CN112025087A - 一种蓝宝石激光标刻工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于蓝宝石激光标刻技术领域，具体涉及一种蓝宝石激光标刻工艺方法，包括如下步骤：1）将蓝宝石片放置在蓝宝石片夹具上，使需要标刻图案的一面朝上并面对激光光源；2）调整激光打标头至蓝宝石片表面的距离，使激光器发出的光束经高倍扩束镜、振镜和短焦距透镜后作用至蓝宝石片表面的光斑大小为80um±15um；3）设定激光标刻的图案、加工路径以及激光器工艺参数；4）采用激光打标头对蓝宝石片表面进行标刻，同时采用烟雾净化器抽走打标烟。本发明通过激光器配合高倍扩束镜和短焦距透镜，减小激光标刻光斑，集中激光能量，缩小激光热影响范围，降低打标碎片率，且可以在未镀膜蓝宝石片上进行连续标刻，提高打标效率。

Description

一种蓝宝石激光标刻工艺方法
技术领域
本发明属于蓝宝石激光标刻技术领域，具体涉及一种蓝宝石激光标刻工艺方法。
背景技术
蓝宝石晶体硬度高，仅次于金刚石达莫氏9级，在高温下具有较好的稳定性，熔点为2030℃，并且具有耐磨性好、透光率高、介电常数高、导电性好等优点，常用于高科技领域，正逐渐成为智能终端保护玻璃的热门材料。近年来，蓝宝石已在智能手表、智能手机与高端电脑屏幕中占有一席之地。随着科技进一步发展，人们已不满足单调的透明玻璃，而是希望在终端玻璃产品上显示出多样化的精美图案。
目前在蓝宝石表面获得图案的方式主要为在蓝宝石镀膜面通过机械，刻蚀或者紫外皮秒打标机去除镀膜层，以获得不同的图案。以上方法均需在蓝宝石表面镀膜后，去除镀膜层以获得不同图案，图案无法永久保留在蓝宝石上。其中机械或者蚀刻工艺均会不同程度损伤镀膜层，影响蓝宝石镀膜后的光学或机械性能，且会产生有毒有害气体，不利于环境保护，而紫外皮秒打标机去除镀膜层，工艺复杂，且成本较高，不利于大规模推广应用。
故需开发一种成本低廉，有利于保护环境且可在镀膜前就可对蓝宝石进行图案激光标刻的工艺方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种蓝宝石激光标刻工艺方法，能够有效地降低打标碎片率，并提高打标效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种蓝宝石激光标刻工艺方法，包括如下步骤：
1）将蓝宝石片放置在蓝宝石片夹具上，使需要标刻图案的一面朝上并面对激光光源；
2）调整激光打标头至蓝宝石片表面的距离，使激光器发出的光束经高倍扩束镜、振镜和短焦距透镜后作用至蓝宝石片表面的光斑大小为80um±15um；
3）设定激光标刻的图案、加工路径以及激光器工艺参数；
4）采用激光打标头对蓝宝石片表面进行标刻，同时采用烟雾净化器抽走打标烟。
进一步地，步骤1）中，将蓝宝石片放置在蓝宝石片夹具上时，同时使蓝宝石片标刻区域的下方避空。
进一步地，标刻采用的激光器为10.6um波长的CO2激光发生器。
进一步地，标刻时，激光峰值功率为8-12W，频率为10-20KHz，速度为50-100mm/s。
进一步地，标刻时，最小线宽为80-100um。
进一步地，所述激光打标头安装于调焦机构上，步骤2）中，通过调焦机构调整激光打标头至蓝宝石片表面的距离。
进一步地，所述蓝宝石片夹具和所述激光打标头均设置于机柜上，所述机柜上还设有多轴机械手和用于放置蓝宝石料盒的上料平台；步骤1）中，通过多轴机械手将上料平台上的蓝宝石料盒中的蓝宝石片取放到所述蓝宝石片夹具上。
更进一步地，通过多轴机械手将上料平台上的蓝宝石料盒中的蓝宝石片取放到所述蓝宝石片夹具上的具体方法如下：
先将装有蓝宝石片的蓝宝石料盒放置到上料平台上的蓝宝石料盒定位夹具上，并压紧蓝宝石料盒；
接着，采用多轴机械手带动激光扫描传感器扫描蓝宝石料盒中的物料状态并记录，若状态正常则进行下一步，若状态异常则跳过并记录层数；
然后，多轴机械手带动激光扫描传感器扫描蓝宝石片夹具上是否有蓝宝石片，若有则异常报警，若无则进行下一步；
最后，多轴机械手根据物料状态依层取蓝宝石料盒中的蓝宝石片，然后放置到蓝宝石片夹具上。
