三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法及裝置制造方法
【專利摘要】三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法及裝置，激光劃槽無法避免在機械施壓的過程中產(chǎn)生的碎屑甚至材料的破裂。本發(fā)明方法包括：將工件通過專用夾具垂直或水平裝夾在工作臺上；調(diào)整激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置，通過調(diào)整兩激光頭的位置和姿態(tài)，保證二路激光束同軸；移動工作臺到加工工位，利用同軸指示光束瞄準(zhǔn)定位工件，將激光焦斑微調(diào)到加工位置；打開光閘使雙側(cè)激光對工件同時進行加工；控制工作臺帶動工件運動，使激光按照預(yù)定軌跡加熱切割三明治結(jié)構(gòu)基板材料，從而達(dá)到所需的加工軌跡；清理加工余料，取下加工表面無裂紋的工件。本發(fā)明用于基板的雙束激光熱裂切割。
【專利說明】 三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過雙束激光對“三明治”結(jié)構(gòu)基板進行切割加工的方法，特別是一種雙束激光對準(zhǔn)工件表面兩側(cè)對應(yīng)位置同時加工工件的方法，本發(fā)明還涉及所使用的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]“三明治”結(jié)構(gòu)基板材料通常是指由三層脆性材料燒結(jié)或鍵合而成，上下表面層為玻璃板，中間層為硅片，可稱為多層脆性材料。材料具有斷裂前變形小、塑性指標(biāo)低、抗拉強度遠(yuǎn)低于抗壓強度的特點。近年來“三明治”結(jié)構(gòu)基板脆性材料已經(jīng)在不同領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是存在加工效率低、加工成本高的技術(shù)問題。因此，開發(fā)出高效、低耗和環(huán)保的多層脆性結(jié)構(gòu)材料切割加工方法將有效提高這類材料的實際應(yīng)用。
[0003]目前，多層脆性材料主要通過機械加工、激光輔助機械加工技術(shù)進行加工，但是這些技術(shù)都存在不足之處:
機械加工:機械加工直接作用于多層材料表面，在材料表面用刀輪劃槽后，在材料表面施加壓力使材料斷裂。但是由于多層脆性結(jié)構(gòu)材料的脆性，使得加工邊緣容易形成裂紋、大的碎屑甚至使材料破裂，極大的降低了材料的表面質(zhì)量，并且其加工成品率低，加工成本較聞。
[0004]激光輔助機械加工:其基本原理是用激光代替刀輪在材料表面劃槽后，在材料表面施加壓力使材料斷裂。與常規(guī)加工方法相比，激光劃槽可提高槽邊緣的加工質(zhì)量，不用考慮刀輪加工后產(chǎn)生的碎屑問題。但其存在兩個難點:其一是在于激光束參數(shù)的控制；其二是這種加工方法還是無法避免在機械施壓的過程中產(chǎn)生的碎屑甚至材料的破裂。
[0005]伴隨著多層脆性結(jié)構(gòu)材料日益廣泛的應(yīng)用，對其制品的加工精度、加工效率和表面質(zhì)量的需求也越來越高，而雙束激光加工方法可以有效的解決這個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可直接加工“三明治”結(jié)構(gòu)基板材料、提高其切割質(zhì)量、提高其切割效率及降低其加工成本的切割方法和切割裝備。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，通過兩側(cè)的激光頭對工件進行同時加熱，熱應(yīng)力使被加工工件斷裂:
將工件通過專用夾具垂直或水平裝夾在工作臺上；
調(diào)整激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置，通過調(diào)整兩激光頭的位置和姿態(tài)，保證二路激光束同軸；
移動工作臺到加工工位，利用同軸指示光束瞄準(zhǔn)定位工件，將激光焦斑微調(diào)到加工位
置；
打開光閘使雙側(cè)激光對工件同時進行加工； 控制工作臺帶動工件運動，使激光按照預(yù)定軌跡加熱切割三明治結(jié)構(gòu)基板材料，從而達(dá)到所需的加工軌跡；
清理加工余料，取下加工表面無裂紋的工件。
