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采用参数大范围可调的超短脉冲激光系统研究陶瓷钻削中的非热-热加工边界

DOI：10.1007/s00339-020-3410-2 期刊：Applied Physics A 出版年份：2020 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 激光材料加工的质量和产量受多种激光参数及材料特性的影响。由于激光加工导致的材料劣化通常与热影响区相关，因此快速优化并实现非热加工过程是提升激光加工等级的关键问题之一。本研究开发了多种参数可控的超短脉冲激光系统，可大范围调控各类激光参数（如脉冲持续时间跨越三个数量级）。利用该激光系统（波长：1033 nm，脉冲持续时间：0.4至400 ps，重复频率：最高1 MHz），我们探究了氮化铝（AlN）和氧化钇稳定氧化锆（YSZ）这两种热导率高低不同的陶瓷材料钻孔过程中的非热-热加工边界。结果表明：AlN陶瓷的烧蚀速率对能量密度表现出强依赖性——低、中、高能量密度区间呈现不同的对数相关性，且非热-热加工边界随脉冲持续时间变化而显现；而YSZ的烧蚀行为与AlN显著不同——其烧蚀速率未呈现明显三个区间特征，且不存在非热加工窗口。因此，非热-热加工边界由脉冲持续时间等激光参数及材料热导率共同决定。
作者： Aiko Narazaki，Hideyuki Takada，Dai Yoshitomi，Kenji Torizuka，Yohei Kobayashi
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究采用参数范围广泛的超短脉冲激光系统钻削陶瓷时非热-热加工边界。

研究成果

研究表明，陶瓷激光打孔中的非热-热过程边界既受激光参数（如脉冲持续时间和能量密度）影响，也与材料特性（尤其是热导率）密切相关。氮化铝陶瓷根据脉冲持续时间呈现不同的烧蚀机制和非热加工窗口，而氧化钇稳定氧化锆在测试条件下未表现出非热加工窗口。这说明材料特性对非热激光加工的可行性起着决定性作用。

研究不足

该研究聚焦于两种热导率差异显著的陶瓷材料。其他材料特性对非热-热加工边界的影响尚未探究。此外，尽管激光系统功能广泛，但其参数范围可能无法覆盖所有工业应用场景。

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