CN113510393B - 陶瓷工件激光钻孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷工件激光钻孔的方法，这种陶瓷工件激光钻孔的方法，通过挑选皮秒激光器使得激光加工的脉冲宽度为皮秒级别，脉冲宽度为皮秒级别可以保证激光加工时的脉冲峰能量较高，可以在较短的加工时间下实现对陶瓷工件的切割，从而降低激光加工时，边缘热扩散效应，可以避免切割时产生过多的热扩散，从而避免在激光钻孔时产生边缘裂纹的问题。此外，通过绕环加工先得到半成品孔，再在半成品孔上加工得到需要加工的孔，第一次绕环加工容易在半成品孔的边缘处出现边缘裂纹的问题，第二次绕环加工相对于第一次绕环加工热量不易积累，从而得到的孔的边缘不易出现边缘裂纹。

Description

陶瓷工件激光钻孔的方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种陶瓷工件激光钻孔的方法。

背景技术

在即将到来的5G手机应用中，氧化锆陶瓷手机后盖作为5G手机盖板的优势表现为：1.对比与金属，氧化锆陶瓷的电绝缘性不会对电磁信号形成屏蔽，故手机机身可以做成一体化。2.氧化锆陶瓷材料的手感和玻璃十分相似，但氧化锆陶瓷比玻璃要硬很多，莫氏硬度仅次于蓝宝石，所以氧化锆陶瓷机身具有耐磨与耐刮性，且偶尔跌落也不易摔碎。3.手机触感方面则表现为冷却时滑润，发热时温润；故陶瓷机身的用户体验高于玻璃和金属。

现有氧化锆陶瓷手机后盖钻孔的方法都是采用机械加工方法，但由于氧化锆陶瓷硬度非常高，采用机械加工方法在氧化锆陶瓷手机后盖上打孔会产生边缘裂纹的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种陶瓷工件激光钻孔的方法，其可以解决传统机械加工方法钻孔带来的边缘裂纹的问题。

一种陶瓷工件激光钻孔的方法，包括如下步骤：

提供陶瓷工件；

选取皮秒激光器、扩束镜和聚焦镜头，将所述陶瓷工件放置到加工平台上，开启激光设备，调整激光焦距，使得激光焦点始终聚焦于所述陶瓷工件的待加工面；

对所述陶瓷工件进行定位；以及

调整激光工艺参数，记所述需要加工的孔的孔径为R，以(R-ΔL)为加工孔径，控制激光在所述陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，加工出孔径为(R-ΔL)的半成品孔，接着以R为加工孔径，控制激光在所述陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，从而在所述陶瓷工件的待加工面上钻出孔径为R的所述需要加工的孔，所述ΔL为0.005mm～0.03mm。

脉冲激光在陶瓷上打孔时，孔边缘会产生微裂纹和重铸层，这些微裂纹的尖端所形成的应力难于释放，使微裂纹很容易扩展为大裂纹，甚至发生断裂现象。这种陶瓷工件激光钻孔的方法，通过挑选皮秒激光器使得激光加工的脉冲宽度为皮秒级别，脉冲宽度为皮秒级别可以保证激光加工时的脉冲峰能量较高，可以在较短的加工时间下实现对陶瓷工件的切割，从而控制激光热扩散区域，通过绕环加工先得到半成品孔，再在半成品孔上加工得到需要加工的孔，由于激光加工孔的孔径通常较小，容易产生热量积累的问题，第一次绕环加工容易在半成品孔的边缘处出现边缘裂纹的问题，第二次绕环加工相对于第一次绕环加工热量不易积累，从而得到的孔的边缘不易出现边缘裂纹。

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。

其中：

图1为一实施方式的陶瓷工件激光钻孔的方法的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示的一实施方式的陶瓷工件激光钻孔的方法，包括如下步骤：