[0008]所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，2個所述的激光頭分別調(diào)節(jié)焦距。
[0009]所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，通過所述的微調(diào)保證兩束激光的加工重合度，實現(xiàn)三維定位。
[0010]所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，所述的控制工作臺是依據(jù)目標(biāo)軌跡對三維工作臺選擇合適的運動軌跡并在工作臺所帶的計算機控制系統(tǒng)上編程進行控制。啟動激光發(fā)生器前先運行工作臺進行軌跡往復(fù)運動，使其按預(yù)定運動軌跡程序運行。
[0011]一種三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，其組成包括:激光發(fā)生裝置，工作臺上安裝夾具系統(tǒng)，所述的夾具系統(tǒng)夾緊三明治結(jié)構(gòu)基板材料構(gòu)成的工件，所述的工件夾在激光發(fā)生裝置的兩個激光頭中間。
[0012]所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，所述的激光發(fā)生裝置包括:激光發(fā)生器的激光頭安裝在激光頭托架上，所述的激光頭連接轉(zhuǎn)向裝置，激光光路裝置連接調(diào)整激光光斑的面積調(diào)焦裝置、和保證兩束激光的加工重合度并實現(xiàn)三維方向微調(diào)的微調(diào)裝置，所述的激光光路裝置及所述的激光頭轉(zhuǎn)向裝置通過兩激光頭的同時轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)工件夾在兩激光頭中間。
[0013]所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，所述的激光光路裝置為硬光路或光纖。
[0014]所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，所述的夾具系統(tǒng)的垂直加工夾具體和水平加工夾具體分別通過螺栓安裝在工作臺上，各夾具體分別隨工作臺沿X軸導(dǎo)軌，Y軸導(dǎo)軌，二個方向聯(lián)動。
[0015]所述的三明治結(jié)構(gòu)基板雙束激光的加工裝置，所述的三明治結(jié)構(gòu)基板材料為三層材料，其上下兩層為透光層，中間層為非透光層，且各層材料的切割輪廓相同。
[0016]有益效果:
一、本發(fā)明的基本原理是利用體加熱和面加熱相結(jié)合的激光誘導(dǎo)熱裂切割技術(shù)對“三明治”結(jié)構(gòu)基板進行切割加工。即利用激光加熱“三明治”結(jié)構(gòu)基板材料，“三明治”結(jié)構(gòu)基板的上下表層材料以體吸熱形式吸收激光能量，中間層材料以面吸熱形式吸收激光能量，使材料內(nèi)部在加熱過程中產(chǎn)生較大的溫度梯度，當(dāng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過材料的強度極限時，材料在激光掃描線上產(chǎn)生裂紋，并沿著激光掃描線自然開裂，避免了機械加工中產(chǎn)生的切屑。由于激光能夠穿透“三明治”結(jié)構(gòu)基板的外層材料從而可以對中間層材料進行有效的加工，并且在對材料厚度方向均勻加熱，因此不會在材料表面產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，加工后的材料表面質(zhì)量好，不會降低材料的工藝性能。
[0017]二、本發(fā)明主要針對“三明治”結(jié)構(gòu)基板的切割加工，根據(jù)上述原理利用激光器作為激光發(fā)射源，根據(jù)工件所需的切割能量調(diào)整激光的焦距和激光能量。切割工件時，保證激光輸出端距工件的加工位置距離不變，通過工作臺帶動工件運動，實現(xiàn)二維曲線切割。
[0018]三、本發(fā)明提出的“三明治”結(jié)構(gòu)基板材料的切割加工方法主要有以下優(yōu)點: (1)本發(fā)明提出的雙束激光切割加工“三明治”結(jié)構(gòu)基板材料，實現(xiàn)手段及裝置簡單易行，在不影響工件的工藝性能的前提下，可以實現(xiàn)工件的高質(zhì)量切口表面和高效率的加工，可以保證切口邊緣和工件質(zhì)量；
