專利名稱：一種硬脆性非金屬材料的激光切割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光材料加工領(lǐng)域，特別屬于硬脆性非金屬材料的激光無損傷切割技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硬脆性非金屬材料是指包括單晶、陶瓷、玻璃等在內(nèi)的大多以共價鍵、離子鍵或兩者混合化學鍵而結(jié)合的物質(zhì)，具有高硬度和高脆性的本征特性。常溫下該類材料對剪切應(yīng)力的變形阻力很大，增加了材料無損傷切割的難度和成本，嚴重阻礙了材料性能的進一步發(fā)揮和推廣應(yīng)用。
硬脆性非金屬材料的傳統(tǒng)切割方法有研磨法、刻蝕法、電加工法、微波加工法和新近發(fā)展起來的激光切割法。其中，相比較其它幾種切割方法，激光切割法已體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，在晶片和陶瓷生片的切割中已有多項專利公開，如中國專利公開號CN1788916A，中國專利公開號CN1853840A，中國專利公開號CN1817603A，中國專利公開號CN1132715C，中國專利公開號CN1355669A，中國專利公開號CN1779914A和日本專利公開號No.3408805等。但現(xiàn)有公開技術(shù)所適應(yīng)材料的種類及切割類型有限，出現(xiàn)裂紋的切割損傷幾率大，切割設(shè)備和工藝流程復雜，如何高效率地實現(xiàn)硬脆性非金屬材料的無損傷切割仍是已有加工方法所面臨的共同問題。
工藝上，激光切割硬脆性非金屬材料的主要方法有多次走刀(multiple-pass)切割法，雙光束(dual-laser)切割法和激光復合切割方法。文獻《Laser cutting of thick ceramic tile》(Optics & Laser Techniology，Vol.29，1997)、《CO2調(diào)Q脈沖激光切割陶瓷材料的試驗研究》(應(yīng)用激光，1998)及《A study of laser cutting engineering ceramics》(Optics & Laser Techniology，Vol.31，1999)等提出的多次走刀切割法，首先以低功率激光多次掃描同一加工路徑，以不斷推進加工深度，至一定厚度后，轉(zhuǎn)而以高功率激光多次走刀完成切割。該方法在提出之際就已被明確指出這是一種犧牲加工時間和效率的切割方法，實際應(yīng)用中更會因每次掃描所產(chǎn)生的熔渣及熱作用累積效應(yīng)，影響下一道照射掃描的效果。文獻《Dual laser beam modification of highalumima ceramics》(Journal of Laser Applications，Vol.15.2003)、《Laser cuttingof thick ceramic substrates by controlled fracture technique》(Journal of MaterialsProcessing Technology，Vol.136，2003)及《Controlled-fracture ofprescoredalumina ceramics using simultaneous CO2laser》(Journal of Laser Applications，Vol.18.2006)提出的雙光束切割，先以一聚焦光束對材料進行劃片行為，再跟隨以另一未聚焦光束，對劃片路徑施以熱應(yīng)力作用，引導裂紋擴展以達到切割目的。引導裂紋擴展的可控制性較差，雙光束追蹤易產(chǎn)生熱效應(yīng)的疊加與累積，因此，該方法實現(xiàn)無損傷切割幾率較低，尤其在曲線和角切割中很難達到無裂紋的效果。激光復合切割技術(shù)是現(xiàn)有激光切割技術(shù)與一些傳統(tǒng)切割技術(shù)的疊加與綜合，從工藝上說，沒有創(chuàng)新之處，工藝流程及設(shè)備體系也較復雜，大多針對某一特定加工對象進行復合設(shè)計，難以得到推廣及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無需附加機械外力，高效率實現(xiàn)硬脆性非金屬材料無損傷切割的激光加工方法，該方法可應(yīng)用于多種硬脆性非金屬材料，工藝重復性高，可實現(xiàn)包括平面和曲面等多種加工面的無損傷切割，實現(xiàn)包括直線、圓及異型線徑等單元的無損傷切割。
