CN101077551A - 一种硬脆性非金属材料的激光切割方法 - Google Patents
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Abstract
一种硬脆性非金属材料的激光无损伤切割方法属于激光材料加工领域。传统加工方法对硬脆性材料的无损伤切割难度极大。该方法特征在于：将聚焦激光束在0.05～0.5s的时间内在材料上打一个透孔，确定激光峰值功率为700～4000W；采用4％～50％的占空比，在700～4000W峰值功率下，配合压力为1～5×105Pa的辅助气体，以100～500mm/min的光束或工件移动速度，0.05～0.2mm的打孔间距，沿加工路径打出一系列孔径为0.05～065mm的透孔，透孔边界彼此衔接或叠加，以此相连完成材料的切断。该方法可有效减少加工区域的局部热效应，完成硬脆性非金属材料多种加工面及多种形状单元的无损伤切割。
Description
技术领域
本发明属于激光材料加工领域，特别属于硬脆性非金属材料的激光无损伤切割技术领域。
背景技术
硬脆性非金属材料是指包括单晶、陶瓷、玻璃等在内的大多以共价键、离子键或两者混合化学键而结合的物质，具有高硬度和高脆性的本征特性。常温下该类材料对剪切应力的变形阻力很大，增加了材料无损伤切割的难度和成本，严重阻碍了材料性能的进一步发挥和推广应用。
硬脆性非金属材料的传统切割方法有研磨法、刻蚀法、电加工法、微波加工法和新近发展起来的激光切割法。其中，相比较其它几种切割方法，激光切割法已体现出一定的优势，在晶片和陶瓷生片的切割中已有多项专利公开，如中国专利公开号CN1788916A，中国专利公开号CN1853840A，中国专利公开号CN1817603A，中国专利公开号CN1132715C，中国专利公开号CN1355669A，中国专利公开号CN1779914A和日本专利公开号No.3408805等。但现有公开技术所适应材料的种类及切割类型有限，出现裂纹的切割损伤几率大，切割设备和工艺流程复杂，如何高效率地实现硬脆性非金属材料的无损伤切割仍是已有加工方法所面临的共同问题。
工艺上，激光切割硬脆性非金属材料的主要方法有：多次走刀(multiple-pass)切割法，双光束(dual-laser)切割法和激光复合切割方法。文献《Laser cutting of thick ceramic tile》(Optics & Laser Techniology，Vol.29，1997)、《CO2调Q脉冲激光切割陶瓷材料的试验研究》(应用激光，1998)及《A study of laser cutting engineering ceramics》(Optics & Laser Techniology，Vol.31，1999)等提出的多次走刀切割法，首先以低功率激光多次扫描同一加工路径，以不断推进加工深度，至一定厚度后，转而以高功率激光多次走刀完成切割。该方法在提出之际就已被明确指出这是一种牺牲加工时间和效率的切割方法，实际应用中更会因每次扫描所产生的熔渣及热作用累积效应，影响下一道照射扫描的效果。文献《Dual laser beam modification of highalumima ceramics》(Journal of Laser Applications，Vol.15.2003)、《Laser cuttingof thick ceramic substrates by controlled fracture technique》(Journal of MaterialsProcessing Technology，Vol.136，2003)及《Controlled-fracture ofprescoredalumina ceramics using simultaneous CO2 laser》(Journal of Laser Applications，Vol.18.2006)提出的双光束切割，先以一聚焦光束对材料进行划片行为，再跟随以另一未聚焦光束，对划片路径施以热应力作用，引导裂纹扩展以达到切割目的。引导裂纹扩展的可控制性较差，双光束追踪易产生热效应的叠加与累积，因此，该方法实现无损伤切割几率较低，尤其在曲线和角切割中很难达到无裂纹的效果。激光复合切割技术是现有激光切割技术与一些传统切割技术的叠加与综合，从工艺上说，没有创新之处，工艺流程及设备体系也较复杂，大多针对某一特定加工对象进行复合设计，难以得到推广及应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种无需附加机械外力，高效率实现硬脆性非金属材料无损伤切割的激光加工方法，该方法可应用于多种硬脆性非金属材料，工艺重复性高，可实现包括平面和曲面等多种加工面的无损伤切割，实现包括直线、圆及异型线径等单元的无损伤切割。
