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紅外激光切割藍(lán)寶石的實(shí)驗(yàn)研究

        自1960年第一臺(tái)藍(lán)寶石激光器誕生至今,人們對(duì)激光技術(shù)的研究就從未停止。激光在各種不同領(lǐng)域的研究得到了迅猛發(fā)展,特別是在激光制造領(lǐng)域最為活躍。激光應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域已有近20年的歷史,對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用,其深度和廣度都已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平。

        隨著高新科技的發(fā)展,微納制造技術(shù)、微機(jī)電(MEMS)技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛,為了適應(yīng)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,滿足激光制造領(lǐng)域的需要,激光微細(xì)加工得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。激光加工技術(shù)是涉及光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科的一種綜合技術(shù),作為激光加工技術(shù)的一個(gè)分支,越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。激光微加工以精細(xì)、快速、精準(zhǔn)的特點(diǎn)著稱,通過(guò)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)、計(jì)算機(jī)芯片以及太陽(yáng)能等領(lǐng)域,可用激光進(jìn)行切割、劃線、焊接、鉆孔、打標(biāo)、雕刻、印刷等,且潛力巨大。

        近年來(lái),手機(jī)成為人們不可或缺的產(chǎn)品,企業(yè)之間也存在著各種競(jìng)爭(zhēng),不斷創(chuàng)新成為企業(yè)生存的砝碼。手機(jī)HOME鍵就是企業(yè)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。目前,HOME鍵大多采用藍(lán)寶石材料,原因在于藍(lán)寶石具有高強(qiáng)度、良好的絕緣性、高耐磨性、優(yōu)良的熱導(dǎo)率以及化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。由于手機(jī)HOME鍵要求精度很高,厚度也有一定的限制,因此需要對(duì)其進(jìn)行切割。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法容易產(chǎn)生廢屑、崩邊、裂紋等不良現(xiàn)象,機(jī)械接觸式的刀具磨損也會(huì)不斷增加加工成本,且其效率低下不適合市場(chǎng)需求。

        光纖激光由于具有優(yōu)良的光束質(zhì)量,可將光斑直徑聚焦到10左右,所以非常有利于進(jìn)行激光精細(xì)加工。

        光纖激光器是以摻雜稀土元素的光纖做激光介質(zhì)的一種高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,即由泵浦激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為所摻稀土離子的輻射波長(zhǎng)。光纖激光精密切割的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為光束質(zhì)量好、聚焦光斑小、加工質(zhì)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(xù)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(dá)到熔化、汽化溫度或者燃點(diǎn),與此同時(shí),用于激光束同軸的高速氣流將熔融的物質(zhì)吹出,隨著光束與材料的相對(duì)移動(dòng),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(tǒng)由激光器、光路系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)(包括電控系統(tǒng)和軟件系統(tǒng))、輔助系統(tǒng)五大部分組成。如圖2所示為激光切割系統(tǒng)示意圖,圖中實(shí)線部分為光路和氣路,虛線代表控制線路。

圖2 實(shí)驗(yàn)所用切割系統(tǒng)示意圖

        激光器是激光加工的核心設(shè)備,其作用是將電能轉(zhuǎn)變成光能并發(fā)出所需要的激光光束用于加工。光學(xué)導(dǎo)光系統(tǒng)是激光加工設(shè)備的主要組成部分,其作用是引導(dǎo)激光束至工作表面,對(duì)激光器輸出光束進(jìn)行整形、均勻、擴(kuò)束、聚焦和準(zhǔn)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(shí),瞄準(zhǔn)加工部位,顯微觀察加工過(guò)程及加工零件。機(jī)械平臺(tái)系統(tǒng)主要包括多軸位移的機(jī)床、工作臺(tái)及步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng),保證激光聚焦定位及移動(dòng)精度?刂葡到y(tǒng)應(yīng)能夠調(diào)節(jié)加工速度及加工路徑,并與激光的重復(fù)頻率配合實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量打孔加工。