S10、提供陶瓷工件。

一般来说，陶瓷工件的材料可以为氧化锆陶瓷或氧化铝陶瓷。

本实施方式中，陶瓷工件为厚度为0.25mm～0.85mm的陶瓷手机后壳，陶瓷工件的待加工面可以为陶瓷手机后壳的外表面，也可以为陶瓷手机后壳的内表面。

对于镀膜的陶瓷手机后壳，待加工面为非镀膜面。

在其他的实施方式中，陶瓷工件也可以为其他类型的产品。

一般来说，需要的孔的孔径不大于1mm。

S20、选取皮秒激光器、扩束镜和聚焦镜头，将陶瓷工件放置到加工平台上，开启激光设备，调整激光焦距，使得激光焦点始终聚焦于所述陶瓷工件的待加工面。

优选的，S20还包括如下操作：在将陶瓷工件放置到加工平台上之前，依次用丙酮、酒精、去离子水对陶瓷工件进行超声波清洗，接着干燥。

干燥可以为用无尘布擦干或干燥氮气吹干。

对陶瓷工件进行表面预处理，去除表面污物和油脂，可以防止激光加工后有油脂或者污物残留，导致孔边缘出现发黑的情况。

通过挑选皮秒激光器使得激光加工的脉冲宽度为皮秒级别，脉冲宽度为皮秒级别可以保证激光加工时的脉冲峰能量较高，可以在较短的加工时间下实现对陶瓷工件的切割，从而降低激光加工后的孔边缘热扩散。

而纳秒激光器的脉冲宽度为纳秒级别，其峰能量偏低，采用纳秒激光器加工陶瓷工件时，为了能够切割陶瓷工件，需要较高的功率以及较长的加工时间，从而导致热扩散较高，最终使得加工孔的边缘出现边缘裂纹的问题。

优选的，皮秒激光器的脉冲宽度为8ps～20ps。

具体来说，皮秒激光器为红外皮秒激光器、紫外皮秒激光器或绿光皮秒激光器。

优选的，皮秒激光器为波长为355nm的紫外皮秒激光器。

本实施方式中，激光镜头为焦深大于2mm的254镜头，254镜头的镭射范围为160mm×160mm，扩束镜为6倍扩束镜。

本实施方式中，加工平台为精密加工平台，可电动控制在X轴，Y轴，Z轴三个方向移动，从而可以保证激光焦点始终聚焦于陶瓷工件的待加工面。

在其他的实施方式中，也可以采用普通的加工平台，通过调整激光器、扩束镜和聚焦镜头来保证激光焦点始终聚焦于陶瓷工件的待加工面。

S30、对陶瓷工件进行定位。

具体来说，S30为：选用视野较大的两套CCD视觉装置，分别定位陶瓷工件(陶瓷手机后盖)的左上两条边和右下两条边位置，并给出陶瓷工件的坐标和旋转角度。

CCD视觉装置为电荷耦合元件(Charge coupled Device)，可以称为图像传感器。CCD视觉装置中，相机精度要求在500万以上，主要的作用为定位陶瓷工件中心点，使得激光能准确作用在陶瓷工件所要求的尺寸上。

在其他的实施方式中，也可以采用其他类型的装置来实现陶瓷工件的定位。

S40、调整激光工艺参数，记需要加工的孔的孔径为R，以(R-ΔL)为加工孔径，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，加工出孔径为(R-ΔL)的半成品孔，接着以R为加工孔径，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，从而在陶瓷工件的待加工面上钻出孔径为R的需要加工的孔。

两次绕环加工之间的间距为ΔL，ΔL过大则会导致热量无法释放，绕环加工失去其意义，ΔL过小则会出现熔融等问题。

一般来说，ΔL为0.005mm～0.03mm。

由于激光加工孔的孔径通常较小，容易产生热量积累的问题，第一次绕环加工容易在半成品孔的边缘处出现边缘裂纹的问题，第二次绕环加工相对于第一次绕环加工热量不易积累，从而得到的孔的边缘不易出现边缘裂纹，此外，两次绕环加工还能够解决孔锥度的问题。

一般来说，激光工艺参数包括功率、加工速度、频率、和burst。

功率的大小直接影响到激光的能量，选择合适的功率，对于激光加工尤为重要。

优选的，本实施方式中，功率为7W～10W。

加工速度对激光加工时产生的热扩散有着重要的影响，加工速度快，则导致加工不足，激光无法对陶瓷工件进行切割，加工速度慢，则导致热扩散过多，容易在加工孔的边缘出现边缘裂纹的问题。

优选的，本实施方式中，加工速度为200mm/s～400mm/s。

激光加工的频率越高，则导致单次打出的激光的能量越低，激光加工的频率越低，则导致单次打出的激光的能量越高，单次打出的激光能量越高，越容易出现热积累的问题，而单次打出的激光能量较低，则容易出现激光穿透力不足，无法满足加工需求的问题。

