CN108515270A - 一种陶瓷材料激光划线的工艺方法 - Google Patents

一种陶瓷材料激光划线的工艺方法 Download PDF

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袁聪
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Abstract

本发明公开了一种陶瓷材料激光划线的工艺方法，包括以下步骤：1)将待加工的陶瓷材料放置在光纤激光切割机的吸附平台上，并进行定位；2）预设切割路径并将设计好的切割路径输入软件；3)设置激光加工参数：正焦点位置状态下，划线速度180~220mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为36‑45W、重复频率2400~2800Hz；4）启动光纤激光切割机，对陶瓷材料进行激光划线。本发明采用光纤激光器对陶瓷精密划线，通过控制变量法在不同的工艺参数下，对加工工艺进行了实验，通过调整优化工艺参数的设置，获得了合适的陶瓷材料激光划线深度，提高了产品加工质量，工艺稳定性好，满足了市场上的需求；具有较好的实用价值。

Description

一种陶瓷材料激光划线的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种激光切割技术领域，特别是涉及一种陶瓷材料激光划线的加工工艺方法技术领域。
背景技术
目前工程陶瓷材料作为现代工程结构材料三大支柱之一，因其高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、低密度、低热膨胀系数等特殊性能，在航空航天、汽车制造、微电子等工业中的应用越来越广泛。其中高性能的氧化铝陶瓷基片因其硬度、强度、绝缘性、导热性等方面的特殊性能，使其在电子工业中大量用来作为IC基板、多层陶瓷基板等，是IT产业的新宠。
氧化铝陶瓷的加工方法很多，但随着IT产业的发展，对基片的加工精度要求越来越高。传统的切割、打孔方法已不能满足精细加工的发展要求。激光加工技术作为一种非接触式加工方式，有着加工速度快、精度高、无污染、控制简单等特点，因此在难加工材料领域得到了广泛的应用。
激光划线是采用脉冲激光在陶瓷材料上沿直线打一系列互相衔接的盲孔，孔的深度只需要陶瓷深度的1/2-1/3，由于应力集中，稍用力，陶瓷材料很容易准确地沿此线折断。与穿透切割相比，激光划线切割具有线宽小、热影响区小、刮渣少，所需功率低等优点。影响激光划线的精度主要有以下因素：峰值功率、脉冲宽度、重复频率、划线速度、离焦量等。
目前用于陶瓷材料激光划线的激光器主要有二氧化碳激光器，声光调Q的Nd：YAG激光器。虽然氧化铝陶瓷对二氧化碳激光有很大的吸收率，且切割速度快，但是划线的线宽只能达到0.1-0.3mm，很难实现更精密的划线，而声光调Q的Nd：YAG激光因其发散角较大只能在低速下划线。光纤激光器有很好的光束质量和极小的聚焦光斑，使其在激光精密加工行业得到了广泛的应用。
由于氧化铝陶瓷对1064nm的光纤激光反射率较高，在实际划线过程中，要么划片完全切割，要么由于局部反射率过高而引起能量吸收不均匀，使得激光划线的深度效果不稳定或出现不规则断裂。因此，对于陶瓷材料的光纤激光划线的工艺方法需要新的改进。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种加工质量高，工艺稳定性好的陶瓷材料激光划线的工艺方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种陶瓷材料激光划线的工艺方法，包括以下步骤：
1) 将待加工的陶瓷材料放置在光纤激光切割机的吸附平台上，并进行定位；
2）预设切割路径并将设计好的切割路径输入软件；
3) 设置激光加工参数：正焦点位置状态下，划线速度180~220mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为36-45W、重复频率2400~2800Hz；
4）启动光纤激光切割机，对陶瓷材料进行激光划线。
优化的，在所述步骤3）设置激光加工参数中：正焦点位置状态下，划线速度200mm/s，重复频率2800Hz，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为为36W~45W。
优化的，在所述步骤3）设置激光加工参数中：正焦点位置状态下，划线速度200mm/s，重复频率2400~2800Hz，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为39W。
优化的，在所述步骤3）设置激光加工参数中，正焦点位置状态下，划线速度180~220mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为39W、重复频率2400Hz；
有益效果：与现有技术相比，本发明的陶瓷材料激光划线的工艺方法，采用IPG150W光纤激光器对1mm氧化铝陶瓷精密划线，通过控制变量法，在不同的工艺参数下，对加工工艺进行了实验研究，通过调整优化工艺参数的设置，获得了0.35mm、0.4mm以及0.5mm的陶瓷材料激光划线深度，满足了激光划线效果需要达到的要求：划线后的激光孔深度为陶瓷材料厚度的1/3-1/2（0.35mm~0.50mm），激光打点均匀无断线；从而在步骤中调整不同工艺参数设置来满足了市场上高质量的产品加工需求；提高了陶瓷材料激光划线的产品加工质量，工艺稳定性好，具有较好的实用价值。
附图说明
图1为实施例1中峰值功率31.5W时的激光划线深度测量图；
图2为实施例1中峰值功率36W时的激光划线深度测量图；
图3为实施例1中峰值功率39W时的激光划线深度测量图；
图4为实施例1中峰值功率45W时的激光划线深度测量图；
