CN112958906A - 一种适用于AlN板材的激光加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于AlN板材的激光加工装置，包括加工单元和酸洗单元，其中，加工单元包括激光器、基体、盖板、石英玻璃、气体检测仪；酸洗单元包括酸洗瓶、加热器、洗气瓶。本发明还提供一种适用于AlN板材的激光加工方法，将待加工板材设置于基体内，装配好盖板；再设置激光器的参数；然后向基体的内腔通入氩气；打开激光器，激光器发出激光束至待加工板材表面，纳秒激光照射待加工区域使其实现金属化；向酸洗瓶中加入盐酸，并加热；将待加工板材放入酸洗瓶中浸泡，以去除表面金属层；通过建模优化的方法，根据AlN板材的加工深度和表面平整度，逐步减少激光功率，调整激光扫描速度和光斑直径，直至加工满足设计需求，清洗加工后板材。

Description

一种适用于AlN板材的激光加工装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种适用于AlN板材的激光加工装置及方法。
背景技术
随着激光器件的发展，越来越多的工件采用了激光加工的方式，激光加工具有高能量密度、无切削力、与控制系统结合可以加工各种复杂形状和热影响区小等优点，可以加工许多传统加工无法或难以加工的超硬材料和脆性材料，而成本相较于其他加工方式要低很多，经济性好。同时在生产过程中，有的激光加工需要气体加速反应，提高加工效率，而有的则需要气体保护，以提高工件加工质量，减少过烧挂渣现象，这些都需要恒定的气体环境。
现有的激光加工气体保护装置大多采用侧吹式，这种装置不仅不能提供稳定的气体加工环境，还会造成气体的大量浪费，甚至污染环境，本发明中的封闭式激光加工气体保护装置通过胶圈、垫片等密封装置实现了封闭气室；使用JGS3玻璃，在实现高透过率的同时，具有耐高温耐高压、低反射率的特点，安全可靠；通过调压阀和接头的可更换实现了较高的使用灵活性；通过四合一气体检测仪实现了对气室内气体浓度的检测。
对AlN(氮化铝)板材进行金属化之后，需要去除其表面金属以进行下一次激光加工，而常用的铣削方法不仅会产生二次装夹的误差，同时也会产生刀具成本。
因此，如何改变现有技术中，AlN板材加工过程中易产生二次装夹误差的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于AlN板材的激光加工装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，避免二次装夹误差，降低加工成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于AlN板材的激光加工装置，包括：
加工单元，所述加工单元包括激光器、基体、盖板、石英玻璃、气体检测仪，所述基体的内腔能够容纳待加工板材，所述基体的顶部开口，所述盖板为框架结构，所述石英玻璃固定于所述盖板上，所述盖板位于所述基体的顶部，所述盖板与所述基体可拆卸连接，所述盖板与所述基体之间设置密封元件，所述激光器位于所述石英玻璃的顶部，所述激光器能够发出激光束并处理待加工板材，所述基体的内腔与外部保护气源相连通，所述气体检测仪与所述基体的内腔相连通，所述气体检测仪能够监测所述基体内腔的压力、气体浓度；
酸洗单元，所述酸洗单元包括酸洗瓶、加热器、洗气瓶，所述加热器与所述酸洗瓶相连，所述加热器能够对所述酸洗瓶加热，所述酸洗瓶中能够容纳盐酸溶液，所述酸洗瓶内能够容纳待加工板材，所述酸洗瓶连接有洗气瓶，所述洗气瓶能够吸收酸性气体。
优选地，所述加工单元还包括升降台，所述升降台设置于所述基体的底部，所述升降台与所述基体可拆卸连接，所述升降台能够带动所述基体沿竖直方向往复运动，所述升降台为剪叉式升降台。
优选地，所述基体连接有气瓶，所述气瓶内能够容纳保护气体，所述气瓶与所述基体的内腔相连通。
优选地，所述气瓶利用通气管与所述基体的内腔相连通，所述通气管与利用气动快速接头与所述基体的内腔相连通，所述气动快速接头与所述基体相连通处设置有单向阀。
优选地，所述基体还连接有调压阀，所述调压阀能够令所述基体的内腔与外部环境相连通。
优选地，所述盖板与所述基体螺栓连接，所述盖板具有安装凹槽，所述石英玻璃利用玻璃胶固定于所述安装凹槽中。
