CN111112859B - 一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法 - Google Patents

一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，包括：设置螺旋加工图档；设置激光器参数；调整激光光束的倾斜角度，将激光聚焦到待加工样品表面；对待加工样品进行分段加工。本发明采用相同内半径、不同外半径的螺旋线同圆心交错叠加形成加工路径，提高了加工效率，同时，不同螺旋线可任意组合，为无锥度加工提供优化；采用振镜与聚焦镜的组合改变激光光束的入射角度，降低了应用过程中的装置成本，适应于各种无锥度加工，同时，激光光束与待加工样品表面成一定角度可改善激光入口样品表面热损伤；采用分段加工，不同阶段匹配不同的激光加工参数，使得加工过程与需求灵活可控。

Description

一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法
技术领域
本发明涉及透明脆性材料加工领域，尤其涉及超短脉冲激光烧蚀应用于透明脆性材料，具体为一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法。
背景技术
透明脆性材料在工业及生活中的应用发展，导致透明脆性材料的加工需求增加。透明脆性材料现有的加工方法包括机械加工和激光加工。其中，机械加工时，材料易发生碎裂，不具有普遍适用性，不适合较小的孔的加工；而普通激光加工为了获得直孔通常需要水辅助加工，或者从下往上加工，这样加工存在一定污染及效率问题。
公开号CN108890151A的中国专利公开了一种光伏玻璃打孔方法，该方法将激光器的激光聚焦到光伏玻璃的下表面，通过三维动态模组调节激光光束的焦点位置，采用螺旋线切割方式从玻璃下表面到上表面逐层钻孔。该方法采用从下往上加工，存在一定污染和加工效率较低的问题。
公开号CN209407681U的中国专利公开了一种激光标记产品内壁的装置，包括激光发生器、振镜系统、聚焦镜及激光反射装置；所述振镜系统设置于所述激光发生器的输出光路上，将激光发生器所发出的激光束偏转以形成打标轨迹；所述聚焦镜设于所述振镜系统的出光侧，对偏转后的激光束进行聚焦；所述激光反射装置设于所述聚焦镜的光路上，将聚焦的激光束反射于产品内壁上，通过激光反射装置改变激光束的照射方向，激光束在没有达到焦点前被激光反射装置反射，将激光束引导到产品的内壁上，最终完成对产品内壁的激光标记。该专利的激光光束与加工内壁垂直，激光入口的内壁表面存在热损伤。
因此，有必要提供一种透明脆性材料零锥度通孔的工艺方法，解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，以解决现有技术中的至少一个问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，包括：
设置螺旋加工图档，形成由相同内半径、不同外半径的螺旋线同圆心交错叠加的加工路径；
设置激光器参数；
调整激光光束的倾斜角度，将激光光束聚焦到待加工样品表面；
对待加工样品进行分段加工。
优选地，设置螺旋加工图档进一步包括：设置螺旋线圈数、螺距、内半径、外半径。
优选地，所述待加工样品放置在三维运动平台上，在激光加工过程中，随着孔深度的增加以预设速度向上移动三维运动平台的Z轴，使加工位置始终处于激光光束聚焦光斑位置，直到加工结束。
优选地，所述方法进一步包括：在开始加工前，调整光路，使激光光束垂直于待加工区域表面；然后，利用光束分析设备进行焦点位置确认和幅面校正，并记录聚焦光斑大小和焦点位置。
优选地，所述方法进一步包括：对待加工样品进行两段加工，在第一段加工完成后，调整Z轴加工距离及螺旋线组合，进行第二段加工。
一种透明脆性材料零锥度通孔的加工装置，用于实施所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，所述装置包括：激光器、扩束镜、偏振模块、折返镜、定焦模块、旋切系统、定位系统和运动系统，所述激光器、扩束镜、偏振模块、折返镜、定焦模块、旋切系统、定位系统和运动系统沿着激光光束的传播路径依次设置。
优选地，所述旋切系统包括振镜和两组聚焦镜，用于实现激光光束中心与孔壁夹角在0°到11°之间变化。
优选地，所述装置还包括除尘装置，用于降低加工过程中材料温度及排除加工所产生粉尘。
优选地，所述除尘装置为压缩气体辅助装置。