图5为实施例2中重复频率2400Hz时的激光划线深度测量图；
图6为实施例2中重复频率2600Hz时的激光划线深度测量图；
图7为实施例2中重复频率2800Hz时的激光划线深度测量图；
图8为实施例3中划线速度180mm/s的激光划线深度测量图；
图9为实施例3中划线速度200mm/s的激光划线深度测量图；
图10为实施例3中划线速度220mm/s的激光划线深度测量图；
图11为实施例4中正焦点时的激光划线深度测量图；
图12为实施例4中负离焦时的激光划线深度测量图；
图13为实施例4中正离焦时的激光划线深度测量图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
说明：以下实施例是采用IPG150W光纤激光器对1mm氧化铝陶瓷精密划线，通过控制变量法，在不同的工艺参数下，给出不同加工参数的设定，对加工工艺进行了实验与验证，获得了0.35mm、0.40mm以及0.5mm的激光划线深度，满足了市场上的需求。
实施例1：一种陶瓷材料激光划线的工艺方法，包括以下步骤：
1) 将待加工的陶瓷材料放置在光纤激光切割机的吸附平台上，并进行定位；
2）预设切割路径并将设计好的切割路径输入软件；
3) 设置激光加工参数：正焦点位置状态下，划线速度200mm/s，重复频率2800Hz，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为21%~30%的功率时即31.5W~45W、；
4）启动光纤激光切割机，对陶瓷材料进行激光划线。
如图1~4所示，获得陶瓷材料激光划线深度的变化情况如下：
如图1 所示：在步骤3）中，加工参数中峰值功率设定为21%的功率即31.5W时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.308mm、0.301mm、0.294mm、0.296mm、0.289mm等；深度尺寸基本上维持在0.30mm数值附近；
如图2所示：在步骤3）中，加工参数中峰值功率设定为24%的功率即36W时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.363mm、0.367mm、0.368mm、0.342mm、0.366mm、0.358mm等；深度尺寸基本上维持在0.35mm数值附近；
如图3所示：在步骤3）中，加工参数中峰值功率设定为26%的功率即39W时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.413mm、0.403mm、0.420mm、0.416mm等；深度尺寸基本上维持在0.40mm数值附近；
如图4所示：加工参数中峰值功率设定为30%的功率即45W时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.484mm、0.493mm、0.493mm、0.499mm、0.506mm等；深度尺寸基本上维持在0.50mm数值附近；
从以上数据可以看出，随着峰值功率的增大，划线深度也会增大。这是由于峰值功率的改变，陶瓷材料表面吸收激光能量也会改变，因此陶瓷材料激光划线的深度也相应的加以改变。
实施例2：一种陶瓷材料激光划线的工艺方法，包括以下步骤：
1) 将待加工的陶瓷材料放置在光纤激光切割机的吸附平台上，并进行定位；
2）预设切割路径并将设计好的切割路径输入软件；
3) 设置激光加工参数：正焦点位置状态下，划线速度200mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为39W、重复频率2400~2800Hz；
4）启动光纤激光切割机，对陶瓷材料进行激光划线。
如图5~7所示，获得陶瓷材料激光划线深度的变化情况如下：
如图5所示：在步骤3）中，加工参数中重复频率2400 Hz时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.335mm、0.347mm、0.337mm、0.345mm、0.349mm、0.348mm、0.342mm、0.335mm、0.343mm等；深度尺寸基本上维持在0.35mm数值附近；
如图6所示：在步骤3）中，加工参数中重复频率2600 Hz时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.410mm、0.390mm、0.417mm、0.396mm等；深度尺寸基本上维持在0.40mm数值附近；
如图7所示：在步骤3）中，加工参数中重复频率2800 Hz时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.486mm、0.498mm、0.494mm、0.502mm、0.503mm等；深度尺寸基本上维持在0.50mm数值附近；
由以上数据可以看出，重复频率在2400~2800Hz时，随着重复频率的增加，划线深度也明显增加。其原因是当划线速度一定的时候，重复频率增加了，激光与陶瓷表面作用的次数增加了，即激光与陶瓷材料作用的时间变长了。当重复频率过小时，划线的沟道里产生的熔渣会熔不掉，这是因为一部分能量会被熔渣吸收导致激光能量变弱；当重复频率增加到一定值时，足够长的作用时间使得激光能够把产生的熔渣熔掉，此时划线深度也会增大。继续增大重复频率时，陶瓷材料便会切断。
实施例3：一种陶瓷材料激光划线的工艺方法，包括以下步骤：
1) 将待加工的陶瓷材料放置在光纤激光切割机的吸附平台上，并进行定位；
2）预设切割路径并将设计好的切割路径输入软件；
3) 设置激光加工参数：正焦点位置状态下，划线速度180~220mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为39W、重复频率2400Hz；
