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红外激光切割蓝宝石的实验研究

        自1960年第一台蓝宝石激光器诞生至今,人们对激光技术的研究就从未停住。激光在很多种差不多领域的研究得到了迅猛进展,独特是在激光出产领域最为活跃。激光使应用产业领域已有近20年的历程,对人类社会进展产生了巨大的推动效果,其深度和广度都已经达到了前所未有的品质。

        随着最新科学的进展,微纳出产技术、微机电(MEMS)技术使用日趋广泛,为了适应最新技术的产业化进展,满足激光出产领域的需要,激光微细生产得到了越来越广泛的使用。激光生产技术是涉及光、机、电、材料及检测等多门学科的一种综合技术,作为激光生产技术的一个分支,越来越遭到广泛的关切。激光微生产以精细、快速、精准的特点著称,通过与数控技术相结合使应用汽车产业、航空产业、计算机芯片以及太阳能等领域,可用激光进行切割、划线、拼合、钻孔、打标、雕刻、印刷等,且潜力巨大。

        近年来,电话成为人们不行或缺的产品,产业之间也存在着很多种竞争,不休创新成为产业保留的砝码。电话HOME键就是产业的创新点之一。目前,HOME键大多采用蓝宝石材料,原理在于蓝宝石拥有高强度、不错的绝缘性、高耐磨性、合格的热导率以及化学特点安靖的特点。由于电话HOME键需求精度很高,厚度也有必然的限定,因此需要对其进行切割。传统的机械生产办法容易产生废屑、崩边、裂纹等不良迹象,机械触碰式的刀具磨损也会不休增加生产成本,且其速度低下不适合市场需要。

        光纤激光由于拥有合格的光束品质,可将光斑直径聚焦到10左右,所以非常有利于进行激光精细生产。

        光纤激光器是以掺杂稀土元素的光纤做激光介质的一种高品质的波长转换器,即由泵浦激光波长转换为所掺稀土离子的辐射波长。光纤激光精致切割的特点表现为光束品质好、聚焦光斑小、生产品质好、工作速度高以及切割速度快等地方。

        激光切割使用聚焦后的连续或脉冲激光束照射材料表面,使被照射处的材料被高功率密度的激光束加热,瞬间达到熔化、汽化温度或者燃点,与此同步,应用激光束同轴的高速气流将熔融的物质吹出,随着光束与材料的对应移动,材料表面上形成切缝。激光切割示意图如图1所示。

        激光生产系统由激光器、光路系统、机械框架、管制系统(包含电控系统和软件系统)、辅佐系统五大部分构成。如图2所示为激光切割系统示意图,图中实线部分为光路和气路,虚线代表管制线路。

图2 实验所用切割系统示意图

        激光器是激光生产的首要设备,其效果是将电能转变成光能并发出所需要的激光光束应用生产。光学导光系统是激光生产设备的首要构成部分,其效果是引导激光束至工作表面,对激光器输出光束进行整形、均匀、扩束、聚焦和准直,使在生产部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度,同步,瞄准生产部位,显微观看生产流程及生产零件。机械平台系统首要包含多轴位移的机床、工作台及步进电机管制系统,保证激光聚焦定位及移动精度。管制系统应能够调试生产速度及生产路径,并与激光的重复频率配合实现高品质打孔生产。

        激光经过光学系统后会出现能量的衰减,对能量的利用率和切割速度都有直接的影响,所以镜片材料要对所使用波长的激光有尽可能大的透过率,一般抉择镀膜的镜片来增大透过率。为了增大照射到生产材料上的激光能量密度,需要聚焦系统来减小激光的光斑尺寸。

        激光传导流程中,所有的镜片都会由于出产方法或受外界污染等原理导致镜片寿命缩短。其中镜片污染会导致镜片对激光吸收率增加,进而产生光束传播时的功率损耗、聚焦光点位置的偏移及镀膜层的过早损坏,因此维持镜片的清洁非常关键。

        激光切割的品质评价和影响条件

        对于激光热切割生产而言,评价其生产品质首要包含以下几个原则:

        1、切缝光滑、无条纹,没有脆性断裂;

        2、切缝宽度宅,这首要与激光束光斑直径大小有关;

        3、切缝垂直度好,热影响区小;

        4、没有材料燃烧,没有熔化层形成,没有大的熔渣;

        5、接入表面粗糙度,表面粗糙度的大小是衡量激光切割表面品质的关键。

        要获得非常好的表面品质等级,必需对激光功率、切割速度等方法参数进行多次优化处置。一般而言,对拥有差不多特点和厚度的材料,方法参数有一组最棒切割方法参数。在差不多切割方法参数条件下,对于同一厚度的差不多材料,由于物性参数的差不多,也将得出差不多的接入表面品质。除此影响切割品质的条件也有很多,切割材料自身的特点起着至关关键的效果,决定了该材料能否进行激光切割。除了生产材料自身的特点外,还与切割方法参数、光束品质、外光路系统、喷嘴直径和喷嘴与生产材料表面的间距等影响条件有关。综合少量理论研究和实验剖析,可以得到影响激光切割品质的两种首要条件:一类是生产系统特点和激光特点;另一类是生产材料特点和方法参数。

        上面拔取影响激光切割品质的几个首要条件进行剖析:

(1)激光功率

        激光能量是激光切割流程中的首要能量来源,激光功率和切割速度决定了输入到材料上的能量,激光功率的大小会对切割产生关键的影响。当切割速度、辅佐气体压强等其它方法参数一按时,接入宽度随着激光功率的增加呈现一种线性正比干系。激光功率过小会出现切不透,增加功率,则接入宽度增加,端面粗糙度增大,激光切割时希望激光功率尽可能大,可以充分发挥激光器的功率特点,提高品质率。

