CN104646835B - 一种柔性薄膜磁体的激光切割方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜磁体的激光切割方法及系统，激光切割方法包括以下步骤：1)调节脉冲激光器，使出射的激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值；2)将激光束聚焦于待切割的柔性薄膜磁体的表面，使用所述激光束进行切割，且沿激光束切割路径配合吹氮气使所述柔性薄膜磁体表面冷却且排出切割碎屑，从而在所述柔性薄膜磁体上切割出切槽。本发明的柔性薄膜磁体的激光切割方法及系统，切割过程热效应小，可尽量避免薄膜磁体的质量受到影响，且整体切割效果较好。

Description

一种柔性薄膜磁体的激光切割方法及系统

【技术领域】

本发明涉及柔性薄膜磁体的切割方法，特别是涉及一种柔性薄膜磁体的激光切割方法及系统。

【背景技术】

柔性薄膜磁体是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物，也可以理解为一种具有铁磁性的金属氧化物。就电特性来说，柔性薄膜磁体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多，而且还有较高的介电性能，同时，柔性薄膜磁体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率等特性，广泛的应用于电磁抗干扰领域，如近场通讯(NFC)天线中。21世纪抗电磁干扰产品和电磁兼容产品发展的方向是各类磁芯向高磁导率、高频化、高速、小型化和片式高组装密度化发展。柔性薄膜磁体电磁干扰抑制元件有着各种各样的规格、尺寸、形状和特性，所以对其加工技术的要求也越来越高。但是，由于柔性薄膜磁体的力学物理特性，表现为硬度高、较脆易碎等，这些特性给铁氧体的切割带来巨大的挑战。

目前，对柔性薄膜磁体的切割方法主要有平板金属刀具模切、五金模金冲切和电火花线切割三种切割方法。其中，前两种最为常用，且效率比电火花线切割效率高。然而，平板金属刀具模切方法中，平板刀价格便宜，但是寿命短，刀具刃口老钝损坏不可修复，不能加工异形产品，且产品切割边缘不平整有颗粒状物体析出。五金磨具冲切中，效率较高，但是模具昂贵，使用寿命短，模切后产品切割边缘不平整，有颗粒状杂质析出，以上两种传统工艺已较难适应技术发展对于柔性薄膜磁体切割的要求。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种柔性薄膜磁体的激光切割方法及系统，切割过程热效应小，可尽量避免薄膜磁体的质量受到影响，且整体切割效果较好。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种柔性薄膜磁体的激光切割方法，包括以下步骤：1)调节脉冲激光器，使出射的激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值；2)将激光束聚焦于待切割的柔性薄膜磁体的表面，使用所述激光束进行切割，且沿激光束切割路径配合吹氮气使所述柔性薄膜磁体表面冷却且排出切割碎屑，从而在所述柔性薄膜磁体上切割出切槽。

一种柔性薄膜磁体的激光切割系统，包括脉冲激光器，扩束准直镜，聚焦模块、辅助吹气模块和工作台；所述脉冲激光器发出激光束，所述激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值；待切割的柔性薄膜磁体置于所述工作台上；所述激光束经所述扩束准直镜和聚焦模块后聚焦于所述柔性薄膜磁体的表面，所述辅助吹气模块用于沿激光束切割路径吹氮气，使所述柔性薄膜磁体表面冷却且排出切割碎屑。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的激光切割方法及系统，使用脉冲激光束切割柔性薄膜磁体，激光束中各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，采用该超短脉宽激光，则超短脉冲激光光子的作用时间小于薄膜磁体材料中电子/晶格振动传递时间，可以在脉冲结束之前使得材料结构发生不可恢复的破坏，实现材料的去除，且材料中电子/晶格来不及振动传递，使得激光与材料的作用机理以冷加工去除为主，从而大大的减少热作用带来的热影响区，尽量避免热作用对薄膜磁体的影响，确保薄膜磁体的质量在切割过程中不受影响。本发明的激光切割方法，通过激光切割，仅需激光束聚焦以及冷却气体吹气的步骤，不需要事先加工裂纹引导线，相对于传统机械切割加工，切割工序较简单，不施加任何机械外力，切割后没有颗粒等杂质析出，切割边缘非常光滑，整个切割效果也较好。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式一的激光切割系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一的激光切割柔性薄膜磁体的示意图；