為達到所述目的，首先采用激光在材料上打出一個通孔，以確定最高峰值功率；在保持一定峰值功率的前提下引入占空比，以此達到既能保證通孔密排切割所需的高峰值功率，同時又能以較低的激光平均輸出功率減少激光照射區(qū)域的熱積累效應(yīng)；然后配合較快的打孔速度，沿加工路徑打出一系列孔邊界相銜接或相疊加的通孔，通孔孔徑為0.05～0.65mm，孔隙間距為0.05～0.2mm，此種通孔密排的切割方式可進一步削弱由于激光束在同一加工處停留引起的熱積累問題；同時配合選擇合適的輔助氣氛及氣壓，達到迅速吹去切口熔渣或反應(yīng)生成薄且致密隔離層的目的，實現(xiàn)材料與母材的無損傷切斷。在完成沿切割路徑通孔密排切割程序后，若切口出現(xiàn)熔渣粘滯，可針對不同材料采用平均功率為500～2000W的激光束以連續(xù)輸出方式，沿已切割路徑進行快速掃描照射，使所需切除部分無損傷地脫離切割件母材。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的將聚焦后的激光束以0.05～0.5s的打孔時間在材料上打一個通孔，以打通孔的功率值確定出切割峰值功率為500～4000W；
保持500～4000W峰值功率不變，采用4～50％的占空比，按平均輸出功率＝峰值功率×占空比的關(guān)系，獲得20～2000W激光平均輸出功率，以此減少切割過程中因激光連續(xù)輸出引起加工點嚴重的熱積累效應(yīng)，進而削弱因熱積累造成的熱應(yīng)力集中，抑制裂紋產(chǎn)生。
激光束或工件以100～500mm/min的移動速度，沿加工路徑進行激光打通孔密排切割；所述激光打通孔密排切割是指在上述的激光功率、占空比和光束或工件移動速度的工藝條件下，以0.05～0.2mm的打孔間距，沿加工路徑打出一系列孔徑為0.05～0.65mm的通孔，通孔邊界彼此相接或相疊加，以此進行通孔密排切割，完成材料的切斷；切割過程中選用壓力為1×105～5×105Pa的輔助氣體，輔助氣體的使用可以冷卻材料及吹除熔渣；可與加工件發(fā)生放熱反應(yīng)，產(chǎn)生熱量輔助激光切割；可迅速在切割面形成薄且致密反應(yīng)層，阻止熔渣產(chǎn)生，便于切割件無損傷脫離母材。按照所切割材料的性質(zhì)及輔助氣體所發(fā)揮作用的不同，輔助氣體可采用N2、O2、惰性氣體及壓縮空氣之一。
完成沿切割路徑通孔密排切割程序后，當切口出現(xiàn)熔渣粘滯時，可采用平均功率為500～2000W的激光束以連續(xù)輸出方式，沿已切割路徑以1000～2000mm/min的速度進行快速掃描照射，切割件無損傷脫離母材。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明適用范圍廣，可進行包括平面、曲面等多種加工面的無損傷切割，可進行起始于加工面任一點的直線、曲線、直角、銳角、鈍角及圓等多種路徑的無損傷切割，可實現(xiàn)硬脆性非金屬材料的三維無損傷切割。
2.加工時間短，通孔打孔時間為0.05～0.5s，切割時激光束及工件的移動速度可達500mm/min。
3.激光切割工藝參數(shù)可實行數(shù)字化控制，切割件的完成無需附加機械外力作用，切割輔助氣體更換方便，簡化工藝流程和裝備。
4.本發(fā)明的工藝方法適合于包括單晶、陶瓷、玻璃、水泥等廣義范疇的硬脆性非金屬材料。
具體實施例方式
將聚焦后的激光束以0.05～0.5s的打孔時間在材料上打一個能通過激光的通孔，以確定切割用峰值功率；然后引入占空比4％～50％，在保持700～4000W峰值功率不變的前提下降低激光平均功率，激光束或工件以100～500mm/min的移動速度，按0.05～0.2mm的打孔間距，沿加工路徑進行激光打通孔密排切割，通孔的孔徑為0.05～0.65mm。完成沿切割路徑通孔密排打孔程序后，如切口出現(xiàn)熔渣粘滯，可采用平均功率為500～2000W的激光束以連續(xù)輸出方式，沿已切割路徑進行快速照射掃描，以使切割件無損傷脫離母材。切割過程選用壓力為1×105～5×105Pa的N2、O2、惰性氣體及壓縮空氣等高速氣流作為輔助氣體，起到冷卻材料、吹除熔渣及快速反應(yīng)形成薄而致密隔離層的作用。