更进一步地，所述激光打标头上还设有CCD定位系统；步骤3）中，CCD定位系统识别蓝宝石片夹具上的蓝宝石片种类并定位，激光打标头根据CCD定位系统识别的蓝宝石片种类及定位信息设定激光标刻的图案、加工路径以及激光器工艺参数。
更进一步地，步骤4）中，标刻完成后，CCD定位系统检测蓝宝石片状态，若有碎裂则异常报警，若无则通知多轴机械手将标刻完成后的蓝宝石片取放至原蓝宝石料盒中；多轴机械手在蓝宝石料盒与蓝宝石片夹具之间循环取放蓝宝石片，直至上料平台上所有的蓝宝石料盒中状态正常的蓝宝石片都完成标刻，状态异常的蓝宝石片则跳过并记录层数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过激光器配合高倍扩束镜和短焦距透镜，减小激光标刻光斑，使作用至蓝宝石片表面的光斑大小为80um左右，集中激光能量，缩小激光热影响范围，降低打标碎片率，且可以在未镀膜蓝宝石片上进行连续标刻，提高打标效率；
（2）本发明本发明通过多轴机械手在蓝宝石料盒与蓝宝石片夹具之间循环取放蓝宝石片，实现全程自动化上下料，有效减少中间人工接触环节，有效地降低了人工搬运的碎片率和脏污率，提高产品良品率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的蓝宝石自动上下料激光标刻装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多轴机械手的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的上料平台的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的激光标刻机的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的激光打标头的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的蓝宝石片夹具的结构示意图；
图7为采用本实施例提供的方法标刻图案的50倍放大效果图；
图8为采用本实施例提供的方法标刻图案的200倍放大效果图；
图中：10、机柜，11、控制系统，12、工作平台，20、多轴机械手，21、牙叉，22、真空检测传感器，23、激光扫描传感器，30、上料平台，31、蓝宝石料盒定位夹具，32、压紧气缸，33、蓝宝石料盒，40、激光标刻机，41、调焦机构，42、激光打标头，421、激光器，422、高倍扩束镜，423、振镜，424、短焦距透镜，43、CCD定位系统，50、蓝宝石放置平台，51、蓝宝石片夹具，60、蓝宝石片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1、图4-图6所示，本发明实施例提供一种蓝宝石激光标刻工艺方法，包括如下步骤：
1）将蓝宝石片60放置在蓝宝石片夹具51上，使需要标刻图案的一面朝上并面对激光光源；
2）调整激光打标头42至蓝宝石片60表面的距离，使激光器421发出的光束经高倍扩束镜422、振镜423和短焦距透镜424后作用至蓝宝石片60表面的光斑大小为80um±15um；
3）设定激光标刻的图案、加工路径以及激光器421工艺参数；
4）采用激光打标头42对蓝宝石片60表面进行标刻，同时采用烟雾净化器抽走打标烟，防止烟尘堆积在打标机透镜上，影响打标效果。
本发明的标刻原理：激光光束照射在蓝宝石表面，蓝宝石吸收能量先气化至空气中后固化成粉末，同时使用烟雾净化器及时抽走粉末，防止堆积在蓝宝石表面及边缘，完成蓝宝石的标刻。
进一步地，步骤1）中，将蓝宝石片60放置在蓝宝石片夹具51上时，同时使蓝宝石片60标刻区域的下方避空，防止下方材料反射激光，影响打标效果。
进一步地，标刻采用的激光器421为10.6um波长的CO2激光发生器，这是由于蓝宝石对可见光吸收率较低，10.6um为非可见光，蓝宝石对该波吸收率高于其他光谱，且成本较低。本实施例通过低成本CO2激光发生器配合高倍扩束镜422和短焦距透镜424，减小激光标刻光斑，集中激光能量，缩小激光热影响范围，降低打标碎片率。本实施例中的高倍扩束镜422可以采用8倍扩束镜或12扩束镜，短焦距透镜424可以采用F150或F100透镜。当短焦距透镜424采用F150透镜时，高倍扩束镜422采用12扩束镜，激光器光斑为2±0.2mm，经过12倍扩束镜片扩束后光斑大小为24mm左右，经过小孔光阑过滤掉光斑外围，光斑直径变为20mm左右，经过F150透镜聚焦，光斑聚焦为94um左右，而由于光斑边缘达不到破坏蓝宝石激光阈值，因此，激光作用线宽较光斑直径小，故作用至蓝宝石片表面的光斑大小一般为80um左右。当短焦距透镜424采用F100透镜时，高倍扩束镜422采用8扩束镜，原理同上。