优选地，所述激光器的脉宽小于15ps，单脉冲能量为33.5uJ，脉冲重复频率为600kHz，激光扫描速度为500mm/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明采用相同内半径、不同外半径的螺旋线同圆心交错叠加形成加工路径，提高了加工效率，同时，不同螺旋线可任意组合，为无锥度加工提供优化；采用振镜与聚焦镜的组合改变激光光束的入射角度，降低了应用过程中的装置成本，适应于各种无锥度加工，同时，激光光束与待加工样品表面成一定角度可改善激光入口样品表面热损伤；采用分段加工，不同阶段匹配不同的激光加工参数，使得加工过程与需求灵活可控。
（2）本发明在加工过程中，随着孔深度的增加，向上移动三维运动平台Z轴，从上往下对待加工样品进行加工，并采用压缩气体辅助装置排除加工所产生粉尘，改善了加工污染问题。
附图说明
图1为为根据本发明实施例的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法的流程图。
图2为根据本发明实施例的透明脆性材料零锥度通孔的加工装置的结构示意图。
图3（a）为根据本发明实施例的加工后通孔的激光入口表面示意图。
图3（b）为根据本发明实施例的加工后通孔的激光出口表面示意图。
图4（a）为根据本发明实施例的加工后通孔3D测量的平面示意图。
图4（b）为根据本发明实施例的加工后通孔3D测量的剖面示意图。
图5（a）为根据本发明实施例的加工后通孔剖面测量的左剖面示意图。
图5（b）为根据本发明实施例的加工后通孔剖面测量的右剖面示意图。
图中：1、激光器；2、扩束镜；3、偏振模块；4、折返镜；5、旋切系统；6、定焦模块；7、定位系统；8、待加工样品；9、运动系统；10、除尘装置。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，如图1所示，包括：设置螺旋加工图档，形成由相同内半径、不同外半径的螺旋线同圆心交错叠加的加工路径；设置激光器参数；调整激光光束的倾斜角度，将激光光束聚焦到待加工样品表面；对待加工样品进行分段加工。本发明采用相同内半径、不同外半径的螺旋线同圆心交错叠加形成加工路径，提高了加工效率，同时，不同螺旋线可任意组合，为无锥度加工提供优化；采用振镜与聚焦镜的组合改变激光光束的入射角度，降低了应用过程中的装置成本，适应于各种无锥度加工，同时，激光光束与待加工样品表面成一定角度可改善激光入口样品表面热损伤；采用分段加工，不同阶段匹配不同的激光加工参数，使得加工过程与需求灵活可控。
作为一种实施方式，对待加工样品进行两段加工，在第一段加工完成后，调整Z轴加工距离及螺旋线组合，进行第二段加工。这是因为对不同的脆性材料来说，有一个合适的光线与加工夹角之间的差值，第一段加工完成后，为了匹配加工角度，所以会对第二段的加工孔径进行调整变化，目的是为了提高加工质量。
在应用中，本发明方法的实施通过透明脆性材料零锥度通孔的加工装置来实现，所述装置包括：激光器1、扩束镜2、偏振模块3、折返镜4、定焦模块6、旋切系统5、定位系统7和运动系统9，所述激光器1、扩束镜2、偏振模块3、折返镜4、定焦模块6、旋切系统5、定位系统7和运动系统9沿着激光光束的传播路径依次设置。所述加工装置如图2所示。
考虑到激光器的脉宽偏大，热影响明显，会导致脆性材料易裂，采用脉宽小于15ps的激光器。所述激光器1的单脉冲能量为33.5uJ，脉冲重复频率为600kHz，激光扫描速度为500mm/s。
激光加工中，由于紫外光吸收太高，绿光存在光污染，所以对于脆性材料加工，采用红外波长作为激光器的激光波长。
具体地，所述偏振模块3实现将线偏振光转变为圆偏振光。将λ/2玻片置于转速可调节的旋转中空电机上，通过调节玻片转速实现线偏振光转变为圆偏振光，改善光的偏振情况。这样设置可实现均匀吸收，改善出口问题，改善打孔过程中侧壁的偏振吸收引起底面不圆的问题。
具体地，所述定焦模块6用于确定平面及不规则表面焦点位置。
具体地，所述旋切系统5包含振镜和两组聚焦镜。所述旋切系统用于实现光线倾斜角度与待加工孔壁夹角从0°到11°变化。光线倾斜角度的变化可用于适应不同透明材料。
具体地，所述定位系统7为旁轴定位系统，用于实现需求位置的定点加工。
具体地，所述运动系统9采用具有可编程控制z轴移动速度与距离的运动控制平台，用于调整打孔过程中z轴路径规划。
进一步地，所述加工装置还包括除尘装置10，所述除尘装置为压缩气体辅助装置，用于排除加工所产生粉尘以及降低加工过程中材料温度。
实施例
本实施例提供一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，采用透明脆性材料零锥度通孔的加工装置实现。本实施例采用所述的装置及方法在加工厚度为0.3mm的蓝宝石上加工直径为1.68mm的通孔。
具体步骤如下：
步骤1，通过激光控制系统设定所需加工图档。为了达到本发明所述技术效果，加工图档由相同内半径1.68mm、不同外半径的螺旋线同圆心交错叠加。其中所述不同螺旋线的最小外半径为1.925mm，然后以0.015mm为步长依次增加外半径至2.125mm，共为13组螺旋线。不同外半径螺旋线的螺距均为0.01mm。将不同的螺旋线随外半径由大到小依次编号为1、2、3……13。
