過組分復合（如陶瓷基復合材料）和成型工藝可以在一定程度上進步陶瓷的可加工性和達到部分結構設計要求，但還遠遠不能滿足實際陶瓷零構件的使用需求，多數情況下仍需要進行修整加工，以進步陶瓷零構件的外形和尺寸精度，滿足機械結構相互靈活配合的目的。其中，切割即是陶瓷零構件加工中一個*的基本手段。激光切割技術因其具有非接觸性、柔性化、效率高及易實現數字化控制等特點，一直以來頗受青睞，人們寄希看于這種高能束加工方法可以象對待金屬材料的切割一樣，很好地完成陶瓷的無損切割。
　　
　　2陶瓷激光切割技術特點及現行主要方法
　　
　　以激光作為加工能源，在硬脆性陶瓷加工方面的發展潛力已見端倪：它可以實現無接觸式加工，減少了因接觸應力對陶瓷帶來的損傷；陶瓷對激光具有較高的吸收率（氧化物陶瓷對10.6μm波長激光的zui高吸收率可達80％以上），聚焦的高能激光束作用于陶瓷局部區域的能量可超過108J/cm2，瞬間就可使材料熔化蒸發，實現率加工；由于聚焦光斑小，產生的熱影響區小，可以達到精密加工的要求；激光的低電磁干擾以及易于導向聚焦的特點，方便實現三維及異形面的特殊加工要求。激光器的種類很多，以激光光束質量、材料對熱源的高吸收效率以及適應產業化發展需求的標準來衡量，CO2激光熱加工仍為陶瓷切割的主要手段。激光切割的難易程度由材料的熱物理性質決定，由于陶瓷是由共價鍵、離子鍵或兩者混合化學鍵結合的物質。晶體間化學鍵方向性強，因而具有高硬度和高脆性的本征特性。相對于金屬材料，即使是高精密陶瓷，其顯微結構均勻度亦較差，嚴重降低了材料的抗熱震性，常溫下對剪切應力的變形阻力很大，極易形成裂紋、崩豁甚至于材料碎裂。因此，無損傷激光切割陶瓷類高硬脆無機非金屬材料一直是一個誘人的且亟待解決的題目。總結近20年來激光加工陶瓷技術的研究發現，陶瓷的激光切割技術主要包括傳統工藝的優化參數法、多道切割法、應力引導控制裂紋切割法以及輔助切割法四大類。
　　
　　2.1傳統工藝的優化參數法
　　
　　該類方法基本鑒戒金屬材料激光加工的成熟工藝，僅通過優化工藝參數來實現加工目的。研究發現針對不同材料需要采用不同的激光激勵方式，對于大多數陶瓷，脈沖激光切割方式是較好的選擇，連續激光切割方式一般更適用于其中的薄片狀玻璃切割。進步脈沖激光輸出的峰值功率、降低脈寬至納秒量級、減少重復頻率、降低切割速度是該類方法有效減少激光輸進對材料產生的過熱影響，抑制裂紋產生的基本工藝規律。在無損切割速度的研究中，G.Lu等給出了激光功率、切割速度和材料厚度之間的關系式：P≥1.781011t2.41v，指出對于一定厚度t的材料，存在一個zui大切割速度v。要進步切割速度，實驗證實在相同激光功率條件下，采用線聚焦方式的切割速度可比點聚焦方式進步5倍以上，線聚焦更好地增大了切割方向的熱輸進量，并減少了垂直于切割方向的熱影響區。
　　
