CN111943499B - 一种基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及属于一种超快激光加工方法技术领域，具体是涉及一种基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法；本发明根据单晶薄片实际加工过程在单一使用超快激光切割单晶薄片的基础上利用超声氮气射流装置调整氮气射流的喷射气压；通过超快激光器产生紫外超快激光光束通过聚焦透镜调整超快激光光束聚焦至所述单晶薄片平面并对待加工单晶薄片进行切割加工，本发明极大减少了激光加工过程中单晶薄片气化回流后对加工端面的附着，从而有效降低了加工缺陷的产生，获得加工缺陷较少、粗糙度低的加工面。

Description

一种基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体是涉及一种基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法。
背景技术
激光加工技术作为一种重要的现代工业特种加工技术，自上个世纪激光器诞生以来越来越多的应用在工业生产中。超快激光加工技术作为激光加工中的代表技术，其具有冲脉宽极短、峰值功率极高、热影响区小，可以将其全部能量快速、准确地集中在限制作用区域而实现对材料的微细加工。就目前应用来看。超快激光可用于透明材料、金属、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的精细加工。
石英晶体属于高硬度、高熔点的脆性透明材料，一般加工方法很难满足加工要求，尤其难加工出微孔、微腔、微槽等结构。超快激光技术应用于石英玻璃微结构加工中，可以大大地改善石英晶体加工的表面质量并提高加工生产效率。
在工业技术中，超声加工同样也是一种应用广泛的特种加工技术，超声具有方向性强、能量易于集中、传播介质广、不受加工材料导电性能限制的特点得以应用。超声波辅助加工目前已应用于传统的机械加工方式中，具有不可比拟的工艺效果，并在磨削、铣削、车削、磨削、焊接、钻孔等方向都得到应用。
高压辅助气体加工是激光热切割中的新工艺，目的是依靠高压辅助气体喷射的力学作用，吹出熔融状态的金属与非金属。高压气体喷嘴可将大量辅助气体压缩，以足够大的速度和压力喷射出辅助气体，达到快速排出熔融废料的目的。
在实际加工中，超快激光加工也存在一些不足，主要表现加工过程中，发现随着刻蚀孔或腔深度的增加，部分刻蚀残留物回流、积聚甚至重凝，从而积聚在深孔或深腔的内部。阻碍激光沿着穿透方向的传播，易造成超快激光在加工过程中的二次聚焦，或者改变激光在加工试件内部的方向。最终会造成刻蚀无法正常进行或者形成加工缺陷，加工形状失真而难以保证加工效果。由于残留物的影响，超快激光向深度方向传播受阻，引起刻蚀面能量密度下降，激光刻蚀率减小，深宽比减小，加工效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超声氮气射流的单晶薄片超快激光精密切割的方法。可以解决当前单一使用超快激光加工单晶薄片所产生加工缺陷较大，表面质量低等问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，包括以下步骤：①将待加工的单晶薄片安装在超快激光晶片加工夹具上，此时超快激光晶片加工夹具位于超快激光加工工作台上；②根据待加工单晶薄片的加工位置调整工作台至初始加工位置，设置加工路径和工作台11移动速度；③根据待加工单晶薄片的窄缝深宽比调整超声喷头角度；④通过超快激光器产生紫外超快激光光束通过聚焦透镜调整超快激光光束聚焦至所述单晶薄片平面并对待加工单晶薄片进行切割加工，超声氮气射流始终对准加工窄缝。
所述超快激光器采用波长为260nm的超快激光脉冲，激光束焦点直径为17.5μm。
所述超快激光加工透明材料时，超快激光束聚焦在透明介质内部。
所述氮气射流发生装置由氮气储存气瓶、稳压与增压设备，氮气输送流管，超声氮气射流喷头组成；所述的氮气储存气瓶将氮气经所述的稳压与增压设备输出待加工单晶薄片所需气压后经所述的氮气输送流管传入所述的超声氮气射流喷头的入口处，喷头出口前端设计有超声换能器。
超声换能器由超声发生器提供高频交变电流产生高频振动。
所述的超声氮气射流喷头喷嘴为流线型喷嘴，其内部为先收缩后发散型喷管。
所述先收后发散型喷管对氮气增压后引导高压氮气提前膨胀，减弱氮气射流在加工表面产生的激波强度，减小超声氮气射流对加工表面质量的影响。该喷管在喷管中间由一个圆柱形气流通道，气流通道的直径先变小后变大。
所述超声换能器为发射型，由超声发生器提供电能，超声发生器是一种将生活所用50Hz交流电通过电路转换产生更高频率的交变电流，将该高频电流接入超声换能器产生高频振动。
所述超声氮气射流喷头空腔内径最大值为30mm，最小值为15mm，喷射口内径为20mm。
所述超声换能器工作电压为220V，最大功率不低于600W，超声波频率高于40000HZ。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明根据单晶薄片实际加工过程在单一使用超快激光切割单晶薄片的基础上结合超声气体辅助加工技术使得单晶薄片加工过程得以改善，使得所加工的单晶薄片表面质量明显提高，表面缺陷明显减少。
