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红外激光切割蓝宝石的实验研究

        自1960年第一台蓝宝石激光器诞生至今,人们对激光技术的研究就从未停止。激光在各种不同领域的研究得到了迅猛发展,特别是在激光制造领域最为活跃。激光应用于工业领域已有近20年的历史,对人类社会发展产生了巨大的推动作用,其深度和广度都已经达到了前所未有的水平。

        随着高新科技的发展,微纳制造技术、微机电(MEMS)技术应用日趋广泛,为了适应高新技术的产业化发展,满足激光制造领域的需要,激光微细加工得到了越来越广泛的应用。激光加工技术是涉及光、机、电、材料及检测等多门学科的一种综合技术,作为激光加工技术的一个分支,越来越受到广泛的关注。激光微加工以精细、快速、精准的特点著称,通过与数控技术相结合应用于汽车工业、航空工业、计算机芯片以及太阳能等领域,可用激光进行切割、划线、焊接、钻孔、打标、雕刻、印刷等,且潜力巨大。

        近年来,手机成为人们不可或缺的产品,企业之间也存在着各种竞争,不断创新成为企业生存的砝码。手机HOME键就是企业的创新点之一。目前,HOME键大多采用蓝宝石材料,原因在于蓝宝石具有高强度、良好的绝缘性、高耐磨性、优良的热导率以及化学性能稳定的特点。由于手机HOME键要求精度很高,厚度也有一定的限制,因此需要对其进行切割。传统的机械加工方法容易产生废屑、崩边、裂纹等不良现象,机械接触式的刀具磨损也会不断增加加工成本,且其效率低下不适合市场需求。

        光纤激光由于具有优良的光束质量,可将光斑直径聚焦到10左右,所以非常有利于进行激光精细加工。

        光纤激光器是以掺杂稀土元素的光纤做激光介质的一种高效的波长转换器,即由泵浦激光波长转换为所掺稀土离子的辐射波长。光纤激光精密切割的优势表现为光束质量好、聚焦光斑小、加工质量好、工作效率高以及切割速度快等方面。

        激光切割使用聚焦后的连续或脉冲激光束照射材料表面,使被照射处的材料被高功率密度的激光束加热,瞬间达到熔化、汽化温度或者燃点,与此同时,用于激光束同轴的高速气流将熔融的物质吹出,随着光束与材料的相对移动,材料表面上形成切缝。激光切割示意图如图1所示。

        激光加工系统由激光器、光路系统、机械结构、控制系统(包括电控系统和软件系统)、辅助系统五大部分组成。如图2所示为激光切割系统示意图,图中实线部分为光路和气路,虚线代表控制线路。

图2 实验所用切割系统示意图

        激光器是激光加工的核心设备,其作用是将电能转变成光能并发出所需要的激光光束用于加工。光学导光系统是激光加工设备的主要组成部分,其作用是引导激光束至工作表面,对激光器输出光束进行整形、均匀、扩束、聚焦和准直,使在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度,同时,瞄准加工部位,显微观察加工过程及加工零件。机械平台系统主要包括多轴位移的机床、工作台及步进电机控制系统,保证激光聚焦定位及移动精度。控制系统应能够调节加工速度及加工路径,并与激光的重复频率配合实现高质量打孔加工。

        激光经过光学系统后会出现能量的衰减,对能量的利用率和切割效率都有直接的影响,所以镜片材料要对所使用波长的激光有尽可能大的透过率,一般选择镀膜的镜片来增大透过率。为了增大照射到加工材料上的激光能量密度,需要聚焦系统来减小激光的光斑尺寸。

        激光传导过程中,所有的镜片都会由于制造工艺或受外界污染等原因导致镜片寿命缩短。其中镜片污染会导致镜片对激光吸收率增加,进而产生光束传播时的功率损耗、聚焦光点位置的偏移及镀膜层的过早损坏,因此保持镜片的清洁非常重要。

        激光切割的质量评价和影响因素

        对于激光热切割加工而言,评价其加工质量主要包括以下几个原则:

        1、切缝光滑、无条纹,没有脆性断裂;

        2、切缝宽度宅,这主要与激光束光斑直径大小有关;

        3、切缝垂直度好,热影响区小;

        4、没有材料燃烧,没有熔化层形成,没有大的熔渣;

        5、切口表面粗糙度,表面粗糙度的大小是衡量激光切割表面质量的关键。

        要获得较好的表面质量等级,必须对激光功率、切割速度等工艺参数进行多次优化处理。一般而言,对具有相同特性和厚度的材料,工艺参数有一组最佳切割工艺参数。在相同切割工艺参数条件下,对于同一厚度的不同材料,由于物性参数的不同,也将得出不同的切口表面质量。另外影响切割质量的因素也有很多,切割材料本身的特性起着至关重要的作用,决定了该材料能否进行激光切割。除了加工材料本身的特性外,还与切割工艺参数、光束质量、外光路系统、喷嘴直径和喷嘴与加工材料表面的间距等影响因素有关。综合大量理论研究和实验分析,可以得到影响激光切割质量的两种主要因素:一类是加工系统性能和激光性能;另一类是加工材料性能和工艺参数。

        下面选取影响激光切割质量的几个主要因素进行分析:

(1)激光功率

        激光能量是激光切割过程中的主要能量来源,激光功率和切割速度决定了输入到材料上的能量,激光功率的大小会对切割产生重要的影响。当切割速度、辅助气体压力等其它工艺参数一定时,切口宽度随着激光功率的增加呈现一种线性正比关系。激光功率过小会出现切不透,增加功率,则切口宽度增加,端面粗糙度增大,激光切割时希望激光功率尽可能大,可以充分发挥激光器的功率优势,提高效率。