　　在優化參數的基礎上，對相關加工附件（包括夾具）的改進也是該研究方法的一個突破點。激光加工中輔助氣體的超音速氣流可有效減少熱積累，抑制切割過程中的裂紋產生，但是超音速氣流的氣壓大，作用在被加工材料上會產生類似于刀具加工的接觸應力。通過對超音速噴嘴的創新改進，可使作用于材料表面的氣體凈壓力為零，達到抑制機械壓力損傷的目的。使用圖1所示F.Quintero等提出非同軸送氣方式在激光切割厚氧化物陶瓷中，會由于比同軸送氣更高的氣體利用率而產生更好的冷卻效果，切縫斷面無裂紋，底部無掛渣（圖2所示）。采用真宅吸盤固定硬脆性陶瓷可以保持工件在激光加工過程中的受力均勻，減少因夾持預應力而增大材料產生裂紋乃至斷裂的概率。
　　　　該類研究中，值得一提的是I.Black等對8.5mm和9.2mm厚的Al2O3基瓷磚進行的切割研究。他們通過優化切割速度、脈寬、噴嘴直徑、氣體類型及壓力等措施，實現了該類厚板陶瓷的直線切割，并通過建立經驗模型猜測了該種方法針對不同厚度陶瓷的無裂紋切割速度。實驗所用瓷磚型陶瓷一般具有較低的密度，疏松的結構可以為應力積累提供很好的開釋空間。但是在對尖角的切割中，由于過燒產生了難以控制而無法避免的裂紋。Al2O3陶瓷相比其他陶瓷具有熱膨脹系數低及楊氏模量低的特點，對熱應力產生的斷裂阻力高，因此Al2O3陶瓷厚板激光無損切割的成功還不能*表示所有陶瓷都可以采用類似的切割工藝。
　　
　　2.2多道切割法
　　
　　多道切割法即采用激光多次掃描同一切割軌跡而達到往除材料的目的。一般先以較低功率激光多次掃描同一加工路徑，以不斷推進加工深度，至一定厚度后，轉而以高功率激光完成切割。該方法工藝zui為簡單，但可靠性差。優點在于每道切割時單位長度輸進的能量小，可以降低熱載荷，抑制裂紋產生與擴展。但是此法在提出之際就已被明確指出這是一種犧牲加工時間和效率的切割方法，用該方法切割8.5mm的氧化鋁陶瓷需要60或100次激光的重復掃描“走刀”（如下表所示）。
　　　　實驗發現激光每道掃描所產生的熔渣很難及時排除，往往因嚴重堆積造成切縫堵塞及殘余熱作用霍加。因此，該方法更適用于以氣化切割機制為主的陶瓷。采用調Q的CO2激光及納秒級脈寬抑制裂紋，以氣化多道切割方式對Si3N4陶瓷進行無損切割研究，可以將微裂紋尺寸控制在晶粒尺寸的范圍。
　　
　　2.3應力引導控制裂紋切割
　　
　　在激光掃描切割玻璃板的瞬態溫度場和應力場的有限元分析中，研究職員發現位于光斑前后以及冷卻點四周存在一個拉應力區，可以促使材料加工處形成裂紋并擴展以完成切割過程，這種方法很快應用于實際生產中，目前已成為研究、遠景也極為看好的激光切割陶瓷方法之一。該方法通過激光輻照在陶瓷表面的切割方向產生拉應力，但并不將工件熔化或氣化，*依靠應力使材料斷裂而完成切割。
　　
　　使用橢圓光斑并增大光斑尺寸可以減少斷面上的熱影響區，增大冷卻氣體流量和減少冷卻點與光斑間隔呵以增大拉應力值。Yu-ZanWang等通過有限元分析。采用線聚焦激光束切割玻璃，在直線切割方向上可以得到很大的溫度梯度，從而實現熱劈裂加工。在液晶顯示器玻璃的激光切割中，研究職員嘗試對材料施加三點力的彎矩，以在其內部產生預應力，增強裂紋控制的同時也加快了切割速度。
　　
