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紅外激光切割藍寶石的實驗研究

        自1960年第一臺藍寶石激光器誕生至今,人們對激光技術的研究就從未停止。激光在各種不同領域的研究得到了迅猛發展,特別是在激光制造領域最為活躍。激光應用于工業領域已有近20年的歷史,對人類社會發展產生了巨大的推動作用,其深度和廣度都已經達到了前所未有的水平。

        隨著高新科技的發展,微納制造技術、微機電(MEMS)技術應用日趨廣泛,為了適應高新技術的產業化發展,滿足激光制造領域的需要,激光微細加工得到了越來越廣泛的應用。激光加工技術是涉及光、機、電、材料及檢測等多門學科的一種綜合技術,作為激光加工技術的一個分支,越來越受到廣泛的關注。激光微加工以精細、快速、精準的特點著稱,通過與數控技術相結合應用于汽車工業、航空工業、計算機芯片以及太陽能等領域,可用激光進行切割、劃線、焊接、鉆孔、打標、雕刻、印刷等,且潛力巨大。

        近年來,手機成為人們不可或缺的產品,企業之間也存在著各種競爭,不斷創新成為企業生存的砝碼。手機HOME鍵就是企業的創新點之一。目前,HOME鍵大多采用藍寶石材料,原因在于藍寶石具有高強度、良好的絕緣性、高耐磨性、優良的熱導率以及化學性能穩定的特點。由于手機HOME鍵要求精度很高,厚度也有一定的限制,因此需要對其進行切割。傳統的機械加工方法容易產生廢屑、崩邊、裂紋等不良現象,機械接觸式的刀具磨損也會不斷增加加工成本,且其效率低下不適合市場需求。

        光纖激光由于具有優良的光束質量,可將光斑直徑聚焦到10左右,所以非常有利于進行激光精細加工。

        光纖激光器是以摻雜稀土元素的光纖做激光介質的一種高效的波長轉換器,即由泵浦激光波長轉換為所摻稀土離子的輻射波長。光纖激光精密切割的優勢表現為光束質量好、聚焦光斑小、加工質量好、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連續或脈沖激光束照射材料表面,使被照射處的材料被高功率密度的激光束加熱,瞬間達到熔化、汽化溫度或者燃點,與此同時,用于激光束同軸的高速氣流將熔融的物質吹出,隨著光束與材料的相對移動,材料表面上形成切縫。激光切割示意圖如圖1所示。

        激光加工系統由激光器、光路系統、機械結構、控制系統(包括電控系統和軟件系統)、輔助系統五大部分組成。如圖2所示為激光切割系統示意圖,圖中實線部分為光路和氣路,虛線代表控制線路。

圖2 實驗所用切割系統示意圖

        激光器是激光加工的核心設備,其作用是將電能轉變成光能并發出所需要的激光光束用于加工。光學導光系統是激光加工設備的主要組成部分,其作用是引導激光束至工作表面,對激光器輸出光束進行整形、均勻、擴束、聚焦和準直,使在加工部位獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密度,同時,瞄準加工部位,顯微觀察加工過程及加工零件。機械平臺系統主要包括多軸位移的機床、工作臺及步進電機控制系統,保證激光聚焦定位及移動精度?刂葡到y應能夠調節加工速度及加工路徑,并與激光的重復頻率配合實現高質量打孔加工。

        激光經過光學系統后會出現能量的衰減,對能量的利用率和切割效率都有直接的影響,所以鏡片材料要對所使用波長的激光有盡可能大的透過率,一般選擇鍍膜的鏡片來增大透過率。為了增大照射到加工材料上的激光能量密度,需要聚焦系統來減小激光的光斑尺寸。

        激光傳導過程中,所有的鏡片都會由于制造工藝或受外界污染等原因導致鏡片壽命縮短。其中鏡片污染會導致鏡片對激光吸收率增加,進而產生光束傳播時的功率損耗、聚焦光點位置的偏移及鍍膜層的過早損壞,因此保持鏡片的清潔非常重要。