图3是本发明具体实施方式一的优选方式中激光脉冲宽度在分割前后的对比示意图；

图4是本发明具体实施方式一的分割后激光脉冲的另一种情形示意图；

图5是本发明具体实施方式一的分割后激光脉冲的再一种情形示意图；

图6是本发明具体实施方式二的激光切割系统的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一

本发明的构思是：不再采用传统机械加工工艺对柔性薄膜磁体进行切割加工，而采用激光进行切割。在使用激光进行切割加工时，激光切割过程中产生的热效应是切割薄膜磁体的较大障碍。这是因为：激光切割柔性薄膜磁体材料时，加工热效应会影响材料的磁性能产生消磁现象，边缘有熔融及颗粒物析出，材料会受热出现变色和产生卷曲等现象，这些均会对材料的使用造成不良影响甚至无法使用。一旦出现这些现象，实现切割加工也失去了意义。这也是将激光切割引入柔性薄膜磁体切割过程中较为困难的一个地方。本发明，从激光脉宽角度出发对激光切割过程进行改进，提出采用超短脉宽进行切割，使激光脉冲作用时间小于薄膜磁体材料中电子/晶格振动传递时间，从而形成一种冷加工效果，尽量避免热效应的影响。

本具体实施方式中一种柔性薄膜磁体的激光切割方法，包括以下步骤：

1)调节脉冲激光器，使出射的激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值。

该步骤中，激光束功率密度大于材料的破坏阈值从而确保材料被有效切割。控制调节各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，该超短脉冲的作用时间小于薄膜磁体材料中电子/晶格振动传递时间，从而使得激光与材料的作用机理以冷加工去除为主，可有效避免热作用对薄膜磁体的影响，确保薄膜磁体的质量在切割过程中不受影响。此处，可直接使用皮秒激光器进行调节获得2ps～100ps的脉冲宽度。

优选地，激光束的平均功率为25～100W。当激光束的平均功率在该范围内时，既能满足聚焦后激光束的功率密度大于柔性薄膜磁体材料的破坏阈值，使得激光束在短时间内在材料的表面烧蚀出一条切槽。同时，激光束的平均功率也不至于过高，可有效避免薄膜磁体材料的组分发生缩胶现象。

2)将激光束聚焦于待切割的柔性薄膜磁体的表面，使用所述激光束进行切割，且沿激光束切割路径配合吹氮气使所述柔性薄膜磁体表面冷却且排出切割碎屑，从而在所述柔性薄膜磁体上切割出切槽。

该步骤中，通过辅助吹氮气，一方面对切割过程中的柔性薄膜磁体起到一定的冷却作用，防止热传递导致薄膜磁体质量变劣，另一方面，吹气去除碎屑，可使激光切割扫描速度尽可能设置得较快，提高切割效率。而吹气的气流方向沿激光切割路径，方便快速排除碎屑。

如图1所示，为本具体实施方式的激光切割系统的结构示意图。激光切割系统包括脉冲激光器1，扩束准直镜2，45°反射镜3，聚焦镜4，辅助吹气模块(图中未示出)和工作台9。

脉冲激光器1发出激光束，激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值。待切割的柔性薄膜磁体6置于工作台9上，激光束经扩束准直镜2，45°反射镜3和聚焦镜4后聚焦于柔性薄膜磁体6的表面，辅助吹气模块用于沿激光束切割路径吹氮气，使柔性薄膜磁体6表面冷却且排出切割碎屑。需说明的是，激光器一般水平方向放置，工作台以及其上的待切割的柔性薄膜磁体6也均是水平放置，因此设置45°反射镜3调整激光束转向90°后垂直入射到柔性薄膜磁体上。而有些情形下，柔性薄膜磁体6不是水平方式放置，而是倾斜放置，此时相应调整45°反射镜3的角度即可。

通过上述系统，可在柔性薄膜磁体6的表面形成切槽。切割示意图如图2所示，切割时，保持激光器以及光学组件固定不动，移动工作台沿着X/Y/Z方向进给运动，使激光束与待切割的柔性薄膜磁体之间产生相对运动，切割形成一定宽度的切槽10，从而将柔性薄膜磁体6切割开。

通过上述切割方法和系统，实现了激光切割，更具体地是激光的冷作用加工切割，可大大的减少热作用带来的热影响区，尽量避免热作用对薄膜磁体的影响，确保薄膜磁体的质量在切割过程中不受影响。上述激光切割方法，相对于传统机械切割加工，切割工序较简单，不施加任何机械外力，切割后没有颗粒等杂质析出，切割边缘非常光滑，整个切割效果也较好。

优选地，步骤1)中还包括调制步骤：采用脉冲分割法将激光束中的各个激光脉冲均分割成2～10个子脉冲。如图3所示，为分割前后的脉冲宽度对比示意图。步骤1)中将脉冲宽度为t(t为2ps～100ps)的激光脉冲进行分割调制，分割成2～10个子脉冲。分割后，各子脉冲的脉冲能量虽然相对分割前的原始脉冲能量有下降，但各子脉冲的脉冲宽度时间也相对大幅下降，这样各子脉冲的峰值功率(为脉冲能量除以脉冲宽度时间)将大幅提升。一方面，分割后子脉冲的脉宽时间进一步缩短，即切割时，激光与物质相互作用时会在更短时间内将能量注入材料，热效应将更小，切割边缘更加整齐。另一方面，分割后子脉冲的峰值功率更高，峰值功率的增加会产生激光非线性效应，在切割材料时产生深孔效应，可以切割的更深，材料移除率更高，切割效率大大增加。综上，分割处理后，不论从切割效率还是切割效果都会有大幅提升。