實施例1將聚焦后的激光束以0.1s的打孔時間在單晶硅片上打一個能通過激光的通孔，確定切割峰值功率為1750W；引入4％的占空比，在1750W峰值功率不變的前提下，激光束或工件以100mm/min的移動速度，按0.65mm的打孔間距，沿圓形加工路徑進行激光打通孔密排切割，通孔孔徑為0.05mm；完成沿切割路徑通孔密排打孔程序后，切割件即可無損傷脫離母材，不需采用激光進行照射速掃，切割過程選用壓力為1×105Pa的壓縮空氣作為輔助氣體，所加工單晶硅片的切割面及硅片表面均干凈無熔渣，無毛刺，無裂紋。
實施例2將聚焦后的激光束以0.05s的打孔時間在氧化鋁板上打一個能通過激光的通孔，確定切割峰值功率為700W；引入10％的占空比，在700W峰值功率不變的前提下，激光束或工件以200mm/min的移動速度，按0.1mm的打孔間距，沿直線、曲線、圓形等加工路徑進行激光打通孔密排切割，通孔孔徑為0.3mm，通孔密排完成后，切縫邊緣略有熔渣，采用平均功率為800W的激光束以連續(xù)輸出方式，沿已切割路徑以1000mm/min的速度進行快速掃描照射，切割件無損傷脫離母材，切割過程選用壓力為2×105Pa的N2作為輔助氣體；在氧化鋁板上實現(xiàn)了包括直線、曲線、直角、銳角等的無裂紋切割。
實施例3將聚焦后的激光束以0.1s的打孔時間在熔融石英上打一個能通過激光的通孔，確定切割峰值功率為2000W；引入20％的占空比，在2000W峰值功率不變的前提下，以500mm/min的切割速度，按0.2mm的打孔間距，沿直線、曲線等加工路徑進行激光打通孔密排切割，通孔孔徑為0.65mm；通孔密排完成后，切割件與母材略有粘連，采用平均功率為2000W的激光束以連續(xù)輸出方式，沿已切割路徑以2000mm/min的速度進行快速掃描照射，切割件無損傷脫離母材；切割過程選用壓力為5×105Pa的Ar作為輔助氣體；在厚度為8mm的熔融石英上實現(xiàn)了割縫邊緣垂直度好的直角、曲線、銳角等無損傷切割。
實施例4將聚焦后的激光束以0.5s的打孔時間在筒狀氮化硅的側(cè)壁上打一個能通過激光的通孔，確定切割峰值功率為4000W；引入50％的占空比，在4000W峰值功率不變的前提下，以140mm/min的切割速度，按0.05mm的打孔間距，沿曲線加工路徑進行激光打通孔密排切割，通孔孔徑為0.1mm；通孔密排完成后，切割件與母材略有粘連，采用平均功率為500W的激光束以連續(xù)輸出方式，沿已切割路徑以1200mm/min的速度進行快速掃描照射，切割件無損傷脫離母材；切割過程選用壓力為4×105Pa的O2作為輔助氣體，O2在切割過程中可與Si發(fā)生反應(yīng)，迅速生成一層薄而致密的SiO2，阻止熔渣產(chǎn)生，有利于非平面切割件無損傷脫離母材。
權(quán)利要求
1.一種硬脆性非金屬材料的激光切割方法，其特征在于，它包括以下步驟(1)、將聚焦后的激光束以0.05～0.5s的打孔時間在材料上打一通孔，以打通孔的功率值確定出切割峰值功率為500～4000W；(2)、保持500～4000W峰值功率不變，采用4～50％的占空比，獲得20～2000W的激光平均輸出功率；(3)、激光束按上述功率條件，以100～500mm/min的切割速度，0.05～0.2mm的打孔間距，沿加工路徑打出一系列孔徑為0.05～0.65mm的通孔，通孔邊界彼此相接或相疊加，以此進行通孔密排切割，完成材料的切斷；在整個切割過程中，采用壓力為1×105～5×105Pa輔助氣體，輔助氣體為N2、O2、惰性氣體及壓縮空氣之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬脆性非金屬材料的激光切割方法，其特征在于，完成沿切割路徑通孔密排切割程序后，當切口出現(xiàn)熔渣粘滯時，采用平均功率為500～2000W的激光束以連續(xù)輸出方式，沿已切割路徑以1000～2000mm/min的速度進行快速掃描照射，切割件無損傷脫離母材。
全文摘要
一種硬脆性非金屬材料的激光無損傷切割方法屬于激光材料加工領(lǐng)域。傳統(tǒng)加工方法對硬脆性材料的無損傷切割難度極大。該方法特征在于將聚焦激光束在0.05～0.5s的時間內(nèi)在材料上打一個透孔，確定激光峰值功率為700～4000W；采用4％～50％的占空比，在700～4000W峰值功率下，配合壓力為1～5×10
文檔編號B23K35/22GK101077551SQ20071011847
公開日2007年11月28日 申請日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者季凌飛, 鮑勇, 閆胤洲, 蔣毅堅 申請人:北京工業(yè)大學