进一步地，标刻时，激光峰值功率为8-12W，频率为10-20KHz，速度为50-100mm/s。
进一步地，标刻时，最小线宽为80-100um。
进一步地，所述激光打标头42安装于调焦机构41上，步骤2）中，通过调焦机构41调整激光打标头42至蓝宝石片60表面的距离。本实施例采用激光标刻机40对蓝宝石片夹具51上的蓝宝石片60进行激光标刻，激光标刻机40包括激光打标头42和调焦机构41，调焦机构41固定于机柜10上，激光打标头42安装于调焦机构41上；其中，调焦机构41可以采用手动调焦机构41，激光打标头42包括沿光路设置的激光器421、高倍扩束镜422、振镜423和短焦距透镜424，如图4-图5所示。
进一步地，所述蓝宝石片夹具51和所述激光打标头42均设置于机柜10的上，所述机柜10上还设有多轴机械手20和用于放置蓝宝石料盒33的上料平台30；步骤1）中，通过多轴机械手20将上料平台30上的蓝宝石料盒33中的蓝宝石片60取放到所述蓝宝石片夹具51上。本实施例的蓝宝石片夹具51设置于蓝宝石放置平台50上，蓝宝石放置平台50设置于机柜10上，上料平台30和蓝宝石放置平台50分别设置于多轴机械手20的两侧，且蓝宝石片夹具51位于激光打标头42的有效工作范围内。机柜10内设有控制系统11，多轴机械手20和激光标刻机40均与控制系统电连接，机柜10的顶面为大理石的工作平台12。
更进一步地，通过多轴机械手20将上料平台30上的蓝宝石料盒33中的蓝宝石片60取放到所述蓝宝石片夹具51上的具体方法如下：
先将装有蓝宝石片60的蓝宝石料盒33放置到上料平台30上的蓝宝石料盒定位夹具31上，并压紧蓝宝石料盒33；
接着，采用多轴机械手20带动激光扫描传感器23扫描蓝宝石料盒33中的物料状态并记录，若状态正常则进行下一步，若状态异常则跳过并记录层数；
然后，多轴机械手20带动激光扫描传感器23扫描蓝宝石片夹具51上是否有蓝宝石片60，若有则异常报警，若无则进行下一步；
最后，多轴机械手20根据物料状态依层取蓝宝石料盒33中的蓝宝石片60，然后放置到蓝宝石片夹具51上。
如图3所示，本实施例的上料平台30上设有蓝宝石料盒定位夹具31以及用于压紧蓝宝石料盒33的压紧气缸32，蓝宝石料盒定位夹具31与一一对应，且均可以有多套；如图3所示，本实施例的蓝宝石料盒33有多层，每一层中均装有蓝宝石片60，蓝宝石料盒定位夹具31将蓝宝石料盒33固定在其内，并通过压紧气缸32在顶部将蓝宝石料盒33压紧在上料平台30上。
如图2所示，本实施例的多轴机械手20的末端设有单个或多个牙叉21，且牙叉21上设有用于吸附蓝宝石片60的真空吸盘，多轴机械手20带动牙叉21将蓝宝石料盒33中待标刻的蓝宝石片60取放到蓝宝石片夹具51上或者将蓝宝石片夹具51上标刻完的蓝宝石片60取放到蓝宝石料盒33中相应位置。进一步地，多轴机械手20上还设有用于检测真空吸盘的真空度的真空检测传感器22以及用于扫描蓝宝石料盒33中物料状态的激光扫描传感器23。
更进一步地，所述激光打标头42上还设有用于识别蓝宝石片60种类并定位的CCD定位系统43，蓝宝石片夹具51位于激光打标头42和CCD定位系统43的有效工作范围内；步骤3）中，CCD定位系统43识别蓝宝石片夹具51上的蓝宝石片60种类并定位，激光打标头42根据CCD定位系统43识别的蓝宝石片60种类及定位信息设定激光标刻的图案、加工路径以及激光器工艺参数。
