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工程陶瓷的激光热裂法切割技术研究

作　者: 田中国
导　师: 王扬
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 连续YAG激光 激光切割 热裂法 氧化锆陶瓷 氧化铝陶瓷
分类号: TQ174.62
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


工程陶瓷,在航空航天、国防、微机电系统及日常生活中的应用日趋广泛。由于其具有高脆性、低断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点,使得多数陶瓷材料的加工难度很大。关于工程陶瓷的热裂法切割技术在近年的陶瓷加工领域受到普遍关注。陶瓷的激光热裂法切割技术,具有加工高效、切割质量好、加工环境清洁等特点。基于连续YAG激光的陶瓷热裂法切割技术,具有加工边缘整齐、无毛刺、可避免微裂纹、激光热效应影响小的诸多优点。基于此,本文开展了陶瓷激光热裂法切割技术的研究工作。本文参考了近年来相关学者在陶瓷热裂切割技术上的研究现状。根据激光陶瓷热作用的理论基础,对YAG激光陶瓷切割技术进行了理论分析和试验研究。首先,用有限元分析方法分析了激光切割陶瓷过程中,温度场及热应力场的变化分布情况。给出了陶瓷热开裂切割中裂纹产生的机理。仿真得到的陶瓷温度场和实测温度场进行了对比。结合仿真,对陶瓷切割过程中起始裂纹的轨迹偏移进行了分析。针对白色氧化锆陶瓷对连续YAG激光的低吸收率现象。采用表面涂抹石墨的方法,增加了其吸收率。进行了白色、黑色氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、可加工陶瓷的激光热裂法切割试验。对黑色氧化锆陶瓷进行了系列单因素试验。对切割轨迹边缘和断口的表面形貌进行了检测,包括纳米压痕检测陶瓷激光扫描前后的机械性能;SEM分析断口形貌,轮廓仪测量断口粗糙度等。根据单因素试验,给出了黑色氧化锆陶瓷的最佳切割工艺参数曲线,针对黑色氧化锆陶瓷的激光扫描后存在的变色区宽度进行了测量。给出了其分布曲线。同时分别分析了激光功率、激光扫描速度、激光光斑直径对陶瓷断口粗糙度的影响规律。

全文目录


摘要  4-5Abstract  5-9第1章 绪论  9-17  1.1 课题研究的目的和意义  9-10  1.2 热裂法激光切割  10-11  1.3 国内外在该方向的研究现状及分析  11-15  1.4 本文主要研究工作  15-17第2章 工程陶瓷热裂法扩展的基础理论  17-27  2.1 引言  17  2.2 激光陶瓷相互作用的传热学理论  17-18  2.3 热应力学  18-21  2.4 断裂力学  21-26    2.4.1 裂纹类型及尖端应力场  22-24    2.4.2 裂纹扩展判据  24    2.4.3 裂纹扩展方向  24-26  2.5 本章小结  26-27第3章 陶瓷热裂法断裂机理分析  27-40  3.1 引言  27  3.2 工程陶瓷的Nd:YAG 激光切割有限元仿真  27-36    3.2.1 工程陶瓷板Nd:YAG 激光直线切割有限元模型  27-30    3.2.2 温度场分析  30-32    3.2.3 红外热像仪测温试验  32-34    3.2.4 热应力分析  34-36  3.3 裂纹起始阶段扩展失稳  36-39  3.4 本章小结  39-40第4章 工程陶瓷的激光切割试验  40-51  4.1 引言  40  4.2 试验条件  40-42    4.2.1 激光器  41    4.2.2 工作台  41-42    4.2.3 纳米压痕仪  42  4.3 白色氧化锆陶瓷的表面处理工艺及加工结果对比  42-44    4.3.1 白色氧化锆陶瓷表面处理  42    4.3.2 白色氧化锆陶瓷切割效果  42-44  4.4 圆弧轨迹切割  44-45  4.5 白色氧化锆陶瓷激光扫描前后的机械性能对比  45-46  4.6 氧化铝陶瓷及可切削加工陶瓷的切割试验  46-50    4.6.1 氧化铝工程陶瓷的激光切割试验  46-48    4.6.2 可切削加工陶瓷的热裂法切割试验  48-50  4.7 本章小结  50-51第5章 激光切割工艺参数影响分析  51-62  5.1 引言  51  5.2 黑色、白色氧化锆陶瓷的机械性能对比  51-52  5.3 断口粗糙度的单因素影响分析  52-54    5.3.1 激光光斑直径的影响分析  52-53    5.3.2 断口粗糙度随激光功率的变化  53    5.3.3 断口粗糙度随激光扫描速度的变化  53-54  5.4 最佳切割参数  54-55    5.4.1 试验方法  54    5.4.2 最佳切割质量分析  54-55  5.5 变色区宽度  55-59    5.5.1 对应最佳切割参数的变色区分布  55-57    5.5.2 变色区宽度的单因素影响分析  57-59  5.6 激光扫描前后黑色氧化锆陶瓷的机械性能对比  59-60  5.7 小结  60-62结论  62-63参考文献  63-66攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  66-68致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 生产过程与设备 > 制坯、成型
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