CN107962305A - 一种高折射率、低硬度透明材料激光切割装置及切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高折射率、低硬度的透明材料激光切割装置及切割方法，包括顺次设置的激光器、扩束装置、准直装置、反射镜、切割头和运动平台，还包括工控单元，激光器具有单脉冲或脉冲数可调的脉冲组输出。其可将脉冲激光光束定位在透明工件内各局部位置发生激光与透明材料的相互作用，从而在透明工件表面和内部产生微小、均匀、上下贯穿的材料改性，根据工件的力学特性设置激光参数和加工路径，合理控制改性点的尺寸、位置和强度，搭配裂片操作即可完成对高折射率、低硬度的透明材料的切割。装置结构简单、易于操作，方法切割效率高、无碎渣迸溅，解决了透明材料的高效高质量切割问题，适用于折射率高、硬度小、脆性高的透明材料切割。

Description

一种高折射率、低硬度透明材料激光切割装置及切割方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及一种激光切割装置及切割方法，具体地说涉及一种用于加工高折射率、低硬度透明材料的激光切割装置及切割方法。

背景技术

激光加工是一种把激光的高方向性、高输出功率和高亮度的特性应用到材料的加工领域的工艺，它利用聚焦等方法把光能集中在一定的范围内，从而产生几千摄氏度到几万摄氏度以上的高温，一些高熔点的金属和非金属材料都会迅速熔化或气化，从而对工件进行钻孔、切割、焊接、激光打标和热处理等操作，具有非接触加工的特性，且适合各种材料的微细加工。激光加工由于强度高、方向性好、颜色纯正，可以通过一系列的光学系统把激光束聚焦为直径仅有几微米至几十微米的光斑，具有高能量密度和加工温度，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使各种物质熔化和气化，以达到去除被加工位置的作用，已广泛应用于电子工业、服装行业、机械制造等领域。

一切吸收激光的材料均可进行激光加工，加工效果主要取决于物质对光的吸收程度，工作物质对激光的吸收率越高，则激光加工此种物质的效率也越高，否则加工效率较低，对于高折射率材料采用传统激光加工方式会存在加工质量差的问题，几乎无法满足加工需求，目前可采用激光成丝加工方法对部分透明材料进行加工，原理是超快激光脉冲在透明介质中传输时，由于自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用而达到的一种动态平衡，使得超快激光脉冲形成很长的、较为稳定的激光通道。但是成丝方法只适用于低折射率的普通透明材料，针对高折射率、低硬度的透明材料采用成丝原理无法加工。因此，开发一种适用于加工高折射率、高脆性透明材料的激光加工装置与方法势在必行。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于对于高折射率材料采用传统激光加工方式会存在加工质量差的问题，几乎无法满足加工需求，从而提出一种加工效率高、无碎片飞溅、不易损伤工件、成本低廉的透明材料激光切割装置及切割方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种高折射率、低硬度透明材料激光切割装置，其包括顺次设置的激光器、扩束装置、准直装置、反射镜、切割头和运动平台，还包括用于控制所述激光器、切割头和运动平台的工控单元，所述激光器具有单脉冲或脉冲数可调的脉冲组输出。

作为优选，所述激光器的脉宽不大于1ns。

作为优选，所述切割头底部设置有移动平台，所述切割头将激光光束聚焦于所述移动平台上的加工工件，所述移动平台带动加工工件运动。

作为优选，所述扩束装置为扩束镜，用于对激光器产生的激光光束进行扩束处理；所述准直装置为准直器，用于修正激光束；所述切割头用于聚焦激光光束。

本发明还提供一种利用所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割装置进行激光切割的方法，其包括如下步骤：