附图说明
图1是超声氮气射流辅助超快激光切割单晶薄片加工示意图。
其中：1、超声发生器；2、氮气储存气瓶；3、氮气输送导管；4、稳压与增压设备；5、超快激光发射器；6、超声氮气射流喷头；7、聚焦镜；8、超声换能器；9、单晶薄片；10、单晶薄片夹具；11、工作台。
具体实施方式
下面将结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不仅限于以下说明：
一种基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，包括以下步骤：①将待加工的单晶薄片安装在超快激光晶片加工夹具上，此时超快激光晶片加工夹具位于超快激光加工工作台上；②根据待加工单晶薄片的加工位置调整工作台至初始加工位置，初始位置的选择根据待加工工件的形状的不同而不同，一般遵循从外到内的加工原则即激光从工件外部切入，使工件处于激光束的加工范围之内，不可超过其加工范围，设置加工路径和工作台11移动速度；③根据待加工单晶薄片的窄缝深宽比调整超声喷头角度，又喷射气压与加工表面粗糙度之间存在最佳的对应关系，即一种粗糙度对应其合适喷射气压。根据待加工的单晶薄片所要求加工表面质量采用氮气射流发生装置调整氮气射流达到所对应的最佳喷射气压，④通过超快激光器产生紫外超快激光光束通过聚焦透镜调整超快激光光束聚焦至所述单晶薄片平面并对待加工单晶薄片进行切割加工，超声氮气射流始终对准加工窄缝。
所述超快激光器采用波长为260nm的超快激光脉冲，激光束焦点直径为17.5μm。
所述根据待加工单晶薄片的窄缝深宽比调整超声喷头角度。根据所加工工件的相关尺寸以及加工要求和加工所用的激光器确定深宽比，深宽比与超声喷头角度存在最佳对应关系，超声喷头角度可调，在加工开始之前调整至最佳角度。
所述加工路径和工作台11移动速度。加工路径与工作台移动速度是根据工件最终所要加工的质量以及所用激光器的加工能力共同确定。加工路径一般根据工件的加工要求遵循加工快捷高效操作方便的原则，不同加工形式选择有所不同。工作台速度一般根据加工材料以及加工要求由加工的相应技术文件资料共同确定。
所述超快激光加工透明材料时，超快激光束聚焦在透明介质内部，焦点处介质材料吸收光子产生自由电子。自由电子因为产生碰撞和雪崩电离，局部范围里会形成超热、高浓度的等离子体结构。该结构继续吸收光子能量，在介质内部发生光化学变化。因为高温分子键的解离在高密度的等离子体内部产生剧烈的碰撞，形成了介质内部的微爆炸而产生微小的空腔，从而使得单晶薄片得以分割，从上述超快激光加工单晶薄片微观原理可知，在加工过程中由于石英晶体微观粒子在激光照射瞬间气化，然后经过气化的石英材料经冷凝回流附着在已加工面上严重影响了已加工表面的加工质量。激光束的聚焦位置是加工的极限位置，超快激光束聚焦在透明介质内部的位置由加工材料和所用的激光器以及加工要求共同确定。
所述氮气射流发生装置，由氮气储存气瓶、稳压与增压设备，氮气输送流管，超声氮气射流喷头组成；所述的氮气储存气瓶将氮气经所述的稳压与增压设备输出待加工单晶薄片所需气压后经所述的氮气输送流管传入所述的超声氮气射流喷头的入口处，所述的超声氮气射流喷头喷嘴为流线型喷嘴，其内部为先收缩后发散型喷管，所述先收后发散型喷管对氮气增压后引导高压氮气提前膨胀，减弱氮气射流在加工表面产生的激波强度，减小超声氮气射流对加工表面质量的影响。所述的超声氮气射流喷头超声氮气射流出口前端设计有超声换能器，该超声换能器由超声发生器提供电能，所述超声换能器将通过喷嘴的高压氮气进行超声振动处理，得到超声振动的氮气射流，能够将单晶薄片气化冷凝的液态石英小液滴在超声气场作用下吹散，显著提高加工表面质量，提高加工精度。
所述先收后发散型喷管对氮气增压后引导高压氮气提前膨胀，减弱氮气射流在加工表面产生的激波强度，减小超声氮气射流对加工表面质量的影响。该喷管在喷管中间由一个圆柱形气流通道，气流通道的直径先变小后变大。
所述超声换能器为发射型，由超声发生器提供电能，超声发生器是一种将生活所用50Hz交流电通过电路转换产生更高频率的交变电流，将该高频电流接入超声换能器产生高频振动，所述超声换能器工作电压为220V，最大功率不低于600W，超声波频率高于40000HZ。所述超声氮气射流喷头空腔内径最大值为30mm，最小值为15mm，喷射口内径为20mm。
通过超快激光器产生紫外超快激光光束；通过聚焦透镜将激光光束聚焦至所述单晶薄片表面；所述单晶薄片相对激光光束产生相对移动，实现单晶薄片的切割。
通过高压氮气喷嘴对氮气进行加压；通过超声换能器对氮气进行超声振动处理；所得到的超声氮气射流向单晶薄片加工处喷射，快速冷却加工表面，带走超快激光加工过程中产生的碎屑，防止其在加工表面处重新凝结，有效抑制加工缺陷的产生，增大加工深宽比，提高加工效率。
实施例：
如图1所示，超快激光传输聚焦装置主要由激光发射器5、聚焦镜7及光束传输变换机构组成，可将波长为260nm的紫外超快激光束聚焦到石英晶片表面加工处，对石英晶片9进行加工。