需说明的是，虽然图3所示分割成子脉冲后，脉冲个数增多，看似是在增加脉冲重复频率(即单位时间内脉冲个数)，但上述分割调制步骤不论从原理及加工效果上却不同于单纯的提高各脉冲的重复频率。这是因为，激光器中，调制激光脉冲时，随着激光脉冲重复频率的增加，激光平均输出功率会降低，激光平均峰值功率也会随之降低。当到重复频率提高到20倍时，脉冲串的平均功率将降低到极低数值，已无法实现加工。而上述分割方式，则是将单个脉冲分割成多个子脉冲，缩短了脉冲的脉宽时间，且提升了脉冲的峰值功率，从而达到降低热效应且更高效分割切除的效果。

图3所示，分割后子脉冲的包络线为分割前的激光脉冲形状。需说明的是，包络线也可以是矩形形状或者其它任意形状，如图4和5所示。分割时，各子脉冲的能量及时间可单独设定，每个子脉冲的能量综合为原始脉冲的能量值，具体分割成何种包络线可依据材料加工要求选择一种较优选的方式。

具体实施方式二

本具体实施方式与实施方式一的不同之处在于：系统组成上通过振镜和场镜实现。

如图6所示，本具体实施方式中激光切割系统包括脉冲激光器1，扩束准直镜2，振镜11，场镜4、辅助吹气模块(图中未示出)和工作台9。脉冲激光器1仍然发出激光束，激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值。待切割的柔性薄膜磁体6置于工作台9上，激光束经扩束准直镜2，振镜11和场镜4后聚焦于柔性薄膜磁体6的表面，辅助吹气模块用于沿激光束切割路径吹氮气，使柔性薄膜磁体6表面冷却且排出切割碎屑。

上述切割系统实现的激光切割方法同具体实施方式一相同，同样可实现激光切割，且切割时热效应较小。不同的是，本具体实施方式实现切割时，激光器、扩束准直镜以及工作台可保持不同，通过振镜和场镜的配合使激光光束产生位移移动，从而使激光束与待切割的柔性薄膜磁体之间产生相对运动，激光束按照一定扫描路径移动后，切割开柔性薄膜磁体。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种柔性薄膜磁体的激光切割方法，其特征在于：包括以下步骤：1)调节脉冲激光器，使出射的激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值；调制步骤：采用脉冲分割法将激光束中的各个激光脉冲均分割成2～10个子脉冲；2)将激光束聚焦于待切割的柔性薄膜磁体的表面，使用所述激光束进行切割，且沿激光束切割路径配合吹氮气使所述柔性薄膜磁体表面冷却且排出切割碎屑，从而在所述柔性薄膜磁体上切割出切槽。

2.根据权利要求1所述的柔性薄膜磁体的激光切割方法，其特征在于：所述2～10个子脉冲的包络线形状为矩形形状或者分割前的激光脉冲形状。

3.根据权利要求1所述的柔性薄膜磁体的激光切割方法，其特征在于：所述步骤1)中激光束的平均功率为25～100W。

4.根据权利要求1所述的柔性薄膜磁体的激光切割方法，其特征在于：所述步骤1)中脉冲激光器为皮秒激光器。

5.一种柔性薄膜磁体的激光切割系统，其特征在于：包括脉冲激光器，扩束准直镜，聚焦模块、辅助吹气模块和工作台；所述脉冲激光器发出激光束，所述激光束中的各个激光脉冲的脉冲宽度为2ps～100ps，所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于待切割的柔性薄膜磁体的破坏阈值；所述激光切割系统还包括调制模块，所述调制模块用于采用脉冲分割法将所述脉冲激光器出射的激光束中的各个激光脉冲均分割成2～10个子脉冲；待切割的柔性薄膜磁体置于所述工作台上；所述激光束经所述扩束准直镜和聚焦模块后聚焦于所述柔性薄膜磁体的表面，所述辅助吹气模块用于沿激光束切割路径吹氮气，使所述柔性薄膜磁体表面冷却且排出切割碎屑。

6.根据权利要求5所述的柔性薄膜磁体的激光切割系统，其特征在于：所述激光切割系统还包括45°反射镜，所述45°反射镜设置在所述扩束准直镜的出射端，用于将所述扩束准直镜出射的激光束转换90°方向后入射到所述聚焦模块中。

7.根据权利要求5所述的柔性薄膜磁体的激光切割系统，其特征在于：所述激光切割系统还包括振镜，所述聚焦模块为场镜；所述扩束准直镜出射的激光束沿水平方向入射到所述振镜中，经所述振镜转换90°方向后垂直入射到所述场镜中。

8.根据权利要求5所述的柔性薄膜磁体的激光切割系统，其特征在于：所述激光束的平均功率为25～100W。