优选地，所述酸洗单元还包括保护瓶，所述保护瓶位于所述酸洗瓶与所述洗气瓶之间，所述酸洗瓶利用所述保护瓶与所述洗气瓶相连通。
优选地，所述加热器位于所述酸洗瓶的底部。
本发明还提供一种适用于AlN板材的激光加工方法，利用上述的适用于AlN板材的激光加工装置，包括如下步骤：
步骤一、将待加工板材设置于基体内，装配好盖板；
步骤二、设置激光器的参数；向基体的内腔通入氩气；
步骤三、打开激光器，激光器发出激光束至待加工板材表面；
步骤四、向酸洗瓶中加入盐酸，并加热；
步骤五、将待加工板材放入酸洗瓶中浸泡，以去除表面金属层；
步骤六、通过建模优化的方法，根据AlN板材的加工深度和表面平整度，逐步减少激光功率，调整激光扫描速度和光斑直径，直至加工满足设计需求，清洗加工后板材。
优选地，步骤二中，基体内腔中的氩气浓度达到95％以上，基体内腔中压力达到0.4MPa时，停止通入氩气；步骤四中，将盐酸加热至70℃；步骤五中，将待加工板材放入酸洗瓶中浸泡5min。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的适用于AlN板材的激光加工装置，包括加工单元和酸洗单元，其中，加工单元包括激光器、基体、盖板、石英玻璃、气体检测仪，基体的内腔能够容纳待加工板材，基体的顶部开口，盖板为框架结构，石英玻璃固定于盖板上，盖板位于基体的顶部，盖板与基体可拆卸连接，盖板与基体之间设置密封元件，激光器位于石英玻璃的顶部，激光器能够发出激光束并处理待加工板材，基体的内腔与外部保护气源相连通，气体检测仪与基体的内腔相连通，气体检测仪能够监测基体内腔的压力、气体浓度；酸洗单元包括酸洗瓶、加热器、洗气瓶，加热器与酸洗瓶相连，加热器能够对酸洗瓶加热，酸洗瓶中能够容纳盐酸溶液，酸洗瓶内能够容纳待加工板材，酸洗瓶连接有洗气瓶，洗气瓶能够吸收酸性气体。本发明还提供一种适用于AlN板材的激光加工方法，将待加工板材设置于基体内，装配好盖板；再设置激光器的参数；然后向基体的内腔通入氩气；打开激光器，激光器发出激光束至待加工板材表面，纳秒激光照射待加工区域使其实现金属化；向酸洗瓶中加入盐酸，并加热；将待加工板材放入酸洗瓶中浸泡，以去除表面金属层；通过建模优化的方法，根据AlN板材的加工深度和表面平整度，逐步减少激光功率，调整激光扫描速度和光斑直径，直至加工满足设计需求，清洗加工后板材。本发明利用基体提供封闭气体保护，保证了稳定的气体氛围，同时避免了氩气的大量浪费，并利用酸洗单元去除金属化层，避免了AlN反应后的生成物附着在表面导致激光加工精度的下降，同时避免了铣削加工的刀具成本和二次装夹误差，提高了加工效率，降低了加工成本。
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他的附图。
图1为本发明的适用于AlN板材的激光加工装置的加工单元的示意图；
图2为本发明的适用于AlN板材的激光加工装置的酸洗单元的示意图；
图3为本发明的适用于AlN板材的激光加工方法的流程图；
其中，100为加工单元，200为酸洗单元，1为激光器，2为基体，3为盖板，4为石英玻璃，5为气体检测仪，6为酸洗瓶，7为加热器，8为洗气瓶，9为升降台，10为气瓶，11为通气管，12为气动快速接头，13为单向阀，14为调压阀，15为保护瓶。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种适用于AlN板材的激光加工装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，避免二次装夹误差，降低加工成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-3，其中，图1为本发明的适用于AlN板材的激光加工装置的加工单元的示意图，图2为本发明的适用于AlN板材的激光加工装置的酸洗单元的示意图，图3为本发明的适用于AlN板材的激光加工方法的流程图。
本发明提供一种适用于AlN板材的激光加工装置，包括：
加工单元100，加工单元100包括激光器1、基体2、盖板3、石英玻璃4、气体检测仪5，基体2的内腔能够容纳待加工板材，基体2的顶部开口，盖板3为框架结构，石英玻璃4固定于盖板3上，盖板3位于基体2的顶部，盖板3与基体2可拆卸连接，盖板3与基体2之间设置密封元件，激光器1位于石英玻璃4的顶部，激光器1能够发出激光束并处理待加工板材，基体2的内腔与外部保护气源相连通，气体检测仪5与基体2的内腔相连通，气体检测仪5能够监测基体2内腔的压力、气体浓度；