　　Tsai等在厚型陶瓷切割的實驗中，先使用一束激光進行切槽加工，再用另一束非聚焦激光在材料上產生熱應力發生斷裂。由于槽的限制，第二道激光誘發的裂紋將會沿著槽的軌跡進行擴展，達到無損切割目的。以YAG和CO2聚焦激光混合切割10mm厚的陶瓷板，60W的YAG激光用來切槽，44W的CO2激光產生熱應力引導控制裂紋使材料斷裂，切割速度可達3mm/s。該種方法固然常被成為“雙光束”法（如圖3所示），但其原理仍然是建立在以應力作用引導裂紋擴展達到切割目的。實驗方法上，人們采用更多方式的設備組合以期達到更好的切割質量。雙CO2激光的組合方式可以完成對2.54mm的氧化鋁陶瓷的切割，速度接近5mm/s。此外，還有將雙光束與冷卻氣流相配合的切割方法，以產生更大的熱應力用以切割厚板。這種以裂紋控制為基礎的“雙光束”方法獲得陶瓷厚板切割成功的報道為10mm厚陶瓷的直線切割衛引，研究成果頗受矚目。但是該方法設備系統和工藝操縱復雜，而且由于引導裂紋擴展的可控制性較差，在曲線和角形切割中始終難以達到無損的切割效果。
　　　　2.4輔助切割法
　　
　　激光復合切割技術是將激光技術與一些傳統切割技術相結合，既有以激光為主的方法亦有以激光為輔助工具的方法。總體而言，還未能充分發揮激光技術的獨占上風，理論創新也因工藝上的多學科交叉特色而有所束縛。
　　
　　水是液體輔助激光加工方法中zui常見輔助介質，水中激光加工可以避免空氣中加工的污染，抑制飛濺物的產生和再沉積。由于水對紅光的吸收率較高，水中加工的激光波長以藍綠光為佳，實際應用中，考慮到加工效率，則常以近紅外波長的Nd：YAG激光為主要切割熱源。水輔助切割既可將工件浸于其中進行激光加工，亦可利用與光束同軸水流的水導激光切割方法。
　　
　　1987年NoboruMorita等提出在水中通過Nd：YAG激光可以實現無缺陷陶瓷加工。此后I.Black等發現水中加工會因多余的熱量被水吸收而減少激光切割的熱影響區，但由于熔渣的冷凝，其切縫斷裂面裂紋仍然難以得到抑制。在采用Nd：YAG激光加工Al2O3陶瓷的過程中，研究職員發現產生的氣泡和加熱液體的活動有助于熔渣的排出，進步加工質量。此外，假如考慮光在水中具有*穿透能力的波段為紫外波段，則對于一定深度的水下切割陶瓷材料，波長為532nm的倍頻Nd：YAG激光會更適合。但隨著水層深度的加大，激光能量損失也隨之增長。由于水對激光的折射率會使光束的焦點下移，實際應用中往往需要重新調整焦點位置以獲得*切割效果。如圖4所示的水導激光加工中，同軸進射的水流可以有效減少熱影響區，降低熱應力以抑制工件表面裂紋產生，適合厚板材料的切割。
　　　　1982年，國內研究職員提出的“微區激光切削”方法是一種典型的激光為輔方法。通過將激光束聚焦成為光帶，用以加熱、熔化余量和零件分界面的微區，同時用剝離工具剝離已分離的切屑，并使工件相對聚焦激光束和剝離工具而運動。2007年6月，極光飛行科學公司（AuroraFlightSciences）在西維吉尼亞高技術同盟公司和NASA聯合投資的支持下，公布開始實施激光輔助切削輕量碳化硅陶瓷基復合材料（CMC）項目的研究。即以激光器作為輔助手段，將零件表面加熱到540℃，使脆性的陶瓷基復合材料恰好軟化，再使用*的刀具進行零件切割加工。
　　