(2)本發(fā)明提出的加工方法適合于任意平面曲線的切割加工；
(3)本發(fā)明的裝置可以通過控制二維工作臺對被加工工件進行位置定位，微調(diào)裝置可以很好的調(diào)整雙束激光的加工重合度，可通過更換夾具并調(diào)整激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置來實現(xiàn)垂直或水平試件的切割加工。
[0019]四、本發(fā)明提出的三明治結(jié)構(gòu)基板的切割加工裝置主要有以下優(yōu)點:
(1)本發(fā)明所述的激光頭的微調(diào)裝置可以實現(xiàn)激光頭在三維空間上調(diào)整，以保證激光的同軸度；
(2)本發(fā)明所述的激光調(diào)焦裝置可以明確顯示調(diào)整距離，方便重復(fù)調(diào)整及保證重復(fù)精
度；
(3)本發(fā)明所述的工作臺能夠?qū)崿F(xiàn)二維坐標(biāo)運動，工作臺的材料為不銹鋼；
(4)本發(fā)明所述的兩套夾具體分別通過螺栓安裝在工作臺上，夾具體為金屬材料及柔性隔熱材料；
(5)本發(fā)明所述的照明裝置需經(jīng)不銹鋼薄網(wǎng)包裹處理，安裝在激光光路裝置上，并可以隨意調(diào)整照明角度；
(6)本發(fā)明所述的激光發(fā)生裝置能夠改變功率，以適應(yīng)對材料的加工要求，保證切割所需要的能量密度。
[0020](7)本發(fā)明可根據(jù)加工需求調(diào)整激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置，來實現(xiàn)試件的垂直或水平加工。
[0021](8)本發(fā)明可應(yīng)用硬光路或軟光路(光纖)兩種方式搭建激光光路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為雙束激光對三明治結(jié)構(gòu)基板進行垂直加工時裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為附圖1的裝置的俯視圖；
圖3為垂直加工時夾具體的示意圖；
圖4為水平加工時夾具體的示意圖。
[0023]圖中:1 一激光發(fā)生器，2—激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置，3—照明設(shè)備，4一激光頭托架，5—微調(diào)裝置，6—工件(三明治結(jié)構(gòu)基板試件)，7—X軸導(dǎo)軌，8—Y軸導(dǎo)軌，9—Z軸導(dǎo)軌，10—激光頭，11—垂直夾具體，12—工作臺，13—調(diào)焦裝置，14 一機床體，15—水平夾具體。
[0024]照明裝置安裝在激光發(fā)生器上，并可以隨意調(diào)整照明角度。
【具體實施方式】
[0025]實施例1:
一種三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，通過兩側(cè)的激光頭對工件進行同時加熱，熱應(yīng)力使被加工工件斷裂，本發(fā)明適于在常溫下對三明治結(jié)構(gòu)基板材料進行切割加工。[0026]具體加工方法包括:
將工件通過專用夾具垂直或水平裝夾在工作臺上；
調(diào)整激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置，通過調(diào)整兩激光頭的位置和姿態(tài)，保證二路激光束同軸；
移動工作臺到加工工位，利用同軸指示光束瞄準(zhǔn)定位工件，將激光焦斑微調(diào)到加工位
置；
打開光閘使雙側(cè)激光對工件同時進行加工；
控制工作臺帶動工件運動，使激光按照預(yù)定軌跡加熱切割三明治結(jié)構(gòu)基板材料，從而達(dá)到所需的加工軌跡；
清理加工余料，取下加工表面無裂紋的工件。
[0027]實施例2:
實施例1所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，2個所述的激光頭分別調(diào)節(jié)焦距。
[0028]實施例3:
實施例1或2所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，通過所述的微調(diào)保證兩束激光的加工重合度，實現(xiàn)三維定位。
[0029]實施例4:
實施例1或2或3所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，所述的控制工作臺是依據(jù)目標(biāo)軌跡對三維工作臺選擇合適的運動軌跡并在工作臺所帶的計算機控制系統(tǒng)上編程進行控制。啟動激光發(fā)生器前先運行工作臺進行軌跡往復(fù)運動，使其按預(yù)定運動軌跡程序運行。
[0030]實施例5:
一種三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，其組成包括:激光發(fā)生裝置，工作臺上安裝夾具系統(tǒng)，所述的夾具系統(tǒng)夾緊三明治結(jié)構(gòu)基板材料構(gòu)成的工件，所述的工件夾在激光發(fā)生裝置的兩個激光頭中間。
[0031]實施例6:
實施例5所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，所述的激光發(fā)生裝置包括:激光發(fā)生器的激光頭安裝在激光頭托架上，所述的激光頭連接轉(zhuǎn)向裝置，照明裝置安裝在激光發(fā)生器上，激光光路裝置連接調(diào)整激光光斑的面積調(diào)焦裝置、和保證兩束激光的加工重合度并實現(xiàn)三維方向微調(diào)的微調(diào)裝置，所述的激光光路裝置及所述的激光頭轉(zhuǎn)向裝置通過兩激光頭的同時轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)工件夾在兩激光頭中間。
[0032]實施例7:
實施例6所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，所述的激光光路裝置為硬光路或光纖。
[0033]實施例8:
實施例5或6或7所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，所述的夾具系統(tǒng)的垂直加工夾具體和水平加工夾具體分別通過螺栓安裝在工作臺上，各夾具體分別隨工作臺沿X軸導(dǎo)軌，Y軸導(dǎo)軌，Z軸導(dǎo)軌三個方向聯(lián)動。
[0034]實施例9: 實施例5或6或7所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，所述的三明治結(jié)構(gòu)基板材料為三層材料，其上下兩層為透光層，中間層為非透光層，且各層材料的切割輪廓相同。
[0035]實施例10:
首先依據(jù)三明治結(jié)構(gòu)基板試件6的材料特性和加工工藝選擇合適的激光切割參數(shù)對試件進行加工，然后將三明治結(jié)構(gòu)基板材料6通過機械夾緊裝夾在垂直夾具體11上，夾緊程度需控制在一定限度內(nèi):應(yīng)使試件能夠不隨工作臺12的運動而擺動且不至于夾壞試件。夾具體通過螺栓固定到工作臺12上，工作臺可以帶動夾具體沿導(dǎo)軌7、導(dǎo)軌8、導(dǎo)軌9、三個方向聯(lián)動，從而可以實現(xiàn)對材料的預(yù)定軌跡加工?？赏ㄟ^調(diào)焦裝置調(diào)整激光光斑的面積，并通過微調(diào)裝置保證兩束激光的加工重合度。
[0036]依據(jù)目標(biāo)軌跡對三維工作臺12選擇合適的運動軌跡并在工作臺所帶的計算機控制系統(tǒng)上編程進行控制。啟動激光發(fā)生器I前先運行工作臺12進行軌跡往復(fù)運動，使其按預(yù)定運動軌跡程序運行。
[0037]實施例11:
首先依據(jù)三明治結(jié)構(gòu)基板試件6的材料特性和加工工藝選擇合適的激光切割參數(shù)對試件進行加工，然后將三明治結(jié)構(gòu)基板材料6裝放在水平夾具體15上，使試件能夠不隨工作臺12的運動而擺動。夾具體通過螺栓固定到工作臺12上，工作臺可以帶動夾具體沿導(dǎo)軌7、導(dǎo)軌8、導(dǎo)軌9、三個方向聯(lián)動，同時改變方案I中的激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置2，使兩激光頭垂直試件放置，從而可以實現(xiàn)對材料的預(yù)定軌跡加工?？赏ㄟ^調(diào)焦裝置調(diào)整激光光斑的面積，并通過微調(diào)裝置保證兩束激光的加工重合度。
[0038]依據(jù)目標(biāo)軌跡對三維工作臺12選擇合適的運動軌跡并在工作臺所帶的計算機控制系統(tǒng)上編程進行控制。啟動激光發(fā)生器I前先運行工作臺12進行軌跡往復(fù)運動，使其按預(yù)定運動軌跡程序運行。