(2)切割速度

        对给定的材料和激光功率,切割速度一般符合于一个经验式,只要在阈值以上,材料的切割速度与激光功率成正比,即增加功率可以提高切割速度。对于切割蓝宝石而言,在更多方法参数维持不变的现状下,激光切割速度可以有一个对应的调试领域。

        切割速度小,接入宽度大,接入粗糙度大;切割速度大,接入宽度和粗糙度小,超出最棒切割速度后粗糙度缓慢增加。切割速度过高,则接入刮渣较多或切不透;切割速度过低,则材料过烧,接入宽度和热影响区较大。要提高切割品质,当更多方法参数不变时,要优化切割速度。

(3)辅佐气体

        辅佐气体除应用从切割区吹掉熔渣以清除切缝的惰性气体和活性气体,对蓝宝石材料,使用氮气可以起到按捺切割区过度燃烧的效果。

激光切割对辅佐气体的基本需求是气流量要大,以便有足够的氮气与接入材料引发放热反应,并有足够的动力将接入处的熔融材料吹除。高速切割蓝宝石时,增加气体压强可以提高切割速度,防范接入背面产生刮渣。

        当激光功率和切割速度一按时,辅佐气体压强对切割品质有典型影响。相对增加气体压强,由于气体动量增大,除渣能量提高,可使切割速度提高;但压强过大,切割面反而变得粗糙。在切割流程中,氮气中包含的杂质对切割品质造成不良影响,因此氮气的纯度要高。

        我司采用自身开展的红外光纤激光切割机进行蓝宝石切割实验,光纤切割机的技术参数如下表所示:

激光波长

1064nm

非常大功率

20W

生产幅面

160mm×160mm

切割厚度

<0.8mm

定位精度

±3μm

重复精度

±1μm

蓝宝石材料厚度为0.52mm。使用氮气作为辅佐气体,喷嘴直径为0.8mm。

实验首先要在软件中将起刀线的位置设置好,我们通过转变角度θ(起刀线与材料边缘的角度)来转变起刀线的位置,如图3所示。并观看和剖析起刀线位置对切割品质的影响。θ依次拔取15°、30°、45°、60°、75°和90°进行试验,起刀线的长度为0.3mm。起刀线的位置确定好后,再通过管制变量法,研究功率、脉宽、切割速度以及气体对切割品质的影响。

图3 起刀线示意图

        当激光刚照射到蓝宝石材料表面时,将会引发剧烈的反应。为了根除切割开展时的不利影响,在切割正式的图形前添加的一段切割线,即起刀线,也称为辅佐线。起刀线的切入角度也是影响切割品质的关键条件。通过实验发现,当角度为或时,溅射物长度基本根除。

        起刀线设置好后,我们维持脉宽、切割速度以及气压不变,通过调试激光功率来观看激光切割蓝宝石品质的现状。从实际的实验效果得知,能够切透蓝宝石的临界功率为17%。因此我们别离进行了功率为25%、20%、18%及17%的切割实验,实验效果如下图所示:



图a 功率为25%时切割效果图

图b 功率为20%时切割效果图



图c 功率为18%时切割效果图

图d 功率为17%时切割效果图

        由上图可知,随着功率的不休降低,功率为20%时切割效果最棒。能量过高时,热效应大使崩边量变大;能量较小时,有部分熔融物质未被清除。

        然后我们维持功率、脉宽及气体不变,转变切割速度来观看对切割效果的影响。从实际的实验效果得知,切割速度为6mm/s时蓝宝石就能切透。因此我们别离进行了切割速度为6mm/s、8mm/s和10mm/s的实验,实验效果如下图所示:



图e 速度为6mm/s时切割效果图

图f 速度为8mm/s时切割效果图

图g 速度为10mm/s时切割效果图

        从上图可知,随着切割速度的不休增大,切割效果先变好后变差,原理是当达到了临界功率后,如果增大速度伴随着激光功率就会减小导致切割品质遭到影响。

        接着我们维持功率、切割速度及气体不变,转变频率来观看对切割效果的影响。从实际的实验效果得知,重复频率为650Hz时蓝宝石就能切透。因此我们别离进行了重复频率为800Hz、1000Hz和1500Hz的实验,实验效果如下图所示:



图h 频率为800Hz时切割效果图

图i 频率为1000Hz时切割效果图

图j 频率为1500Hz时切割效果图

        从上图可知,在临界频率的基础上增大重复频率,蓝宝石切割效果先变好后变差。由于脉宽是决定切割品质的条件之一,随着频率的不休增大,刮渣量先变小后又增大,综合考虑刮渣的和毛刺量,可以确定频率值为1000Hz。

        最后我们维持功率、切割速度及频率不变,转变氮气气压来观看对切割效果的影响。从实际的实验效果得知,氮气气压为0.5MPa时蓝宝石就能切透。因此我们别离进行了氮气气压为0.6MPa、0.8MPa、0.9Ma和1MPa的实验,实验效果如下图所示:



图k 氮气气压为0.6MPa时切割效果图

图l 氮气气压为0.8MPa时切割效果



图m 氮气气压为0.9MPa时切割效果图

图n 氮气气压为1MPa时切割效果图

        由上图可知,在必然领域内,随着气体压强的增加,崩边量逐渐减少,在1MPa时,基本无崩边,并且刮渣量也很少。随着气压的逐渐增大,燃烧剧烈进行,使蓝宝石熔化量增大,熔融材料被吹走,气压越大,其效果越典型。

        由以上剖析我们可以确定,使用我司的红外光纤激光切割机切割厚度为0.52mm厚的蓝宝石的最棒方法参数为:采用激光功率为4W,重复频率为1000Hz,氮气气压为1MPa和切割速度为8mm/s对蓝宝石进行切割,得到了非常好的宏观形貌。



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