        激光切割的質量評價和影響因素

        對于激光熱切割加工而言,評價其加工質量主要包括以下幾個原則:

        1、切縫光滑、無條紋,沒有脆性斷裂;

        2、切縫寬度宅,這主要與激光束光斑直徑大小有關;

        3、切縫垂直度好,熱影響區;

        4、沒有材料燃燒,沒有熔化層形成,沒有大的熔渣;

        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質量的關鍵。

        要獲得較好的表面質量等級,必須對激光功率、切割速度等工藝參數進行多次優化處理。一般而言,對具有相同特性和厚度的材料,工藝參數有一組最佳切割工藝參數。在相同切割工藝參數條件下,對于同一厚度的不同材料,由于物性參數的不同,也將得出不同的切口表面質量。另外影響切割質量的因素也有很多,切割材料本身的特性起著至關重要的作用,決定了該材料能否進行激光切割。除了加工材料本身的特性外,還與切割工藝參數、光束質量、外光路系統、噴嘴直徑和噴嘴與加工材料表面的間距等影響因素有關。綜合大量理論研究和實驗分析,可以得到影響激光切割質量的兩種主要因素:一類是加工系統性能和激光性能;另一類是加工材料性能和工藝參數。

        下面選取影響激光切割質量的幾個主要因素進行分析:

(1)激光功率

        激光能量是激光切割過程中的主要能量來源,激光功率和切割速度決定了輸入到材料上的能量,激光功率的大小會對切割產生重要的影響。當切割速度、輔助氣體壓力等其它工藝參數一定時,切口寬度隨著激光功率的增加呈現一種線性正比關系。激光功率過小會出現切不透,增加功率,則切口寬度增加,端面粗糙度增大,激光切割時希望激光功率盡可能大,可以充分發揮激光器的功率優勢,提高效率。

(2)切割速度

        對給定的材料和激光功率,切割速度一般符合于一個經驗式,只要在閾值以上,材料的切割速度與激光功率成正比,即增加功率可以提高切割速度。對于切割藍寶石而言,在其他工藝參數保持不變的情況下,激光切割速度可以有一個相對的調節范圍。

        切割速度小,切口寬度大,切口粗糙度大;切割速度大,切口寬度和粗糙度小,超過最佳切割速度后粗糙度緩慢增加。切割速度過高,則切口刮渣較多或切不透;切割速度過低,則材料過燒,切口寬度和熱影響區較大。要提高切割質量,當其他工藝參數不變時,要優化切割速度。

(3)輔助氣體

        輔助氣體除用于從切割區吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體,對藍寶石材料,使用氮氣可以起到抑制切割區過度燃燒的作用。

激光切割對輔助氣體的基本要求是氣流量要大,以便有充足的氮氣與切口材料發生放熱反應,并有足夠的動力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍寶石時,增加氣體壓力可以提高切割速度,防止切口背面產生刮渣。

        當激光功率和切割速度一定時,輔助氣體壓力對切割質量有明顯影響。適當增加氣體壓力,由于氣體動量增大,除渣能量提高,可使切割速度提升;但壓力過大,切割面反而變得粗糙。在切割過程中,氮氣中含有的雜質對切割質量造成不良影響,因此氮氣的純度要高。

        我司采用自己研制的紅外光纖激光切割機進行藍寶石切割實驗,光纖切割機的技術參數如下表所示:

激光波長

1064nm

最大功率

20W

加工幅面

160mm×160mm

切割厚度

<0.8mm

定位精度

±3μm

重復精度

±1μm

藍寶石材料厚度為0.52mm。使用氮氣作為輔助氣體,噴嘴直徑為0.8mm。

實驗首先要在軟件中將起刀線的位置設置好,我們通過改變角度θ(起刀線與材料邊緣的角度)來改變起刀線的位置,如圖3所示。并觀察和分析起刀線位置對切割質量的影響。θ依次選取15°、30°、45°、60°、75°和90°進行試驗,起刀線的長度為0.3mm。起刀線的位置確定好后,再通過控制變量法,研究功率、脈寬、切割速度以及氣體對切割質量的影響。