工作台装置位于激光发射器5下方,包括能进行X/Y向移动的工作台11,所述工作台11上设有固定夹具10，所述固定夹具10上装夹有石英晶片9，所述石英晶片9与激光发射器5正对，调节工作台高度使激光聚焦点位于石英晶片5表面上，工作台11于水平面上的移动实现与加工路径的跟随。
提供一种能够产生稳定压力、稳定流速的超声氮气射流发生装置，所述的超声氮气射流发生装置主要是由氮气储存气瓶2、稳压与增压设备4，氮气输送导管3，超声氮气射流喷头6、超声发生器1组成。所述的氮气储存气瓶2将氮气经所述的稳压与增压设备4到达待加工石英晶片合适输出气压后经所述的氮气输送流管3传入所述的超声氮气射流喷头6的入口处，所述的超声氮气射流喷头6以空气动力学为基础设计的流线型喷嘴，其内部为先收缩后发散型喷管。所述先收后发散型喷管对氮气增压后引导高压氮气提前膨胀，减弱氮气射流在加工表面产生的激波强度，减小超声氮气射流对加工表面质量的影响。所述的超声氮气射流喷头6超声氮气射流出口前端设计有超声换能器8，所述超声换能器8为发射型超声换能器，该超声换能器8由超声发生器1提供电能，所述超声换能器8将通过喷嘴的高压氮气进行超声振动处理，得到超声振动的氮气射流，能够将石英晶片气化冷凝的液态石英小液滴在超声气场作用下吹散，显著提高加工表面质量，提高加工精度。
本发明所涉及的超快激光精密切割方法主要步骤包括：
S1：将待加工的石英晶片9安装在超快激光晶片加工夹具10上，此时超快激光晶片加工夹具固定于超快激光加工工作台11上；
S2：根据待加工石英晶片的加工位置调整工作台的位于合适的初始加工位置，设置加工路径和工作台11移动速度；
S3：根据被加工石英晶片9结构尺寸和目标加工结构计算并调整超声振动喷嘴6至最佳喷射角度；
S4：启动超声氮气喷射装置，待氮气射流稳定后启动超快激光传输聚焦装置；
S5：加工路径跟随完毕后超快激光传输聚焦装置停止运行；
S6：10秒后超声氮气喷射装置停止运行；
S7：工作台11复位，取下石英晶片9。

Claims (10)

1.一种基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，包括以下步骤：①将待加工的单晶薄片安装在超快激光晶片加工夹具上，此时超快激光晶片加工夹具位于超快激光加工工作台上；②根据待加工单晶薄片的加工位置调整工作台至初始加工位置，设置加工路径和工作台11移动速度；③根据待加工单晶薄片的窄缝深宽比调整超声喷头角度，所述超声喷头角度为锐角；④通过超快激光器产生紫外超快激光光束通过聚焦透镜调整超快激光光束聚焦至所述单晶薄片平面并对待加工单晶薄片进行切割加工，超声氮气射流始终对准加工窄缝。
2.如权利要求1所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述超快激光器采用波长为260nm的超快激光脉冲，激光束焦点直径为17.5μm。
3.如权利要求1所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述超快激光光束加工透明材料时，超快激光光束聚焦在透明介质内部。
4.如权利要求1所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述氮气射流发生装置由氮气储存气瓶、稳压与增压设备，氮气输送流管，超声氮气射流喷头组成；所述的氮气储存气瓶将氮气经所述的稳压与增压设备输出待加工单晶薄片所需气压后经所述的氮气输送流管传入所述的超声氮气射流喷头的入口处，喷头出口前端设计有超声换能器。
5.如权利要求4所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，超声换能器由超声发生器提供高频交变电流产生高频振动。
6.如权利要求4所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述的超声氮气射流喷头喷嘴为流线型喷嘴，其内部为先收缩后发散型喷管。
7.如权利要求6所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述先收缩后发散型喷管对氮气增压后引导高压氮气提前膨胀，减弱氮气射流在加工表面产生的激波强度，减小超声氮气射流对加工表面质量的影响；该喷管在喷管中间由一个圆柱形气流通道，气流通道的直径先变小后变大。
8.如权利要求4所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述超声换能器为发射型，由超声发生器提供电能，超声发生器是一种将生活所用50Hz交流电通过电路转换产生更高频率的交变电流，将该更高频率的交变电流接入超声换能器产生高频振动。
9.如权利要求4所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述超声氮气射流喷头空腔内径最大值为30mm，最小值为15mm，喷射口内径为20mm。
10.如权利要求4所述的基于超声氮气射流的超快激光精密切割方法，其特征在于，所述超声换能器工作电压为220V，最大功率不低于600W，超声波频率高于40000HZ。
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