【摘 要】
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陶瓷材料由于具有硬脆特性，在红外CO2连续激光加工过程中，由于温度梯度引起的热应力，极易产生裂纹发生断裂.通过采用CO2连续激光水下加工技术，可以实现对陶瓷材料的无损去除加工.研究发现，相较于CO2连续激光在空气中加工，水下加工陶瓷材料具有更少的热损伤、重凝层、熔渣沉积以及裂纹产生.通过采用FEM和SPH技术模拟激光水下加工中的热过程及流体相互作用，阐述了水媒介在激光加工过程中对裂纹抑制以及减少熔
【机 构】
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北京工业大学,激光工程研究院,北京,100124
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陶瓷材料由于具有硬脆特性，在红外CO2连续激光加工过程中，由于温度梯度引起的热应力，极易产生裂纹发生断裂.通过采用CO2连续激光水下加工技术，可以实现对陶瓷材料的无损去除加工.研究发现，相较于CO2连续激光在空气中加工，水下加工陶瓷材料具有更少的热损伤、重凝层、熔渣沉积以及裂纹产生.通过采用FEM和SPH技术模拟激光水下加工中的热过程及流体相互作用，阐述了水媒介在激光加工过程中对裂纹抑制以及减少熔渣沉积的基本原理.加工处显微结构分析进一步体现了水下和及空气中激光加工的加热和冷却过程的不同，验证了数值模拟结果.通过水下加工技术，实现了100W低功率CO2连续激光对氧化铝陶瓷的准三维无损去除加工，材料去除率达到3mm3/min.此外，还提出了CO2连续激光控制断裂剥离技术，实现了对氧化铝陶瓷表面材料的无损剥离.通过采用20-25W的CO2连续激光二次扫描陶瓷表面，可以实现厚50μm的陶瓷碎屑剥离.由于该过程基于断裂分离，故所形成的加工亚表面无热损伤和重凝层，显微结构与基体材料相同；亚表面粗糙度(Ra≈2μm)与机械断裂陶瓷形成的表面粗糙度近似(Ra≈1.84μm)；材料去除率可达7.5mm3/min.通过实验和有限元模拟发现，发现形成控制断裂剥离的机理是基于：(1)重凝层以下裂纹的控制扩展，(2)重凝层内残余拉应力作用.该技术可用于对激光切割陶瓷厚板的切割面重凝层去除，以进一步提高激光切割陶瓷材料质量和精度，实现厚板陶瓷的无热损伤激光切割面.
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