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氧化锆陶瓷板激光切割熔化物颗粒形态研究

吴迪 王续跃

吴迪, 王续跃. 氧化锆陶瓷板激光切割熔化物颗粒形态研究[J]. 中国光学, 2016, 9(5): 554-562. doi: 10.3788/CO.20160905.0554
引用本文: 吴迪, 王续跃. 氧化锆陶瓷板激光切割熔化物颗粒形态研究[J]. 中国光学, 2016, 9(5): 554-562. doi: 10.3788/CO.20160905.0554
WU Di, WANG Xu-yue. Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic[J]. Chinese Optics, 2016, 9(5): 554-562. doi: 10.3788/CO.20160905.0554
Citation: WU Di, WANG Xu-yue. Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic[J]. Chinese Optics, 2016, 9(5): 554-562. doi: 10.3788/CO.20160905.0554

氧化锆陶瓷板激光切割熔化物颗粒形态研究

doi: 10.3788/CO.20160905.0554
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 50975041

国家自然科学基金资助项目 51375073

国家自然科学基金资助项目 51321004

详细信息
    作者简介:

    吴迪(1990-), 男, 吉林长春人, 硕士研究生, 主要从事激光切割方面的研究.E-mail:wudisuper@126.com

    通讯作者:

    王续跃(1960-), 男, 辽宁大连人, 博士, 教授, 主要从事特种加工和精密加工方面的研究.E-mail:wbzzd@dlut.edu.cn

  • 中图分类号: TN249

Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 50975041

National Natural Science Foundation of China 51375073

National Natural Science Foundation of China 51321004

More Information
  • 摘要: 本文设计了一套加工装置,对氧化锆陶瓷板激光切割的熔化物颗粒进行收集,并采用Imagine-Pro Pluse(IPP)图像处理软件对熔化物颗粒的形态(数量、形状、平均直径、标准差及其分布情况)进行研究。通过气熔比控制方法,对板厚分别为0.8mm、1mm、1.5mm、3mm的氧化锆陶瓷板进行激光切割实验。实验结果表明:不同板厚参数下,球形熔化物颗粒所占百分比范围从99.21%降到89.81%,圆饼形从0.79%升至7.44%,哑铃形从0升至2.75%。随着板厚的增加,圆饼形和哑铃形颗粒所占百分比增大,球形颗粒所占百分比降低,球形颗粒平均直径和标准差随之增大,切面粗糙度由2.287μm增加到5.946μm。建立了熔化物去除几何模型,阐述了熔化物颗粒与切割质量的关系,球形颗粒所占的百分比越大,平均直径和标准差越小,切割质量越好,最终获得质量较高切割样件。
  • 图  1  激光切割装置示意图

    Figure  1.  Setup photo of laser cutting

    图  2  不同板厚下的显微图像

    Figure  2.  Microscopic images at different thickness

    图  3  熔化物球形颗粒显微图像处理过程

    Figure  3.  Processing of spherical melt particles microscopic image

    图  4  球形颗粒分布直方图

    Figure  4.  Distribution of spherical melt particles

    图  5  板厚对各形状熔化物颗粒所占百分比的影响

    Figure  5.  Effect of thickness on percentage of different melt particles

    图  6  板厚对球形颗粒平均直径和标准差的影响

    Figure  6.  Effect of thickness on average diameter of particles and standard

    图  7  熔化物去除几何模型

    Figure  7.  Geometric model of removal melt

    图  8  哑铃形颗粒

    Figure  8.  Dumbbell-shaped particles

    图  9  球形熔化物颗粒平均直径对切面粗糙度的影响

    Figure  9.  Effect of mean spherical melt particles diameter on roughness of kerf surface

    图  10  高质量切割样件

    Figure  10.  High quality cutting sheet

    表  1  (3Y-TZP)氧化锆陶瓷化学成分(质量分数,%)

    Table  1.   Composition of (3Y-TZP) Zirconia Ceramic (mass fraction, %)

    ZrO2Y2O3SiO2TiO2Na2OFe2O3Others
    94.85.10.0300.0300.0050.0070.030
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    表  2  (3Y-TZP)氧化锆陶瓷热物理参数

    Table  2.   Heat physical parameters of (3Y-TZP)Zirconia Ceramic

    热物理参数数值
    氧化锆含量/%94.8
    激光吸收率/%>90
    热传导率/(W/m·K)2.5
    热膨胀系数(10-6/℃)10.0
    熔点/℃2 550
    密度/(g·cm-3)6.05
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    表  3  激光切割工艺参数

    Table  3.   Parameters of laser cutting

    参数数值
    频率/Hz30
    离焦量/mm0
    脉冲宽度/ms2
    辅助吹气压力/MPa0.8
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    表  4  不同板厚及不同工艺参数下的气熔比值

    Table  4.   Vapor-melt ratios at different thickness and cutting parameters

    试验序号1234
    板厚/mm0.811.53
    激光功率/W75757575
    切割速度/(mm·min-1)120120120120
    气熔比0.2090.1920.1600.086
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    表  5  不同板厚下不同形状颗粒个数

    Table  5.   Number of different shape particles at different thicknesses

    板厚/mm0.811.53
    颗粒总数383396359363
    球形颗粒个数380389341326
    圆饼形颗粒个数371627
    哑铃形颗粒个数00210
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-04-19
  • 修回日期:  2016-05-13
  • 刊出日期:  2016-10-01

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