酸洗单元200，酸洗单元200包括酸洗瓶6、加热器7、洗气瓶8，加热器7与酸洗瓶6相连，加热器7能够对酸洗瓶6加热，酸洗瓶6中能够容纳盐酸溶液，酸洗瓶6内能够容纳待加工板材，酸洗瓶6连接有洗气瓶8，洗气瓶8能够吸收酸性气体。
使用本发明的适用于AlN板材的激光加工装置时，将待加工板材设置于基体2内，装配好盖板3；再设置激光器1的参数；然后向基体2的内腔通入氩气；打开激光器1，激光器1发出激光束至待加工板材表面，纳秒激光照射待加工区域使其实现金属化；向酸洗瓶6中加入盐酸，并加热；将待加工板材放入酸洗瓶6中浸泡，以去除表面金属层；重复步骤三至步骤五，直至加工满足设计需求，清洗加工后板材。本发明利用基体2提供封闭气体保护，保证了稳定的气体氛围，同时避免了氩气的大量浪费，同时利用酸洗单元200去除金属化层，避免了AlN反应后的生成物附着在表面导致激光加工精度的下降，同时避免了铣削加工的刀具成本和二次装夹误差，提高了加工效率，降低了加工成本。
其中，加工单元100还包括升降台9，升降台9设置于基体2的底部，升降台9与基体2可拆卸连接，升降台9能够带动基体2沿竖直方向往复运动，利用升降台9能够带动基体2上下运动，以便调整基体2的高度，从而达到调整待加工板材与激光器1之间的距离，升降台9为剪叉式升降台，实际生产中还可以采用其它形式升降结构。
为了便于保护气体输送，基体2连接有气瓶10，气瓶10内能够容纳保护气体，气瓶10与基体2的内腔相连通，气瓶10设置开关，便于控制。
在本具体实施方式中，气瓶10利用通气管11与基体2的内腔相连通，通气管11与利用气动快速接头12与基体2的内腔相连通，保证通气管11与基体2快速连接，气动快速接头12可选择的型号包括PC12-01、PC12-02、PC12-03、PC12-04，气动快速接头12与基体2相连通处设置有单向阀13，避免气体倒流。
具体地，基体2还连接有调压阀14，调压阀14能够令基体2的内腔与外部环境相连通，便于控制基体2内腔中的压力，保证加工顺利进行。
另外，盖板3与基体2螺栓连接，连接牢固，拆装方便，盖板3具有安装凹槽，石英玻璃4利用玻璃胶固定于安装凹槽中，保证连接密封性，石英玻璃4采用JGS3玻璃，具备高透过率的同时具有耐高温、耐高压和低反射率的特性；盖板3与基体2之间的密封元件为硅胶材质，内部有4个R5的圆角，外部有4个R2的圆角，起到保护石英玻璃4和密封的作用。
与此同时，酸洗单元200还包括保护瓶15，保护瓶15位于酸洗瓶6与洗气瓶8之间，酸洗瓶6利用保护瓶15与洗气瓶8相连通。酸洗瓶6的瓶盖具有出气口，酸洗瓶6利用出气口与保护瓶15相连通，保护瓶15与洗气瓶8相连通，洗气瓶8中长管进短管出，洗气瓶8能够容纳水，用于吸收酸性气体，保护瓶15中短管进长管出，防止水回流至酸洗瓶6中，提高酸洗单元200的安全可靠性。
在本具体实施方式中，加热器7位于酸洗瓶6的底部，提高加热均匀度。
进一步地，本发明还提供一种适用于AlN板材的激光加工方法，利用上述的适用于AlN板材的激光加工装置，包括如下步骤：
步骤一、将待加工板材设置于基体2内，待加工板材为AlN材质，尺寸为60mm×60mm×5mm，装配好盖板3；
步骤二、设置激光器1的控制参数，激光器可以选用IPG Photonics公司生产、型号为YLP-1/100/20的脉冲掺镱激光器，激光功率20W、加工速度5mm/s、频率20kHz、光斑大小为50μm、扫描间隔50μm；在激光器1控制界面绘制四个长方体槽，长方体槽的尺寸为40mm×5mm，深度为3mm，相邻槽的间隔为5mm，居中排布；向基体2的内腔通入氩气，当气体检测仪5检测到氩气浓度达到95％以上，基体2内压力达到0.4MPa时，关闭气瓶10；
步骤三、打开激光器1，激光器1发出激光束至待加工板材表面；
步骤四、向酸洗瓶6中加入盐酸150ml，并加热至70℃；
步骤五、将待加工板材放入酸洗瓶6中浸泡5min，以去除表面金属层；
步骤六、重复步骤三至步骤五；
步骤七、将激光功率改为15W，激光扫描速度调整为10mm/s，光斑直径改为20μm；此处激光器1的激光功率以及步骤二中的激光功率均为峰值功率；
步骤八、重复步骤三和步骤五；