优选的，本实施方式中，频率为200kHz～500kHz。

burst指在每个激光周期内，脉冲波峰的数量，burst值越高，则单次打出的激光的能量越低，burst值越低，则导致单次打出的激光的能量越高。

优选的，本实施方式中，burst为1～3。

本实施方式中，在打标软件中对激光工艺参数进行设置，利用激光拥有的短脉宽、极高的峰值能量以及可设定的激光路径的特点，通过高速振镜控制激光走向和通过加工平台的移动，保证激光焦点始终聚焦在产品的待加工面上。

具体来说，为了进一步减少加工孔的边缘出现的边缘裂纹的问题，本实施方式中，以(R-ΔL)为加工孔径，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，加工出孔径为(R-ΔL)的半成品孔的操作为：

以(R-nΔL)为加工孔径，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，加工出孔径为(R-nΔL)的第n半成品孔；

以(R-(n-1)ΔL)为加工孔径，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，得到孔径为(R-(n-1)ΔL)的第n-1半成品孔；

......

以(R-2ΔL)为加工孔径，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，加工出孔径为(R-2ΔL)的第2半成品孔；以及

以(R-ΔL)为加工孔径，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动进行绕环加工，加工出孔径为(R-ΔL)的半成品孔。

如上所述，加工出孔径为(R-ΔL)的半成品孔的过程中，绕环加工的次数为n，对比相邻的两次绕环加工，加工孔径每次增加ΔL。

n为2～15的整数。

以n为10为例，此时，先以(R-10ΔL)为加工孔径进行绕环加工，接着依次以(R-9ΔL)、(R-8ΔL)、(R-7ΔL)、(R-6ΔL)、(R-5ΔL)、(R-4ΔL)、(R-3ΔL)、(R-2ΔL)和(R-ΔL)为加工孔径进行绕环加工，从而加工出孔径为(R-ΔL)的半成品孔。

优选的，ΔL可以为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。

优选的，n可以为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15。

特别的，ΔL为10μm或20μm，n为10。

通过多次绕环加工，可以进一步解决激光加工过程中的热量积累问题。

优选的，为了避免两次绕环加工时的热量积累，实际加工时，相邻的两次绕环加工之间间隔25ms～150ms。

更优选的，相邻的两次绕环加工之间间隔可以为30ms、40ms、50ms、60ms、70ms、80ms、90ms或100ms。

这里需要指出的是，绕环加工时的功率的范围均为7W～10W。

优选的，S40还包括如下操作：在控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动的同时，以吹气和吸气装置进行吹压缩氮气和吸气。

激光加工的过程中以吹气和吸气装置进行吹压缩氮气和吸气，一方面可以降低激光加工时的热量，降低热扩散的程度，另一方面还可以降低激光加工过程陶瓷工件的变形和粉尘的挥发。

脉冲激光在陶瓷上打孔时，孔边缘会产生微裂纹和重铸层，这些微裂纹的尖端所形成的应力难于释放，使微裂纹很容易扩展为大裂纹，甚至发生断裂现象。这种陶瓷工件激光钻孔的方法，通过挑选皮秒激光器使得激光加工的脉冲宽度为皮秒级别，脉冲宽度为皮秒级别可以保证激光加工时的脉冲峰能量较高，可以在较短的加工时间下实现对陶瓷工件的切割，从而降低激光加工时边缘的热扩散，通过绕环加工先得到半成品孔，再在半成品孔上加工得到需要加工的孔，由于激光加工孔的孔径通常较小，容易产生热量积累的问题，第一次绕环加工容易在半成品孔的边缘处出现边缘裂纹的问题，第二次绕环加工相对于第一次绕环加工热量不易积累，从而得到的孔的边缘不易出现边缘裂纹。