为达到所述目的，首先采用激光在材料上打出一个通孔，以确定最高峰值功率；在保持一定峰值功率的前提下引入占空比，以此达到既能保证通孔密排切割所需的高峰值功率，同时又能以较低的激光平均输出功率减少激光照射区域的热积累效应；然后配合较快的打孔速度，沿加工路径打出一系列孔边界相衔接或相叠加的通孔，通孔孔径为0.05～0.65mm，孔隙间距为0.05～0.2mm，此种通孔密排的切割方式可进一步削弱由于激光束在同一加工处停留引起的热积累问题；同时配合选择合适的辅助气氛及气压，达到迅速吹去切口熔渣或反应生成薄且致密隔离层的目的，实现材料与母材的无损伤切断。在完成沿切割路径通孔密排切割程序后，若切口出现熔渣粘滞，可针对不同材料采用平均功率为500～2000W的激光束以连续输出方式，沿已切割路径进行快速扫描照射，使所需切除部分无损伤地脱离切割件母材。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
将聚焦后的激光束以0.05～0.5s的打孔时间在材料上打一个通孔，以打通孔的功率值确定出切割峰值功率为500～4000W；
保持500～4000W峰值功率不变，采用4～50％的占空比，按平均输出功率＝峰值功率×占空比的关系，获得20～2000W激光平均输出功率，以此减少切割过程中因激光连续输出引起加工点严重的热积累效应，进而削弱因热积累造成的热应力集中，抑制裂纹产生。
激光束或工件以100～500mm/min的移动速度，沿加工路径进行激光打通孔密排切割；所述激光打通孔密排切割是指在上述的激光功率、占空比和光束或工件移动速度的工艺条件下，以0.05～0.2mm的打孔间距，沿加工路径打出一系列孔径为0.05～0.65mm的通孔，通孔边界彼此相接或相叠加，以此进行通孔密排切割，完成材料的切断；
切割过程中选用压力为1×105～5×105Pa的辅助气体，辅助气体的使用可以冷却材料及吹除熔渣；可与加工件发生放热反应，产生热量辅助激光切割；可迅速在切割面形成薄且致密反应层，阻止熔渣产生，便于切割件无损伤脱离母材。按照所切割材料的性质及辅助气体所发挥作用的不同，辅助气体可采用N2、O2、惰性气体及压缩空气之一。
完成沿切割路径通孔密排切割程序后，当切口出现熔渣粘滞时，可采用平均功率为500～2000W的激光束以连续输出方式，沿已切割路径以1000～2000mm/min的速度进行快速扫描照射，切割件无损伤脱离母材。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明适用范围广，可进行包括平面、曲面等多种加工面的无损伤切割，可进行起始于加工面任一点的直线、曲线、直角、锐角、钝角及圆等多种路径的无损伤切割，可实现硬脆性非金属材料的三维无损伤切割。
2.加工时间短，通孔打孔时间为0.05～0.5s，切割时激光束及工件的移动速度可达500mm/min。
3.激光切割工艺参数可实行数字化控制，切割件的完成无需附加机械外力作用，切割辅助气体更换方便，简化工艺流程和装备。
4.本发明的工艺方法适合于包括单晶、陶瓷、玻璃、水泥等广义范畴的硬脆性非金属材料。
具体实施方式
将聚焦后的激光束以0.05～0.5s的打孔时间在材料上打一个能通过激光的通孔，以确定切割用峰值功率；然后引入占空比4％～50％，在保持700～4000W峰值功率不变的前提下降低激光平均功率，激光束或工件以100～500mm/min的移动速度，按0.05～0.2mm的打孔间距，沿加工路径进行激光打通孔密排切割，通孔的孔径为0.05～0.65mm。完成沿切割路径通孔密排打孔程序后，如切口出现熔渣粘滞，可采用平均功率为500～2000W的激光束以连续输出方式，沿已切割路径进行快速照射扫描，以使切割件无损伤脱离母材。切割过程选用压力为1×105～5×105Pa的N2、O2、惰性气体及压缩空气等高速气流作为辅助气体，起到冷却材料、吹除熔渣及快速反应形成薄而致密隔离层的作用。