        激光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)能量的衰減,對(duì)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(duì)所使用波長(zhǎng)的激光有盡可能大的透過(guò)率,一般選擇鍍膜的鏡片來(lái)增大透過(guò)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(tǒng)來(lái)減小激光的光斑尺寸。

        激光傳導(dǎo)過(guò)程中,所有的鏡片都會(huì)由于制造工藝或受外界污染等原因?qū)е络R片壽命縮短。其中鏡片污染會(huì)導(dǎo)致鏡片對(duì)激光吸收率增加,進(jìn)而產(chǎn)生光束傳播時(shí)的功率損耗、聚焦光點(diǎn)位置的偏移及鍍膜層的過(guò)早損壞,因此保持鏡片的清潔非常重要。

        激光切割的質(zhì)量評(píng)價(jià)和影響因素

        對(duì)于激光熱切割加工而言,評(píng)價(jià)其加工質(zhì)量主要包括以下幾個(gè)原則:

        1、切縫光滑、無(wú)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(guān);

        3、切縫垂直度好,熱影響區(qū)。

        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(zhì)量的關(guān)鍵。

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

        下面選取影響激光切割質(zhì)量的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析:

(1)激光功率

        激光能量是激光切割過(guò)程中的主要能量來(lái)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(huì)對(duì)切割產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)切割速度、輔助氣體壓力等其它工藝參數(shù)一定時(shí),切口寬度隨著激光功率的增加呈現(xiàn)一種線性正比關(guān)系。激光功率過(guò)小會(huì)出現(xiàn)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(shí)希望激光功率盡可能大,可以充分發(fā)揮激光器的功率優(yōu)勢(shì),提高效率。

(2)切割速度

        對(duì)給定的材料和激光功率,切割速度一般符合于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(duì)于切割藍(lán)寶石而言,在其他工藝參數(shù)保持不變的情況下,激光切割速度可以有一個(gè)相對(duì)的調(diào)節(jié)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(guò)最佳切割速度后粗糙度緩慢增加。切割速度過(guò)高,則切口刮渣較多或切不透;切割速度過(guò)低,則材料過(guò)燒,切口寬度和熱影響區(qū)較大。要提高切割質(zhì)量,當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時(shí),要優(yōu)化切割速度。

(3)輔助氣體

        輔助氣體除用于從切割區(qū)吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體,對(duì)藍(lán)寶石材料,使用氮?dú)饪梢云鸬揭种魄懈顓^(qū)過(guò)度燃燒的作用。

激光切割對(duì)輔助氣體的基本要求是氣流量要大,以便有充足的氮?dú)馀c切口材料發(fā)生放熱反應(yīng),并有足夠的動(dòng)力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍(lán)寶石時(shí),增加氣體壓力可以提高切割速度,防止切口背面產(chǎn)生刮渣。

        當(dāng)激光功率和切割速度一定時(shí),輔助氣體壓力對(duì)切割質(zhì)量有明顯影響。適當(dāng)增加氣體壓力,由于氣體動(dòng)量增大,除渣能量提高,可使切割速度提升;但壓力過(guò)大,切割面反而變得粗糙。在切割過(guò)程中,氮?dú)庵泻械碾s質(zhì)對(duì)切割質(zhì)量造成不良影響,因此氮?dú)獾募兌纫摺?