步骤九、使用超声清洗机清洗工件，清洗时间为3min。
本发明将工件放入通有氩气的封闭的基体2中并固定，使用纳秒激光照射加工区域使其实现金属化，再利用酸洗单元200去除表面的金属层，直至满足加工要求，不仅成本极低，避免了二次装夹误差，在去除金属层的同时，还配备了可以吸收酸性气体的洗气瓶8，避免酸性气体对操作人员造成伤害。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于，包括：
加工单元，所述加工单元包括激光器、基体、盖板、石英玻璃、气体检测仪，所述基体的内腔能够容纳待加工板材，所述基体的顶部开口，所述盖板为框架结构，所述石英玻璃固定于所述盖板上，所述盖板位于所述基体的顶部，所述盖板与所述基体可拆卸连接，所述盖板与所述基体之间设置密封元件，所述激光器位于所述石英玻璃的顶部，所述激光器能够发出激光束并处理待加工板材，所述基体的内腔与外部保护气源相连通，所述气体检测仪与所述基体的内腔相连通，所述气体检测仪能够监测所述基体内腔的压力、气体浓度；
酸洗单元，所述酸洗单元包括酸洗瓶、加热器、洗气瓶，所述加热器与所述酸洗瓶相连，所述加热器能够对所述酸洗瓶加热，所述酸洗瓶中能够容纳盐酸溶液，所述酸洗瓶内能够容纳待加工板材，所述酸洗瓶连接有洗气瓶，所述洗气瓶能够吸收酸性气体。
2.根据权利要求1所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于：所述加工单元还包括升降台，所述升降台设置于所述基体的底部，所述升降台与所述基体可拆卸连接，所述升降台能够带动所述基体沿竖直方向往复运动，所述升降台为剪叉式升降台。
3.根据权利要求1所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于：所述基体连接有气瓶，所述气瓶内能够容纳保护气体，所述气瓶与所述基体的内腔相连通。
4.根据权利要求3所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于：所述气瓶利用通气管与所述基体的内腔相连通，所述通气管与利用气动快速接头与所述基体的内腔相连通，所述气动快速接头与所述基体相连通处设置有单向阀。
5.根据权利要求1所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于：所述基体还连接有调压阀，所述调压阀能够令所述基体的内腔与外部环境相连通。
6.根据权利要求1所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于：所述盖板与所述基体螺栓连接，所述盖板具有安装凹槽，所述石英玻璃利用玻璃胶固定于所述安装凹槽中。
7.根据权利要求1所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于：所述酸洗单元还包括保护瓶，所述保护瓶位于所述酸洗瓶与所述洗气瓶之间，所述酸洗瓶利用所述保护瓶与所述洗气瓶相连通。
8.根据权利要求7所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于：所述加热器位于所述酸洗瓶的底部。
9.一种适用于AlN板材的激光加工方法，利用权利要求1-8所述的适用于AlN板材的激光加工装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将待加工板材设置于基体内，装配好盖板；
步骤二、设置激光器的参数；向基体的内腔通入氩气；
步骤三、打开激光器，激光器发出激光束至待加工板材表面；
步骤四、向酸洗瓶中加入盐酸，并加热；
步骤五、将待加工板材放入酸洗瓶中浸泡，以去除表面金属层；
步骤六、通过建模优化的方法，根据AlN板材的加工深度和表面平整度，逐步减少激光功率，调整激光扫描速度和光斑直径，直至加工满足设计需求，清洗加工后板材。
10.根据权利要求9所述的适用于AlN板材的激光加工方法，其特征在于：步骤二中，基体内腔中的氩气浓度达到95％以上，基体内腔中压力达到0.4MPa时，停止通入氩气；步骤四中，将盐酸加热至70℃；步骤五中，将待加工板材放入酸洗瓶中浸泡5min。
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