实施例1
将聚焦后的激光束以0.1s的打孔时间在单晶硅片上打一个能通过激光的通孔，确定切割峰值功率为1750W；引入4％的占空比，在1750W峰值功率不变的前提下，激光束或工件以100mm/min的移动速度，按0.65mm的打孔间距，沿圆形加工路径进行激光打通孔密排切割，通孔孔径为0.05mm；完成沿切割路径通孔密排打孔程序后，切割件即可无损伤脱离母材，不需采用激光进行照射速扫，切割过程选用压力为1×105Pa的压缩空气作为辅助气体，所加工单晶硅片的切割面及硅片表面均干净无熔渣，无毛刺，无裂纹。
实施例2
将聚焦后的激光束以0.05s的打孔时间在氧化铝板上打一个能通过激光的通孔，确定切割峰值功率为700W；引入10％的占空比，在700W峰值功率不变的前提下，激光束或工件以200mm/min的移动速度，按0.1mm的打孔间距，沿直线、曲线、圆形等加工路径进行激光打通孔密排切割，通孔孔径为0.3mm，通孔密排完成后，切缝边缘略有熔渣，采用平均功率为800W的激光束以连续输出方式，沿已切割路径以1000mm/min的速度进行快速扫描照射，切割件无损伤脱离母材，切割过程选用压力为2×105Pa的N2作为辅助气体；在氧化铝板上实现了包括直线、曲线、直角、锐角等的无裂纹切割。
实施例3
将聚焦后的激光束以0.1s的打孔时间在熔融石英上打一个能通过激光的通孔，确定切割峰值功率为2000W；引入20％的占空比，在2000W峰值功率不变的前提下，以500mm/min的切割速度，按0.2mm的打孔间距，沿直线、曲线等加工路径进行激光打通孔密排切割，通孔孔径为0.65mm；通孔密排完成后，切割件与母材略有粘连，采用平均功率为2000W的激光束以连续输出方式，沿已切割路径以2000mm/min的速度进行快速扫描照射，切割件无损伤脱离母材；切割过程选用压力为5×105Pa的Ar作为辅助气体；在厚度为8mm的熔融石英上实现了割缝边缘垂直度好的直角、曲线、锐角等无损伤切割。
实施例4
将聚焦后的激光束以0.5s的打孔时间在筒状氮化硅的侧壁上打一个能通过激光的通孔，确定切割峰值功率为4000W；引入50％的占空比，在4000W峰值功率不变的前提下，以140mm/min的切割速度，按0.05mm的打孔间距，沿曲线加工路径进行激光打通孔密排切割，通孔孔径为0.1mm；通孔密排完成后，切割件与母材略有粘连，采用平均功率为500W的激光束以连续输出方式，沿已切割路径以1200mm/min的速度进行快速扫描照射，切割件无损伤脱离母材；切割过程选用压力为4×105Pa的O2作为辅助气体，O2在切割过程中可与Si发生反应，迅速生成一层薄而致密的SiO2，阻止熔渣产生，有利于非平面切割件无损伤脱离母材。
Claims (2)
1、一种硬脆性非金属材料的激光切割方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)、将聚焦后的激光束以0.05～0.5s的打孔时间在材料上打一通孔，以打通孔的功率值确定出切割峰值功率为500～4000W；
(2)、保持500～4000W峰值功率不变，采用4～50％的占空比，获得20～2000W的激光平均输出功率；
(3)、激光束按上述功率条件，以100～500mm/min的切割速度，0.05～0.2mm的打孔间距，沿加工路径打出一系列孔径为0.05～0.65mm的通孔，通孔边界彼此相接或相叠加，以此进行通孔密排切割，完成材料的切断；
在整个切割过程中，采用压力为1×105～5×105Pa辅助气体，辅助气体为N2、O2、惰性气体及压缩空气之一。
2、根据权利要求1所述的硬脆性非金属材料的激光切割方法，其特征在于，完成沿切割路径通孔密排切割程序后，当切口出现熔渣粘滞时，采用平均功率为500～2000W的激光束以连续输出方式，沿已切割路径以1000～2000mm/min的速度进行快速扫描照射，切割件无损伤脱离母材。
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