S1、将待加工透明工件固定于移动平台表面，并用工控单元设置激光加工路径；

S2、开启激光器，将激光焦点聚焦于透明工件内部；

S3、控制运动平台按照所述激光加工路径进行移动，使激光光束按照激光加工路径在工件内部形成改性区域；

S4、对激光加工后的工件进行裂片处理。

作为优选，所述加工路径为至少两条平行线或至少两个同心圆。

作为优选，相邻两条平行线或相邻两个同心圆的间距不大于10μm。

作为优选，平行线加工路径由沿所述透明工件的长度或宽度方向延伸的一组平行线组成；同心圆加工路径由沿所述透明工件的长度或宽度方向排布的一列同心圆组成。

作为优选，所述裂片处理为红外激光加热、化学腐蚀、超声波裂片或机械裂片。

作为优选，所述待加工工件通过真空吸附固定于所述移动平台表面。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割装置，其包括顺次设置的激光器、扩束装置、准直装置、反射镜、切割头和运动平台，还包括用于控制所述激光器、切割头和运动平台的工控单元，所述激光器具有单脉冲或脉冲数可调的脉冲组输出。所述激光切割装置可将脉冲激光光束定位在透明工件内部，在透明工件内的各个局部位置发生激光与透明材料的相互作用，从而在透明工件表面和内部产生微小、均匀、上下贯穿的材料改性，可根据透明工件的力学特性设置激光参数和加工路径，从而合理控制改性点的尺寸、位置和强度，搭配后续的裂片操作即可完成对透明材料的切割。该装置结构简单、易于操作，解决了高折射率、低硬度的透明材料的高效切割问题，尤其适用于硬度小、脆度高的透明材料切割。

(2)本发明所述的利用所述高折射率、低硬度透明材料激光切割装置进行激光切割的方法，首先设置激光加工路径，然后将激光焦点聚焦在透明工件内部，并控制运动平台按照加工路径运动从而使聚光光束在透明工件内进行加工，形成改性区域，并且采用同心圆或平行线的方式进行加工，原理在于单线条加工无法使材料产生裂纹，双线条或多线条加工则可以产生裂纹，最后进行裂片处理，即完成对透明工件的切割加工。这种加工方式可在透明工件内部发生激光与透明材料的相互作用，进而在材料表面和内部产生材料改性变化，该方法切割效率高，不会产生碎渣迸溅，且由于预先用激光对加工路径进行了预处理，在后续裂片处理过程中不会损伤工件，尤其适用于高折射率、高脆性透明材料的加工。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例所述的透明材料激光切割装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述的透明材料激光切割方法的流程图；

图3是本发明实施例1所述的透明材料切割方法的加工路径示意图；

图4是本发明实施例2所述的透明材料切割方法的加工路径示意图。

图中附图标记表示为：1-激光器；2-扩束装置；3-准直装置；4-反射镜；5-切割头；6-透明工件；7-运动平台；8-工控单元。

本发明可以以多种不同的形式实施，不应该理解为限于在此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开是彻底和完整的，并将本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大各装置的尺寸和相对尺寸。此外，术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种透明材料激光切割装置，用于对透明材料尤其是硬度小、脆度高的透明材料进行切割处理。所述切割装置如图1所示，包括沿激光光路顺次设置的激光器1、扩束装置2、准直装置3、反射镜4和切割头5，其中激光器1为脉宽小于1ns的脉冲激光器，其可产生处于红外、可见光和紫外波段的激光光束，所述脉冲激光器具有单脉冲或子脉冲数可调的脉冲组输出。所述扩束装置2为扩束镜，用于对激光器1产生的脉冲激光进行扩束处理；所述准直装置3为激光准直器，用于修正激光束，使提高激光束的准直度；所述反射镜4用于将经准直装置3调节的激光束的方向进行偏转，使激光束进入位于反射镜4后方的切割头5内，本实施例中，反射镜4将水平方向的激光束更改为竖直方向，所述切割头5用于聚焦激光光束，对工件进行激光加工。

另外，所述切割装置还包括用于承载和移动待加工透明工件6的移动平台7，所述移动平台7可沿X-Y方向移动，还包括用于控制激光器1、切割头5和移动平台7的工控单元8，所述工控单元8为计算机。

本实施例还提供一种利用所述切割装置对高折射率、低硬度的透明材料进行切割的方法，尤其是硬度小、脆度高的透明材料进行切割处理，其如图2所示，包括如下步骤：

S1、将待加工透明工件6通过真空吸附的方式固定于移动平台7表面，并用工控单元8设置激光加工路径，本实施例中，所述激光加工路径为至少两条平行线，相邻两条所述平行线的间距不大于10μm，如图3所示，所述平行线可以沿透明工件6的长度方向或宽度方向延伸，可为若干条；

S2、开启激光器1，通过工控单元8设定将激光焦点聚焦于透明工件6内部；

S3、控制运动平台7按照所述激光加工路径运动从而使激光光束对透明工件6进行加工，加工过程中，根据透明工件的厚度、硬度等力学特性选择合适的激光参数，在工件内部形成改性区域；