更进一步地，步骤4）中，标刻完成后，CCD定位系统43检测蓝宝石片60状态，若有碎裂则异常报警，若无则通知多轴机械手20将标刻完成后的蓝宝石片60取放至原蓝宝石料盒33中；多轴机械手20在蓝宝石料盒33与蓝宝石片夹具51之间循环取放蓝宝石片60，将蓝宝石料盒33中待标刻的蓝宝石片60取放到蓝宝石片夹具51上，再将蓝宝石片夹具51上标刻完的蓝宝石片60取放到蓝宝石料盒33中相应位置上，直至上料平台30上所有的蓝宝石料盒33中状态正常的蓝宝石片60都完成标刻，状态异常的蓝宝石片60则跳过并记录层数。所有蓝宝石片60标刻完成后，通知人工或机械手取走蓝宝石料盒33，并上传标刻信息。
采用本实施例提供的方法在蓝宝石片表面标刻图案，如图7和图8所示，可以看出标刻的图案清晰，且未对蓝宝石表面造成破损。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将蓝宝石片放置在蓝宝石片夹具上，使需要标刻图案的一面朝上并面对激光光源；
2）调整激光打标头至蓝宝石片表面的距离，使激光器发出的光束经高倍扩束镜、振镜和短焦距透镜后作用至蓝宝石片表面的光斑大小为80um±15um；
3）设定激光标刻的图案、加工路径以及激光器工艺参数；
4）采用激光打标头对蓝宝石片表面进行标刻，同时采用烟雾净化器抽走打标烟。
2.如权利要求1所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：步骤1）中，将蓝宝石片放置在蓝宝石片夹具上时，同时使蓝宝石片标刻区域的下方避空。
3.如权利要求1所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：标刻采用的激光器为10.6um波长的CO2激光发生器。
4.如权利要求1所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：标刻时，激光峰值功率为8-12W，频率为10-20KHz，速度为50-100mm/s。
5.如权利要求1所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：标刻时，最小线宽为80-100um。
6.如权利要求1所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：所述激光打标头安装于调焦机构上，步骤2）中，通过调焦机构调整激光打标头至蓝宝石片表面的距离。
7.如权利要求1所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：所述蓝宝石片夹具和所述激光打标头均设置于机柜上，所述机柜上还设有多轴机械手和用于放置蓝宝石料盒的上料平台；步骤1）中，通过多轴机械手将上料平台上的蓝宝石料盒中的蓝宝石片取放到所述蓝宝石片夹具上。
8.如权利要求7所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于，通过多轴机械手将上料平台上的蓝宝石料盒中的蓝宝石片取放到所述蓝宝石片夹具上的具体方法如下：
先将装有蓝宝石片的蓝宝石料盒放置到上料平台上的蓝宝石料盒定位夹具上，并压紧蓝宝石料盒；
接着，采用多轴机械手带动激光扫描传感器扫描蓝宝石料盒中的物料状态并记录，若状态正常则进行下一步，若状态异常则跳过并记录层数；
然后，多轴机械手带动激光扫描传感器扫描蓝宝石片夹具上是否有蓝宝石片，若有则异常报警，若无则进行下一步；
最后，多轴机械手根据物料状态依层取蓝宝石料盒中的蓝宝石片，然后放置到蓝宝石片夹具上。
9.如权利要求8所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：所述激光打标头上还设有CCD定位系统；步骤3）中，CCD定位系统识别蓝宝石片夹具上的蓝宝石片种类并定位，激光打标头根据CCD定位系统识别的蓝宝石片种类及定位信息设定激光标刻的图案、加工路径以及激光器工艺参数。
10.如权利要求9所述的一种蓝宝石激光标刻工艺方法，其特征在于：步骤4）中，标刻完成后，CCD定位系统检测蓝宝石片状态，若有碎裂则异常报警，若无则通知多轴机械手将标刻完成后的蓝宝石片取放至原蓝宝石料盒中；多轴机械手在蓝宝石料盒与蓝宝石片夹具之间循环取放蓝宝石片，直至上料平台上所有的蓝宝石料盒中状态正常的蓝宝石片都完成标刻，状态异常的蓝宝石片则跳过并记录层数。
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