步骤2，激光器参数设置。激光器单脉冲能量为33.5uJ，脉冲重复频率为600kHz，激光扫描速度为500mm/s。
步骤3，调整光路，使激光光束垂直于待加工工件表面。
步骤4，利用光束分析仪进行焦点位置确认和幅面校正，并记录聚焦光斑大小和焦点位置。
步骤5，将处理干净的待加工样品固定于夹具上，调整运动平台至样品待加工区域。
步骤6，利用定焦系统将焦点调节到待加工样品表面。可通过旋切系统改变激光光束入射角度。加工过程中，采用旁轴定位系统进行待加工区域定位。
步骤7，开启除尘装置，确保除尘口的位置不遮挡光路，可顺利吸去加工过程中产生的粉尘。除尘装置采用压缩气体辅助装置，调整压缩气体辅助装置的旋切头吹气口压强，设置压缩空气压强为0.3Mpa。
步骤8，为了达到发明所述效果，将整个加工过程分为两段加工。第一段，Z轴加工距离为0～0.2mm，螺旋线组合为1～13。第二段，Z轴加工距离为0.2～0.3mm，螺旋线组合为1～4。在激光加工过程中，随着孔深度的增加以13.3mm/s的速度向上移动三维运动平台Z轴，使待去除深度位置始终处于所述激光束聚焦光斑位置，直到加工结束。
最终测试的工艺结果经100倍显微镜放大测量，见图3～5。图3为蓝宝石通孔表面图，图4（a）-（b）为3D显微镜测量3D图，测量数据如表1所示，图5（a）-（b）为通孔剖面测量图。由图3（a）可以看出，激光入口处蓝宝石表面干净无暇，无崩边，无裂纹。由图3（b）可以看出激光出口处蓝宝石表面约有32um的损伤。由图4的3D测试报告和图5剖面图共同看出，本实施例所述方法加工得到的通孔锥度在0.4°左右，相比传统激光加工得到的盲孔，锥度极小；
Figure 303341DEST_PATH_IMAGE001
表1 加工后通孔3D测量数据
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，包括：
设置螺旋加工图档，形成由相同内半径、不同外半径的螺旋线同圆心交错叠加的加工路径；
设置激光器参数；
调整激光光束的倾斜角度，将激光聚焦到待加工样品表面；
对待加工样品进行分段加工；进一步包括：对待加工样品进行两段加工，在第一段加工完成后，调整Z轴加工距离及螺旋线组合，进行第二段加工；从上往下对待加工样品进行加工；
通过使用透明脆性材料零锥度通孔的加工装置来进行加工，所述装置包括：激光器、扩束镜、偏振模块、折返镜、定焦模块、旋切系统、定位系统和运动系统，所述激光器、扩束镜、偏振模块、折返镜、定焦模块、旋切系统、定位系统和运动系统沿着激光光束的传播路径依次设置；采用红外波长作为激光器的激光波长；定焦模块用于确定平面及不规则表面焦点位置。
2.根据权利要求1所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，设置螺旋加工图档进一步包括：设置螺旋线圈数、螺距、内半径、外半径。
3.根据权利要求1所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，所述待加工样品放置在三维运动平台上，在激光加工过程中，随着孔深度的增加以预设速度向上移动三维运动平台的Z轴，使加工位置始终处于激光光束聚焦光斑位置，直到加工结束。
4.根据权利要求1所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，所述方法进一步包括：在开始加工前，调整光路，使激光光束垂直于待加工区域表面；然后，利用光束分析设备进行焦点位置确认和幅面校正，并记录聚焦光斑大小和焦点位置。
5.根据权利要求1所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，所述旋切系统包括振镜和两组聚焦镜，用于实现激光光束与待加工孔壁夹角在0°到11°之间变化。
6.根据权利要求1所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，所述装置还包括除尘装置，用于降低加工过程中材料温度及排除加工所产生粉尘。
7.根据权利要求6所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，所述除尘装置为压缩气体辅助装置。
8.根据权利要求1所述的透明脆性材料零锥度通孔工艺方法，其特征在于，所述激光器的脉宽小于15ps，单脉冲能量为33.5uJ，脉冲重复频率为600kHz，激光扫描速度为500mm/s。
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