一種硬脆性非金屬材料的激光切割方法技術

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域。傳統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↑［５］Ｐａ的輔助氣體，以１００～５００ｍｍ／ｍｉｎ的光束或工件移動速度，０．０５～０．２ｍｍ的打孔間距，沿加工路徑打出一系列孔徑為０．０５～０６５ｍｍ的透孔，透孔邊界彼此銜接或疊加，以此相連完成材料的切斷。該方法可有效減少加工區域的局部熱效應，完成硬脆性非金屬材料多種加工面及多種形狀單元的無損傷切割。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于激光材料加工領域，特別屬于硬脆性非金屬材料的激光無損傷切割

技術介紹
硬脆性非金屬材料是指包括單晶、陶瓷、玻璃等在內的大多以共價鍵、離子鍵或兩者混合化學鍵而結合的物質，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揮和推廣應用。硬脆性非金屬材料的傳統切割方法有研磨法、刻蝕法、電加工法、微波加工法和新近發展起來的激光切割法。其中，相比較其它幾種切割方法，激光切割法已體現出一定的優勢，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。但現有公開技術所適應材料的種類及切割類型有限，出現裂紋的切割損傷幾率大，切割設備和工藝流程復雜，如何高效率地實現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Q脈沖激光切割陶瓷材料的試驗研究》(應用激光，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，實際應用中更會因每次掃描所產生的熔渣及熱作用累積效應，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，雙光束追蹤易產生熱效應的疊加與累積，因此，該方法實現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。激光復合切割技術是現有激光切割技術與一些傳統切割技術的疊加與綜合，從工藝上說，沒有創新之處，工藝流程及設備體系也較復雜，大多針對某一特定加工對象進行復合設計，難以得到推廣及應用。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種無需附加機械外力，高效率實現硬脆性非金屬材料無損傷切割的激光加工方法，該方法可應用于多種硬脆性非金屬材料，工藝重復性高，可實現包括平面和曲面等多種加工面的無損傷切割，實現包括直線、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域的熱積累效應；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生成薄且致密隔離層的目的，實現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。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現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輸出引起加工點嚴重的熱積累效應，進而削弱因熱積累造成的熱應力集中，抑制裂紋產生。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；可與加工件發生放熱反應，產生熱量輔助激光切割；可迅速在切割面形成薄且致密反應層，阻止熔渣產生，便于切割件無損傷脫離母材。按照所切割材料的性質及輔助氣體所發揮作用的不同，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，當切口出現熔渣粘滯時，可采用平均功率為500～2000W的激光束以連續輸出方式，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。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是1.本專利技術適用范圍廣，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.激光切割工藝參數可實行數字化控制，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.本專利技術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0.0本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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１×１０↑［５］～５×１０↑［５］Ｐａ輔助氣體，輔助氣體為Ｎ↓［２］、Ｏ↓［２］、惰性氣體及壓縮空氣之一。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：季凌飛，鮑勇，閆胤洲，蔣毅堅，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]