圖3 起刀線示意圖

        當激光剛照射到藍寶石材料表面時,將會發生劇烈的反應。為了消除切割開始時的不利影響,在切割正式的圖形前添加的一段切割線,即起刀線,也稱為輔助線。起刀線的切入角度也是影響切割質量的重要因素。通過實驗發現,當角度為或時,濺射物長度基本消除。

        起刀線設置好后,我們保持脈寬、切割速度以及氣壓不變,通過調節激光功率來觀察激光切割藍寶石質量的情況。從實際的實驗結果得知,能夠切透藍寶石的臨界功率為17%。因此我們分別進行了功率為25%、20%、18%及17%的切割實驗,實驗效果如下圖所示:



圖a 功率為25%時切割效果圖

圖b 功率為20%時切割效果圖



圖c 功率為18%時切割效果圖

圖d 功率為17%時切割效果圖

        由上圖可知,隨著功率的不斷降低,功率為20%時切割效果最好。能量過高時,熱效應大使崩邊量變大;能量較小時,有部分熔融物質未被清除。

        然后我們保持功率、脈寬及氣體不變,改變切割速度來觀察對切割效果的影響。從實際的實驗結果得知,切割速度為6mm/s時藍寶石就能切透。因此我們分別進行了切割速度為6mm/s、8mm/s和10mm/s的實驗,實驗效果如下圖所示:



圖e 速度為6mm/s時切割效果圖

圖f 速度為8mm/s時切割效果圖

圖g 速度為10mm/s時切割效果圖

        從上圖可知,隨著切割速度的不斷增大,切割效果先變好后變差,原因是當達到了臨界功率后,如果增大速度伴隨著激光功率就會減小導致切割質量受到影響。

        接著我們保持功率、切割速度及氣體不變,改變頻率來觀察對切割效果的影響。從實際的實驗結果得知,重復頻率為650Hz時藍寶石就能切透。因此我們分別進行了重復頻率為800Hz、1000Hz和1500Hz的實驗,實驗效果如下圖所示:



圖h 頻率為800Hz時切割效果圖

圖i 頻率為1000Hz時切割效果圖

圖j 頻率為1500Hz時切割效果圖

        從上圖可知,在臨界頻率的基礎上增大重復頻率,藍寶石切割效果先變好后變差。由于脈寬是決定切割質量的因素之一,隨著頻率的不斷增大,刮渣量先變小后又增大,綜合考慮刮渣的和毛刺量,可以確定頻率值為1000Hz。

        最后我們保持功率、切割速度及頻率不變,改變氮氣氣壓來觀察對切割效果的影響。從實際的實驗結果得知,氮氣氣壓為0.5MPa時藍寶石就能切透。因此我們分別進行了氮氣氣壓為0.6MPa、0.8MPa、0.9Ma和1MPa的實驗,實驗效果如下圖所示:



圖k 氮氣氣壓為0.6MPa時切割效果圖

圖l 氮氣氣壓為0.8MPa時切割效果



圖m 氮氣氣壓為0.9MPa時切割效果圖

圖n 氮氣氣壓為1MPa時切割效果圖

        由上圖可知,在一定范圍內,隨著氣體壓力的增加,崩邊量逐漸減少,在1MPa時,基本無崩邊,并且刮渣量也很少。隨著氣壓的逐漸增大,燃燒劇烈進行,使藍寶石熔化量增大,熔融材料被吹走,氣壓越大,其效果越明顯。

        由以上分析我們可以確定,使用我司的紅外光纖激光切割機切割厚度為0.52mm厚的藍寶石的最佳工藝參數為:采用激光功率為4W,重復頻率為1000Hz,氮氣氣壓為1MPa和切割速度為8mm/s對藍寶石進行切割,得到了較好的宏觀形貌。



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