        我司采用自己研制的紅外光纖激光切割機(jī)進(jìn)行藍(lán)寶石切割實(shí)驗(yàn),光纖切割機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下表所示:

激光波長(zhǎng)

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(fù)精度

±1μm

藍(lán)寶石材料厚度為0.52mm。使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體,噴嘴直徑為0.8mm。

實(shí)驗(yàn)首先要在軟件中將起刀線的位置設(shè)置好,我們通過(guò)改變角度θ(起刀線與材料邊緣的角度)來(lái)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(duì)切割質(zhì)量的影響。θ依次選取15°、30°、45°、60°、75°和90°進(jìn)行試驗(yàn),起刀線的長(zhǎng)度為0.3mm。起刀線的位置確定好后,再通過(guò)控制變量法,研究功率、脈寬、切割速度以及氣體對(duì)切割質(zhì)量的影響。

圖3 起刀線示意圖

        當(dāng)激光剛照射到藍(lán)寶石材料表面時(shí),將會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)。為了消除切割開始時(shí)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(zhì)量的重要因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)角度為或時(shí),濺射物長(zhǎng)度基本消除。

        起刀線設(shè)置好后,我們保持脈寬、切割速度以及氣壓不變,通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率來(lái)觀察激光切割藍(lán)寶石質(zhì)量的情況。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,能夠切透藍(lán)寶石的臨界功率為17%。因此我們分別進(jìn)行了功率為25%、20%、18%及17%的切割實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示:



圖a 功率為25%時(shí)切割效果圖

圖b 功率為20%時(shí)切割效果圖



圖c 功率為18%時(shí)切割效果圖

圖d 功率為17%時(shí)切割效果圖

        由上圖可知,隨著功率的不斷降低,功率為20%時(shí)切割效果最好。能量過(guò)高時(shí),熱效應(yīng)大使崩邊量變大;能量較小時(shí),有部分熔融物質(zhì)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(lái)觀察對(duì)切割效果的影響。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,切割速度為6mm/s時(shí)藍(lán)寶石就能切透。因此我們分別進(jìn)行了切割速度為6mm/s、8mm/s和10mm/s的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示:



圖e 速度為6mm/s時(shí)切割效果圖

圖f 速度為8mm/s時(shí)切割效果圖

圖g 速度為10mm/s時(shí)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(dāng)達(dá)到了臨界功率后,如果增大速度伴隨著激光功率就會(huì)減小導(dǎo)致切割質(zhì)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(lái)觀察對(duì)切割效果的影響。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,重復(fù)頻率為650Hz時(shí)藍(lán)寶石就能切透。因此我們分別進(jìn)行了重復(fù)頻率為800Hz、1000Hz和1500Hz的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示:



圖h 頻率為800Hz時(shí)切割效果圖

圖i 頻率為1000Hz時(shí)切割效果圖

圖j 頻率為1500Hz時(shí)切割效果圖

        從上圖可知,在臨界頻率的基礎(chǔ)上增大重復(fù)頻率,藍(lán)寶石切割效果先變好后變差。由于脈寬是決定切割質(zhì)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?dú)鈿鈮簛?lái)觀察對(duì)切割效果的影響。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,氮?dú)鈿鈮簽?.5MPa時(shí)藍(lán)寶石就能切透。因此我們分別進(jìn)行了氮?dú)鈿鈮簽?.6MPa、0.8MPa、0.9Ma和1MPa的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示:



圖k 氮?dú)鈿鈮簽?.6MPa時(shí)切割效果圖

圖l 氮?dú)鈿鈮簽?.8MPa時(shí)切割效果



圖m 氮?dú)鈿鈮簽?.9MPa時(shí)切割效果圖

圖n 氮?dú)鈿鈮簽?MPa時(shí)切割效果圖

        由上圖可知,在一定范圍內(nèi),隨著氣體壓力的增加,崩邊量逐漸減少,在1MPa時(shí),基本無(wú)崩邊,并且刮渣量也很少。隨著氣壓的逐漸增大,燃燒劇烈進(jìn)行,使藍(lán)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(jī)切割厚度為0.52mm厚的藍(lán)寶石的最佳工藝參數(shù)為:采用激光功率為4W,重復(fù)頻率為1000Hz,氮?dú)鈿鈮簽?MPa和切割速度為8mm/s對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行切割,得到了較好的宏觀形貌。



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