优选的，在完成激光加工后，陶瓷工件经过去离子水超声波清洗，显微镜下观察加工样品外观和测量入光孔、出光孔直径和边缘微裂纹尺寸。

超声波清洗目的为清洗孔边缘的粉尘堆积，便于孔尺寸的测量。在测量出光孔和入光孔直径时，必须保证显微镜放大倍数和焦点统一，微裂纹取裂纹长度最大处。

优选的，当皮秒激光器的脉冲宽度为8ps～20ps时，可以使得微裂纹崩边尺寸小于10μm。

以下为具体实施例。

实施例1

提供厚度为0.41mm的黑色氧化锆陶瓷手机后盖，依次用丙酮、酒精、去离子水对氧化锆陶瓷手机后盖进行超声波清洗，接着用无尘布擦干。

选取波长为355nm、脉冲宽度为15ps的紫外皮秒激光器、6倍扩束镜和镭射范围为160mm×160mm、焦深为2.5mm的254镜头，将清洗干燥后的氧化锆陶瓷手机后盖放置到精密加工平台上，开启激光设备，调整激光焦距，通过控制精密加工平台使激光焦点始终聚焦于氧化锆陶瓷手机后盖的待加工面。

选用视野较大的两套CCD视觉装置，分别定位陶瓷手机后盖的左上两条边和右下两条边位置，并给出氧化锆陶瓷手机后盖的坐标和旋转角度。

在打标软件中对激光工艺参数进行设置，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动，从而在陶瓷工件的待加工面上钻出需要的孔。激光加工的功率为8.6W，加工速度为300mm/s，频率为400kHz，分频为1，burst为3，空跳速度为1600mm/s，填充间距为0.02mm。上述绕环打孔完成后，再采用边框圆内缩10条，每条间距0.01mm的方式镭射来改善出光孔圆度与孔径和毛刺。激光加工时通过高速振镜控制激光走向和通过加工平台的移动，保证激光焦点始终聚焦在氧化锆陶瓷手机后盖的加工孔镭射位置，同时以吹气和吸气装置进行吹压缩氮气和吸气。

激光加工结束后，氧化锆陶瓷手机后盖经过去离子水超声波清洗，显微镜下观察加工样品外观和测量入光孔、出光孔直径和边缘微裂纹尺寸。

本实施例中，氧化锆陶瓷手机后盖的入光孔直径为990μm，出光孔直径为950μm，孔锥度为2.79°，边缘微裂纹尺寸为10μm。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，区别点仅在于陶瓷工件改为厚度为0.41mm的白色氧化锆陶瓷手机后盖。

本实施例中，氧化锆陶瓷手机后盖的入光孔直径为1000μm，出光孔直径为948μm，孔锥度为3.54°，边缘微裂纹尺寸为10μm。

对比例

对比例与实施例1基本相同，区别点仅在于选取波长为355n的紫外纳秒激光器，激光加工功率为7.9W。

本实施例中，氧化锆陶瓷手机后盖的入光孔直径为1006μm，出光孔直径为968μm，孔锥度为3.54°，边缘微裂纹尺寸为40μm。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种陶瓷工件激光钻孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供厚度为0.41mm的黑色氧化锆陶瓷手机后盖，依次用丙酮、酒精、去离子水对氧化锆陶瓷手机后盖进行超声波清洗，接着用无尘布擦干；

选取波长为355nm、脉冲宽度为15ps的紫外皮秒激光器、6倍扩束镜和镭射范围为160mm×160mm、焦深为2.5mm的254镜头，将清洗干燥后的氧化锆陶瓷手机后盖放置到精密加工平台上，开启激光设备，调整激光焦距，通过控制精密加工平台使激光焦点始终聚焦于氧化锆陶瓷手机后盖的待加工面；

选用视野较大的两套CCD视觉装置，分别定位陶瓷手机后盖的左上两条边和右下两条边位置，并给出氧化锆陶瓷手机后盖的坐标和旋转角度；

在打标软件中对激光工艺参数进行设置，控制激光在陶瓷工件的待加工面上绕环运动，从而在陶瓷工件的待加工面上钻出需要的孔；激光加工的功率为8.6W，加工速度为300mm/s，频率为400kHz，分频为1，burst为3，空跳速度为1600mm/s，填充间距为0.02mm；上述绕环打孔完成后，再采用边框圆内缩10条，每条间距0.01mm的方式镭射来改善出光孔圆度与孔径和毛刺；激光加工时通过高速振镜控制激光走向和通过加工平台的移动，保证激光焦点始终聚焦在氧化锆陶瓷手机后盖的加工孔镭射位置，同时以吹气和吸气装置进行吹压缩氮气和吸气；

激光加工结束后，氧化锆陶瓷手机后盖经过去离子水超声波清洗，显微镜下观察加工样品外观和测量入光孔、出光孔直径和边缘微裂纹尺寸。