[0039]本發(fā)明組成包括:激光發(fā)生器、激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置、激光的調(diào)焦裝置、激光頭的微調(diào)裝置、兩套夾具體、使材料能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定軌跡運動的控制機構(gòu)、裝置上的照明設(shè)備。
【權(quán)利要求】
1.一種三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，通過兩側(cè)的激光頭對工件進行同時加熱，熱應(yīng)力使被加工工件斷裂，其特征是: 將工件通過專用夾具垂直或水平裝夾在工作臺上； 調(diào)整激光光路及激光頭轉(zhuǎn)向裝置，通過調(diào)整兩激光頭的位置和姿態(tài)，保證二路激光束同軸； 移動工作臺到加工工位，利用同軸指示光束瞄準(zhǔn)定位工件，將激光焦斑微調(diào)到加工位置； 打開光閘使雙側(cè)激光對工件同時進行加工； 控制工作臺帶動工件運動，使激光按照預(yù)定軌跡加熱切割三明治結(jié)構(gòu)基板材料，從而達(dá)到所需的加工軌跡； 清理加工余料，取下加工表面無裂紋的工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，其特征是:2個所述的激光頭分別調(diào)節(jié)焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，其特征是:通過所述的微調(diào)保證兩束激光的加工重合度，實現(xiàn)三維定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工方法，其特征是:所述的控制工作臺是依據(jù)目標(biāo)軌跡對三維工作臺選擇合適的運動軌跡并在工作臺所帶的計算機控制系統(tǒng)上編程進行控制，啟動激光發(fā)生器前先運行工作臺進行軌跡往復(fù)運動，使其按預(yù)定運動軌跡程序運行。
5.一種三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，其組成包括:激光發(fā)生裝置，其特征是:工作臺上安裝夾具系統(tǒng)，所述的夾具系統(tǒng)夾緊三明治結(jié)構(gòu)基板材料構(gòu)成的工件，所述的工件夾在激光發(fā)生裝置的兩個激光頭中間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，其特征是:所述的激光發(fā)生裝置包括:激光發(fā)生器的激光頭安裝在激光頭托架上，所述的激光頭連接轉(zhuǎn)向裝置，激光光路裝置連接調(diào)整激光光斑的面積調(diào)焦裝置、和保證兩束激光的加工重合度并實現(xiàn)三維方向微調(diào)的微調(diào)裝置，所述的激光光路裝置及所述的激光頭轉(zhuǎn)向裝置通過兩激光頭的同時轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)工件夾在兩激光頭中間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，其特征是:所述的激光光路裝置為硬光路或光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的三明治結(jié)構(gòu)基板的雙束激光熱裂切割加工裝置，其特征是:所述的夾具系統(tǒng)的垂直加工夾具體和水平加工夾具體分別通過螺栓安裝在工作臺上，各夾具體分別隨工作臺沿X軸導(dǎo)軌，Y軸導(dǎo)軌，二個方向聯(lián)動。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的三明治結(jié)構(gòu)基板雙束激光的加工裝置，其特征是:所述的三明治結(jié)構(gòu)基板材料為三層材料，其上下兩層為透光層，中間層為非透光層，且各層材料的切割輪廓相同。
【文檔編號】B23K26/402GK103769755SQ201410047593
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月11日
【發(fā)明者】張宏志, 楊立軍, 王揚, 趙春洋, 劉俊巖, 王懋露 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)