4）启动光纤激光切割机，对陶瓷材料进行激光划线。
如图8-10所示，获得陶瓷材料激光划线深度的变化情况如下：
如图8所示：在步骤3）中，加工参数中划线速度为180 mm/s时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.490mm、0.482mm、0.490mm、0.483mm、0.480mm、等；深度尺寸基本上维持在0.50mm数值附近；
如图9所示：在步骤3）中，加工参数中划线速度为200mm/s时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.402mm、0.406mm、0.415mm、0.414mm、0.399mm、等；深度尺寸基本上维持在0.40mm数值附近；
如图10所示：在步骤3）中，加工参数中划线速度为220mm/s时，获得的陶瓷材料激光划线深度为；0.354mm、0.340mm、0.347mm、0.344mm、0.340mm、0.349mm、0.345mm、0.345mm等；深度尺寸基本上维持在0.35mm数值附近；
由以上实验数据可以看出，划线速度在180mm/s~220mm/s之间时，随着划线速度的增加，陶瓷划线深度反而减小，这是因为随着速度的增加，高斯光束中心以外的某些区域的光能减小到已经不能有效的去除材料，使得一部分热量原本可以被去除的材料带走，却继续存留在材料表面，热能向四周传递使激光能量损耗。
实施例4：一种陶瓷材料激光划线的工艺方法，包括以下步骤：
1) 将待加工的陶瓷材料放置在光纤激光切割机的吸附平台上，并进行定位；
2）预设切割路径并将设计好的切割路径输入软件；
3) 设置激光加工参数：在离焦量-0.2mm~+0.2mm位置状态下，划线速度200mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为39W、重复频率2400Hz；
4）启动光纤激光切割机，对陶瓷材料进行激光划线。
如图11-13所示，获得陶瓷材料激光划线深度的变化情况如下：
如图11所示，在步骤3）中，加工参数中离焦量为0mm,即正焦点位置状态下，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.402mm、0.406mm、0.415mm、0.414mm、0.399mm等；深度尺寸基本上维持在0.40mm数值附近；
如图12所示，在步骤3）中，加工参数中离焦量为-0.2mm,即在负离焦-0.2mm 时，获得的陶瓷材料激光划线深度为0.350mm、0.355mm、0.363mm、0.350mm、0.349mm、0.343mm等；深度尺寸基本上维持在0.35mm数值附近；
如图13所示：在步骤3）中，加工参数中离焦量为+0.2mm,即在正离焦+0.2mm 时，得的陶瓷材料激光划线深度为0.340mm、0.346mm、0.340mm、0.338mm、0.345mm、0.335mm、0.332mm、0.330mm、0.337mm、0.359mm、0.331mm等；深度尺寸基本上维持在0.35mm数值附近；
由以上实验数据可以看出，离焦量对陶瓷材料激光划线的深度影响较明显。当激光已正焦点垂直入射时，划线深度最佳。这是因为在正焦点位置处激光的光斑最小，能量密度最大，而陶瓷材料对1064nm的光吸收率极低，不容易产生过多的熔渣。当偏离了正焦点位置时，激光束超过了高斯光束正中心的位置，激光束的光斑变大，能量密度变小，激光作用于陶瓷材料表面的功率也会变小，材料被去除量也会变小，因此划线深度也会变小。所以加工参数设置时，应设置在正焦点位置处，尽量不选用偏离正焦点的位置。
以上实施例的实验数据，尽量保持设置条件的一致性；但由于多次试验加工，考虑到调整设置设备的误差性，故所得实验数据在同等条件下存在一定的差异，但总体而言呈现一定的规律性：获得了0.35mm、0.40mm以及0.5mm的激光划线深度，满足了激光划线效果需要达到的要求：划线后的激光孔深度为陶瓷材料厚度的1/3-1/2（0.35mm~0.50mm），激光打点均匀无断线；从而在步骤中调整不同工艺参数设置来满足了市场上高质量的产品加工需求；提高了陶瓷材料激光划线的产品加工质量，工艺稳定性好，具有较好的实用价值。

Claims (4)

1.一种陶瓷材料激光划线的工艺方法，其特征在于:
包括以下步骤：
1) 将待加工的陶瓷材料放置在光纤激光切割机的吸附平台上，并进行定位；
2）预设切割路径并将设计好的切割路径输入软件；
3) 设置激光加工参数：正焦点位置状态下，划线速度180~220mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为36-45W、重复频率2400~2800Hz；
4）启动光纤激光切割机，对陶瓷材料进行激光划线。
2.根据权利要求1所述的陶瓷材料激光划线的工艺方法，其特征在于:在所述步骤3）设置激光加工参数中：正焦点位置状态下，划线速度200mm/s，重复频率2800Hz，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为为36W~45W。
3.根据权利要求1所述的陶瓷材料激光划线的工艺方法，其特征在于:在所述步骤3）设置激光加工参数中：在所述步骤3）设置激光加工参数中：正焦点位置状态下，划线速度200mm/s，重复频率2400~2800Hz，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为39W。
4.根据权利要求1所述的陶瓷材料激光划线的工艺方法，其特征在于:在所述步骤3）设置激光加工参数中：正焦点位置状态下，划线速度180~220mm/s，脉冲宽度0.1ms，峰值功率为39W、重复频率2400Hz。
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