S4、采用红外激光加热的方式对激光加工后的工件进行裂片处理，使透明工件6沿形成的改性区域边缘断裂，完成对透明材料的切割。

实施例2

本实施例提供一种透明材料激光切割装置，用于对高折射率、低硬度的透明材料进行切割，尤其是硬度小、脆度高的透明材料进行切割处理。所述切割装置如图1所示，包括沿激光光路顺次设置的激光器1、扩束装置2、准直装置3、反射镜4和切割头5，其中激光器为脉宽小于1ns的脉冲激光器，其可产生处于红外、可见光和紫外波段的激光光束，所述脉冲激光器具有单脉冲或子脉冲数可调的脉冲组输出。所述扩束装置2为扩束镜，用于对激光器1产生的脉冲激光进行扩束处理；所述准直装置3为激光准直器，用于修正激光束，使提高激光束的准直度所述反射镜4用于将经准直装置3调节的激光束的方向进行偏转，使激光束进入位于反射镜4后方的切割头5内，本实施例中，反射镜4将水平方向的激光束更改为竖直方向，所述切割头5用于聚焦激光光束并提供，对工件进行激光加工。

另外，所述切割装置还包括用于承载和移动待加工透明工件6的移动平台7，所述移动平台7可沿X-Y方向移动，还包括用于控制激光器1、切割头5和移动平台7的工控单元8，所述工控单元8为计算机。

本实施例还提供一种利用所述切割装置对对高折射率、低硬度的透明材料进行切割的方法，尤其是硬度小、脆度高的透明材料进行切割处理，其如图2所示，包括如下步骤：

S1、将待加工透明工件6通过真空吸附的方式固定于运动平台7表面，并用工控单元8设置激光加工路径，本实施例中，所述激光加工路径为至少两个同心圆，相邻两个同心圆的间距不大于10μm，如图4所示，或者作为可变换的实施方式，所述激光加工路径可以由一组同心圆沿透明工件6的长度或宽度方向顺次排布而成；

S2、开启激光器1，通过工控单元8设定将激光焦点聚焦于透明工件6内部；

S3、控制运动平台7按照所述激光加工路径运动从而使激光光束对透明工件6进行加工，加工过程中，根据透明工件6的厚度、硬度等力学特性选择合适的激光参数，在工件内部形成改性区域；

S4、采用红外激光加热的方式对激光加工后的工件进行裂片处理，使透明工件6沿形成的改性区域边缘断裂，完成对透明材料的切割。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高折射率、低硬度透明材料激光切割装置，其特征在于，包括顺次设置的激光器、扩束装置、准直装置、反射镜、切割头和运动平台，还包括用于控制所述激光器、切割头和运动平台的工控单元，所述激光器具有单脉冲或脉冲数可调的脉冲组输出。

2.根据权利要求1所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割装置，其特征在于，所述激光器的脉宽不大于1ns。

3.根据权利要求2所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割装置，其特征在于，所述切割头底部设置有移动平台，所述切割头将激光光束聚焦于所述移动平台上的加工工件，所述移动平台带动加工工件运动。

4.根据权利要求3所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割装置，其特征在于，所述扩束装置为扩束镜，用于对激光器产生的激光光束进行扩束处理；所述准直装置为准直器，用于修正激光束；所述切割头用于聚焦激光光束。

5.一种利用如权利要求1-4任一项所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割装置进行激光切割的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待加工透明工件固定于移动平台表面，并用工控单元设置激光加工路径；

S2、开启激光器，将激光焦点聚焦于透明工件内部；

S3、控制运动平台按照所述激光加工路径进行移动，使激光光束按照激光加工路径在工件内部形成改性区域；

S4、对激光加工后的工件进行裂片处理。

6.根据权利要求5所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割方法，其特征在于，所述加工路径为至少两条平行线或至少两个同心圆。

7.根据权利要求6所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割方法，其特征在于，相邻两条平行线或相邻两个同心圆的间距不大于10μm。

8.根据权利要求7所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割方法，其特征在于，平行线加工路径由沿所述透明工件的长度或宽度方向延伸的一组平行线组成；同心圆加工路径由沿所述透明工件的长度或宽度方向排布的一列同心圆组成。

9.根据权利要求8所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割方法，其特征在于，所述裂片处理为红外激光加热、化学腐蚀、超声波裂片或机械裂片。

10.根据权利要求9所述的高折射率、低硬度透明材料激光切割方法，其特征在于，所述待加工工件通过真空吸附固定于所述移动平台表面。