(2)切割速度

        对给定的材料和激光功率,切割速度一般符合于一个经验式,只要在阈值以上,材料的切割速度与激光功率成正比,即增加功率可以提高切割速度。对于切割蓝宝石而言,在其他工艺参数保持不变的情况下,激光切割速度可以有一个相对的调节范围。

        切割速度小,切口宽度大,切口粗糙度大;切割速度大,切口宽度和粗糙度小,超过最佳切割速度后粗糙度缓慢增加。切割速度过高,则切口刮渣较多或切不透;切割速度过低,则材料过烧,切口宽度和热影响区较大。要提高切割质量,当其他工艺参数不变时,要优化切割速度。

(3)辅助气体

        辅助气体除用于从切割区吹掉熔渣以清除切缝的惰性气体和活性气体,对蓝宝石材料,使用氮气可以起到抑制切割区过度燃烧的作用。

激光切割对辅助气体的基本要求是气流量要大,以便有充足的氮气与切口材料发生放热反应,并有足够的动力将切口处的熔融材料吹除。高速切割蓝宝石时,增加气体压力可以提高切割速度,防止切口背面产生刮渣。

        当激光功率和切割速度一定时,辅助气体压力对切割质量有明显影响。适当增加气体压力,由于气体动量增大,除渣能量提高,可使切割速度提升;但压力过大,切割面反而变得粗糙。在切割过程中,氮气中含有的杂质对切割质量造成不良影响,因此氮气的纯度要高。

        我司采用自己研制的红外光纤激光切割机进行蓝宝石切割实验,光纤切割机的技术参数如下表所示:

激光波长

1064nm

最大功率

20W

加工幅面

160mm×160mm

切割厚度

<0.8mm

定位精度

±3μm

重复精度

±1μm

蓝宝石材料厚度为0.52mm。使用氮气作为辅助气体,喷嘴直径为0.8mm。

实验首先要在软件中将起刀线的位置设置好,我们通过改变角度θ(起刀线与材料边缘的角度)来改变起刀线的位置,如图3所示。并观察和分析起刀线位置对切割质量的影响。θ依次选取15°、30°、45°、60°、75°和90°进行试验,起刀线的长度为0.3mm。起刀线的位置确定好后,再通过控制变量法,研究功率、脉宽、切割速度以及气体对切割质量的影响。

图3 起刀线示意图

        当激光刚照射到蓝宝石材料表面时,将会发生剧烈的反应。为了消除切割开始时的不利影响,在切割正式的图形前添加的一段切割线,即起刀线,也称为辅助线。起刀线的切入角度也是影响切割质量的重要因素。通过实验发现,当角度为或时,溅射物长度基本消除。

        起刀线设置好后,我们保持脉宽、切割速度以及气压不变,通过调节激光功率来观察激光切割蓝宝石质量的情况。从实际的实验结果得知,能够切透蓝宝石的临界功率为17%。因此我们分别进行了功率为25%、20%、18%及17%的切割实验,实验效果如下图所示:



图a 功率为25%时切割效果图

图b 功率为20%时切割效果图



图c 功率为18%时切割效果图

图d 功率为17%时切割效果图

        由上图可知,随着功率的不断降低,功率为20%时切割效果最好。能量过高时,热效应大使崩边量变大;能量较小时,有部分熔融物质未被清除。

        然后我们保持功率、脉宽及气体不变,改变切割速度来观察对切割效果的影响。从实际的实验结果得知,切割速度为6mm/s时蓝宝石就能切透。因此我们分别进行了切割速度为6mm/s、8mm/s和10mm/s的实验,实验效果如下图所示:



图e 速度为6mm/s时切割效果图

图f 速度为8mm/s时切割效果图

图g 速度为10mm/s时切割效果图

        从上图可知,随着切割速度的不断增大,切割效果先变好后变差,原因是当达到了临界功率后,如果增大速度伴随着激光功率就会减小导致切割质量受到影响。

        接着我们保持功率、切割速度及气体不变,改变频率来观察对切割效果的影响。从实际的实验结果得知,重复频率为650Hz时蓝宝石就能切透。因此我们分别进行了重复频率为800Hz、1000Hz和1500Hz的实验,实验效果如下图所示:



图h 频率为800Hz时切割效果图

图i 频率为1000Hz时切割效果图

图j 频率为1500Hz时切割效果图

        从上图可知,在临界频率的基础上增大重复频率,蓝宝石切割效果先变好后变差。由于脉宽是决定切割质量的因素之一,随着频率的不断增大,刮渣量先变小后又增大,综合考虑刮渣的和毛刺量,可以确定频率值为1000Hz。

        最后我们保持功率、切割速度及频率不变,改变氮气气压来观察对切割效果的影响。从实际的实验结果得知,氮气气压为0.5MPa时蓝宝石就能切透。因此我们分别进行了氮气气压为0.6MPa、0.8MPa、0.9Ma和1MPa的实验,实验效果如下图所示:



图k 氮气气压为0.6MPa时切割效果图

图l 氮气气压为0.8MPa时切割效果



图m 氮气气压为0.9MPa时切割效果图

图n 氮气气压为1MPa时切割效果图

        由上图可知,在一定范围内,随着气体压力的增加,崩边量逐渐减少,在1MPa时,基本无崩边,并且刮渣量也很少。随着气压的逐渐增大,燃烧剧烈进行,使蓝宝石熔化量增大,熔融材料被吹走,气压越大,其效果越明显。

        由以上分析我们可以确定,使用我司的红外光纤激光切割机切割厚度为0.52mm厚的蓝宝石的最佳工艺参数为:采用激光功率为4W,重复频率为1000Hz,氮气气压为1MPa和切割速度为8mm/s对蓝宝石进行切割,得到了较好的宏观形貌。



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