CN101386112B - 一种基于内雕刻的激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工领域，一种基于内雕刻的激光切割方法。本发明的重要特点是激光透过待切割材料并聚焦在待切割材料内部，从待切割材料的底部一层层“从下往上”，“微爆”出一个切割截面出来，高效率、高品质地切割透明半透明硬脆材料。

Description

一种基于内雕刻的激光切割方法

技术领域  本发明属于激光加工领域，特别是激光切割“透明”硬脆材料领域。

背景技术

对于硬、脆的材料物质的切割加工而言，一般使用激光切割比较有优势，例如速度、成品率、品质等方面都提高很多。但是，如果这种难以使用常规加工手段切割的物质，其本身对于激光而言又是透明的，或者吸收很小时，传统的激光切割也无能为力了，或者切割效率及其低下。例如石英玻璃、蓝宝石等材料，一般采用紫外甚至深紫外激光器进行切割加工，激光焦点在玻璃或者蓝宝石表面一次扫描后切出一道很浅的槽，进行多次扫描后，槽深就会加深，直到切断。这种方式的缺点很明显：玻璃或者蓝宝石厚度不能够太厚(受制于激光焦深)，效率太低，且系统昂贵。虽然如此，在没有找到新的工艺方法之前，这仍是目前主流的加工手段。

发明内容

本发明的目的在于找到一种新的透明硬脆材料激光切割方法，特别是激光破坏阈值很高、材料硬度很高、材料脆性高，因而难以使用普通手段切割的透明材料的激光切割工艺。

本发明的目的是这样实现的：待切割的材料对激光透明或者少量吸收，采用脉冲或者调Q激光器，将激光光束进行扩束、聚焦等光束变换处理。由于聚焦光斑处的激光峰值功率密度超过待切割材料的破坏阈值，或者因激光聚焦导致待切割材料内部激光聚焦焦点处由对激光透明瞬间转化为大幅吸收激光能量，该待切割材料内部激光焦点处会被激光脉冲打出爆炸点，激光聚焦焦点移动一个位置，激光会在新的焦点位置爆出一个爆炸点。确定一个待切割的切割截面，激光焦点在切割截面内与该待切割材料做相对运动，形成一系列的离散爆点甚至形成连续线条。开始切割时，激光焦点置于待切割材料的底部，在切割截面内激光焦点由待切割材料的底部一层一层往上做切割运动(传统切割是一层一层从上往下切割)。激光焦点在切割截面内切完一层后(划出连续线条或者一系列的离散爆点)，待切割材料沿着垂直于切割方向移动微小距离，焦点在切割截面内与该待切割材料再切割新的一层(划出连续线条或者一系列的离散点)，所形成的线条与前面所形成线条平行，都在切割截面内；如此一层层切，激光焦点在材料内部就加工出切割截面，待切割材料可以自己断开或者稍微借助外界冲击，扩展切割截面内预先形成的微裂纹，使待切割材料轻松沿事先确定的切割面断开。其实，由于激光焦点都有一定的长度(焦深)，因此，一般所获得的爆炸点是沿着光传输方向的长点，焦点在材料内部运动切割出一条线(一层)，很多情况下是一个微小的平面，按照本发明方案，这些微小的平面，理论上都处于切割截面内。

为了提高切割效率，可以利用切割材料比较“脆”，容易“定向”形成“裂纹面”的特点，可以只在切割面内切割出部分，然后使用外力冲击或者温度冲击等手段使得材料沿着切割面整齐断开。

本发明，一种基于内雕刻的激光切割方法，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明提出一种新的针对硬、脆透明或者半透明材料的激光切割方法，其主要思想是由激光聚焦在材料内部并“从下往上”一层一层“微爆”出一个切割截面，从而很容易切割目前切割难度大、切割效率低的硬、脆透明或者半透明材料。目前传统的切割这些脆、硬材料的加工方法都是“从上往下”一层一层“剥离”“去除”材料直到把材料切断，效率很低，加工质量也不理想，加工成本高。

2.本发明这种切割方法，适合于切割传统方法难以切割的水晶、石英、蓝宝石、氟化钙、玻璃等材料，既可以切割比较薄的材料，也可以切割比较厚的材料。

3.本发明提出的这种方法，可以在切割面内切割出部分面积，借助外界冲击扩展微裂纹，可使待切割材料沿着希望的切割面裂开，且断面更加光滑平整，切割效率更高。

4.本发明提出的这种方法，切割面可以是平面，可以是曲面，可以是圆柱面或者锥面，这样不仅可以切割，还可以用于透明或者半透明材料的打孔(通孔或者盲孔)。

附图说明

通过以下对本发明，一种基于内雕刻的激光切割方法的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1实施例一是蓝宝石块的切割；

图2实施例二是石英块的切割；

图3实施例二是普通玻璃的切割

具体实施方式

请参见图1所示，这是本发明一种基于内雕刻的激光切割方法的一种实施例，待切割材料为无色透明蓝宝石，对紫外光几乎透明，属于硬脆材料，使用传统方法很难高效切割。采用355nm紫外调Q固体激光器，脉冲重复频率为30KHz时平均功率4瓦，脉冲宽度9ns，单模。其中，1为待切割面，2为高斯紫外光束，聚焦于待切割材料的待切割面内，其聚焦光斑具备一定焦深，其长度是6与7之间的一段。由于激光峰值功率密度超过蓝宝石的破坏阈值，因此，每个激光脉冲都会在蓝宝石内部激光焦点处打出一个爆点。当激光焦点在切割面内水平移动，就形成“切割线”3，其实就是一个微小的“切割面”3，就是6与7之间的面积部分。切完“微切割面”3后，蓝宝石下降一个焦深高度，激光焦点高度位置保持不变，水平方向移动扫描，切割出“微切割面”4；同样可以切割出“微切割面”5，如此循环，可以切割出一个完整的切割面，很快能够将蓝宝石切断。