　　由于人們在陶瓷研究中已積累沉淀了大量經驗，激光在金屬材料的應用技術研究也頗為成熟。因此針對硬脆性陶瓷類非金屬材料的激光加工，研究職員已從多學科范圍提出過大量的可嘗試方法，4大類方法僅是對已有代表性工藝的一種扼要總結。相對于金屬材料，陶瓷類非金屬材料除具有硬脆性高、導熱率差等普遍性特點外，還存在明顯的個性差異，即使是同一配方、同一原料也會由于燒結批次不同而在顯微結構上存在差異，這種差異對于無損切割往往是不容忽視的。實際中，研究職員往往要視加工材料的具體情況進行工藝調整、改進，乃至創新，對材料加工前所需進行的預處理細節，如浸潤、附著有助應力開釋的粘合膜等，也同樣不容忽視。
　　
　　3陶瓷激光切割技術所面臨的題目與思考
　　
　　硬脆性陶瓷類非金屬材料激光切割技術的研究從未停步，但目前還沒有一項能夠真正滿足大批量企業化生產的率激光加工方法。新型產業對陶瓷需求的日益增長，更是敦促*的陶瓷可加工技術大步發展的良好契機，機遇與挑戰同在。
　　
　　從加工工藝而言，陶瓷加工的*步必須確定公道的激光輸出方式。激光激勵的基本方式有兩種：連續輸出和脈沖輸出。兩種輸出方式針對不同類型的陶瓷各有發揮所長之處，需要綜合考慮切割質量和切割速度。通常連續輸出適用于玻璃、有機玻璃等非晶態非金屬材料。脈沖輸出方式則多適用于陶瓷等多晶或單晶材料。此外，厚度、密度等無疑也是需要考慮的重要影響因素。無損切割是陶瓷加工的首要目標，針對材料的不同特征，側重點各有不同。按照陶瓷構件及陶瓷器件的發展趨勢，陶瓷激光加工所面臨的題目與思考略述如下。
　　
　　3.1薄型陶瓷的激光精密切割
　　
　　應用于微電子、生物等領域的陶瓷類無機非金屬材料的厚度一般在1mm左右。該類材料多稱為精細陶瓷，高密度高質量，幾無燒結缺陷。采用激光對該類材料的加工，通過調整激光工藝參數，重點降低激光輸出占空比，以在保證材料切斷的條件下盡量降低激光輸出的均勻功率。同時進步激光切割速率（對于非晶態的玻璃材料，甚至可以采用連續激光切割方式），并使用較大氣壓值的輔助氣體進行吹除，可以達到切口整潔無裂紋的無損切割。要解決的關鍵題目是如何保證切割的精細度，包括加工定位精度、切縫的精密度等。如圖5所示片狀微電子線路基板上的引腳制孔，切割定位精度需要達到幾十微米。
　　　　金屬材料激光加工中，往往可以通過采用電容式傳感器的高度調節系統來保證切割頭與工件的距。離嚴格一致。但盡大多數陶瓷類非金屬材料具有高的電盡緣性，激光頭所帶高度調節不起作用。因此，現行激光加工系統在應用于陶瓷類材料加工時，大多需要改進、設計新的定位裝置或反饋系統。新開發的“激光精細加工非同軸顯微定位”裝置無需改變激光加工系統原有結構，直接裝配于激光頭，裝卸靈活，定位精度可達加工機床精度，應用于1mm高硼硅玻璃微流控封裝器件的加工取得了良好效果，其無損切割制孔陣列，單孔盡對定位精度約30μm，直徑zui小切割精細度可達300μm（圖6）。
　　　　3.2厚型陶瓷的激光無損切割
　　