氟化钙等也是一种难切割的硬脆材料，也可以使用本方法实现高效切割。

请参见图2所示，这是本发明一种基于内雕刻的激光切割方法的另一种实施例，待切割材料为无色透明光学紫外玻璃，对绿激光与紫外激光几乎透明，属于硬脆材料，使用传统方法很难高效切割。采用532nm紫外调Q固体激光器，脉冲重复频率为5KHz时平均功率5瓦，脉冲宽度10ns，单模。其中，1为待切割面，2为高斯绿激光光束，聚焦于待切割材料的待切割面内，其聚焦光斑具备一定焦深，其长度是6与7之间的一段。由于激光峰值功率密度超过光学石英玻璃的破坏阈值，因此，每个激光脉冲都会在蓝宝石内部激光焦点处打出一个爆点。当激光焦点在切割面内水平移动，就形成“切割线”3，其实就是一个微小的“切割面”3，就是6与7之间的面积部分。为了提高切割效率，在“微切割面”3上面再继续切割出若干个“微切割面”后，直接跳过一段距离再切割，切割出“微切割面”8，在“微切割面”8上面再继续切割出若干个“微切割面”后，使用外力冲击或者温度冲击，整个石英光学玻璃将沿着切割面1断开，切断口非常整齐。

请参见图3所示，这是一种基于内雕刻的激光切割方法的又一种实施例，待切割材料为普通玻璃，对绿激光部分吸收，对紫外激光吸收，属于硬脆材料。使用传统方法切割普通玻璃，存在切割边缘崩口，并存在不能够进行打小孔等加工的限制。本实施例采用532nm紫外调Q固体激光器，脉冲重复频率为15KHz时平均功率5瓦，脉冲宽度15ns，单模。普通玻璃对绿激光存在一定吸收，因此，聚焦光斑处玻璃因吸收激光能量而产生爆点，形成微裂纹。其中，左边为俯视图，右边为左视图，9为直径为10cm圆形普通玻璃。需要切割出6cm直径的孔，1为直径为6cm的待切割圆柱面。对于部分吸收激光的透明材料的切割，对激光的脉冲宽度的特性要求就比较宽松，切割起来更容易。

上述实施例只是本发明的几个具体应用。实际上其原理应用不限于上面所述情形，例如还可以在透明材料上加工锥形孔甚至盲孔等。

总之，本发明提出一种基于内雕刻的激光切割方法，其重要特点是激光透过待切割材料并聚焦在待切割材料内部，从待切割材料的底部一层层“从下往上”，  “微爆”出一个切割截面出来，高效率、高品质地切割使用传统切割方法难以切割地透明半透明硬脆材料。

Claims (2)

1.一种基于内雕刻的激光切割方法，其主要特征在于，激光在待切割材料聚焦，激光焦点在待切割材料内部的切割平面内做相对运动，从待切割材料的底部一层层“从下往上”，“微爆”出一个切割截面出来，待切割材料沿着切割截面自行断开或者借助外界冲击而断开，所述外界冲击包括温度冲击或者外力冲击，待切割材料对于激光是透明的，所使用的激光器是调Q固体激光器，其中，所述待切割材料为无色透明蓝宝石，所述调Q固体激光器采用355nm紫外调Q固体激光器，所述固体激光器脉冲重复频率为30KHz时平均功率4瓦，脉冲宽度9ns，单模；切割方式为将激光聚焦于蓝宝石的待切割面内，其聚焦光斑具备一定焦深，当激光峰值功率密度超过蓝宝石的破坏阈值时，每个激光脉冲都会在蓝宝石内部激光焦点处打出一个爆点，当激光焦点在切割面内水平移动，就形成“微切割面”(3)，切完“微切割面”(3)后，蓝宝石下降一个焦深高度，激光焦点高度位置保持不变，水平方向移动扫描，切割出另一“微切割面”(4)，同样可以切割出又一“微切割面”(5)，如此循环，可以切割出一个完整的切割面，很快能够将蓝宝石切断。

2.一种基于内雕刻的激光切割方法，其主要特征在于，激光在待切割材料聚焦，激光焦点在待切割材料内部的切割平面内做相对运动，从待切割材料的底部一层层“从下往上”，“微爆”出一个切割截面出来，待切割材料沿着切割截面自行断开或者借助外界冲击而断开，所述外界冲击包括温度冲击或者外力冲击，待切割材料对于激光是透明的，所使用的激光器是调Q固体激光器，其中，所述待切割材料为无色透明光学紫外玻璃，所述调Q固体激光器采用532nm调Q固体激光器，所述固体激光器脉冲重复频率为5KHz时平均功率5瓦，脉冲宽度10ns，单模；切割方式为将激光聚焦于待切割材料的待切割面内，其聚焦光斑具备一定焦深，当激光峰值功率密度超过光学紫外玻璃的破坏阈值时，每个激光脉冲都会在光学紫外玻璃内部激光焦点处打出一个爆点，当激光焦点在切割面内水平移动，就形成“微切割面”(3)，为了提高切割效率， 在“微切割面”(3)上面再继续切割出若干个“微切割面”后，直接跳过一段距离再切割，切割出另一“微切割面”(8)，在另一“微切割面”(8)上面再继续切割出若干个“微切割面”后，使用外力冲击或者温度冲击，整个光学紫外玻璃将沿着切割面(1)断开。 

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