　　裂紋是厚型陶瓷類材料激光切割所需解決的zui大題目。熱量注進導熱性差的厚板材料中，會產生很大的熱應力積累，在應力特別是非平衡分布應力的作用下，極易導致裂紋產生。需要說明的是，這里的“厚型”有一定的數值范圍：應用于機械工程領域實用成形陶瓷類非金屬零構件的材料厚度一般均超過1mm，多為幾毫米乃至十幾毫米，厚度超過20mm以上的陶瓷類材料，特別是具有高密度低缺陷的該類材料，從現行燒結制備工藝來說也是難度極大。厚型陶瓷類材料的制備，往往會伴隨密度的下降，而密度的下降將會明顯降低激光切割的難度。因此針對實際應用意義，該領域激光加工技術的研究重點可放在厚度20mm以下的陶瓷無損切割。厚型陶瓷類材料的加工往往對切縫精密度的要求不高。但其加工損傷將隨陶瓷厚度的增加而愈發嚴重，其無損切割難度已成為制約激光切割陶瓷技術發展的瓶頸。該類材料的切口斷面往往有一層熔凝層，經顯微分析，重凝層的厚度僅在20mm左右，而斷面裂紋則分布于熔凝層上。陶瓷的硬脆特性使得這一熔凝層結構疏松且極易脫落，其上裂紋并不滲透基體材料，對基體材料沒有不良影響。如圖7（a）所示左半部分是重凝層區域，右側上方白色箭頭所示為重凝層脫落后的基體材料。因此相比薄型材料，該類硬脆性厚型陶瓷激光切割研究的重點應放在垂直于切縫的工件表面裂紋的產生和擴展，如圖7（b）所示。
　　　　按照熱傳導基本原理對硬脆性陶瓷激光切割中的熱效應行為進行了分析。發現現行“脈沖激光連續走刀”方式在薄型陶瓷類材料切割中的成功，是由于材料在高能激光作用下的迅速穿透，個數有限的脈沖對材料表面溫升的影響可以近似等同于單個脈沖，脈沖問隙足以保證溫度的冷卻，從而抑制了因熱應力作用而產生的裂紋；但對于該類厚型材料，脈沖數的增加對材料溫升的影響無法忽略，且連續走刀的掃描方式也無法有效減弱激光束前一個加工點的殘余熱量對后一個加工點的累積效應，這種熱積累效應將隨加工路徑的延長、加工路徑拐點的出現而加劇，尤易造成曲線、角形等內輪廓的切割失敗。特別是在每次“連續走刀”沒有穿透切縫的情況下，更會由于熔化材料的反沖塞效應、凝渣的堆積、輔助氣氛僅局限于輻照面淺層區域的有限冷卻作用，而增加這種熱積累效應及隨之的應力分布失衡，導致裂紋出現。因此，對該類材料的切割，僅采取工藝調整是不夠的，還需要開發新的工藝。
　　
　　3.3陶瓷的激光三維切割
　　
　　就陶瓷本身而言，其在燒結過程中的高收縮率增大了陶瓷結構件的制成難度。激光切割對材料幾乎不產生機械沖擊和壓力，且定位靈活，為實現陶瓷零構件的三維加工提供了廣闊的發展空間。實現陶瓷激光三維切割的條件是解決好本文所提的前兩個題目，但陶瓷切割中，往往一個點的顯微裂紋就會引致整個陶瓷件的崩裂，因此，要真正實現可實用的陶瓷激光三維切割還有很長的路要走。針對陶瓷的熱物理性質，可以預見的題目應涉及：離焦量隨工件表面變化實時調節控制的題目，復雜切割路徑的熱擴散題目，激光束穿透工件單面對相對面的熱損傷題目以及激光關光點處應力斷裂的控制題目等。
　　
　　4結論
　　
　　隨著陶瓷應用領域的不斷擴大，激光在陶瓷加工方面的巨大潛力日趨顯現。激光加工方法尤其適合于常規方法不適用和不經濟的方法，在硬脆性陶瓷類材料加工方面已體現出強大的發展潛力。但由于陶瓷本征的硬脆特性，使得該技術的發展中還存在很多亟待解決的題目。隨著實驗研究的廣泛深進開展，對陶瓷激光加工的作用機制更需要得到理論上的論證和支持，根據該類材料的個性差異，系統開展有關工藝及機制的規范研究具有重要意義。