[發明專利]脆性材料脈沖激光切割方法

無效

• 申請號: 201110238153.6
• 申請日: 2011-08-19
• 公開（公告）號: CN102319958A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 倪曉武;劉劍;秦淵;沈中華;陸建
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B23K26/36
• 分類號: B23K26/36
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張駿鳴

技術領域

本發明涉及一種激光切割方法，特別是一種依據線偏振激光輻照脆性材料過程中引發的熱應力完成板形脆性材料斷裂切割的方法。

背景技術

現有關于脆性材料的激光切割技術，大多采用連續激光沿直線在脆性板形材料表面進行掃描，利用激光束經透鏡聚焦后產生的高密度能量，使材料在短時間內熔化甚至氣化，然后用輔助吹氣將熔渣吹除，進而通過移動激光束形成連續的燒蝕區域完成切縫。這類激光切割方法多使用圓偏振激光來形成連續的燒蝕區域將材料熔斷，過程中所需激光能量大且存在切割速度慢、切割面粗糙、浪費材料等缺點。《Applied?Physics?A》1999年68期中報道了由S.Nolte等發表的題為“Polarization?effects?in?ultrashort-pulse?laser?drilling”的文章，其中對材料在線偏振激光作用下形成了狹長橢圓形燒蝕孔的機理進行了分析，認為是由于線偏振激光的極化方向對激光能量在材料表面的能量沉積狀況產生的影響，在線偏振激光的輻照下，材料表面沿極化方向產生狹長型燒蝕區域?！禞ournal?Of?Applied?Physics》2002年92卷3期中報道了由K.Venkatakrishnan等發表的題為“The?effect?of?polarization?on?ultrashort?pulsed?laser?ablation?of?thin?metal?films”的文章，文中對脈沖式線偏振激光沿金屬材料表面掃描的情況進行了分析。當激光能量密度略高于材料熔融閾值時，線偏振激光輻照下可以觀察到明顯的狹長形燒蝕區域，而當激光能量密度遠高于材料熔融閾值時，燒蝕區域仍為圓形。相比于圓偏振激光的掃描過程圓形燒蝕區域，線偏振光掃描過程中激光的極化方向和掃描方向保持一致時情況下，狹長形燒蝕區域容易發生交疊，因而易沿激光掃描方向形成切縫，從而完成對材料的切割。但上述文章只是針對金屬材料進行了分析，線偏振激光掃描情況下完成對金屬材料的切割仍需要高能激光在材料表面形成連續性的燒蝕區域。

發明內容

本發明的目的是提供一種在切割過程中所需激光能量小，切割速度快、切割面光滑且能有效節省材料的脆性材料脈沖激光切割方法。

本發明目的是通過以下技術方案實現的，脆性材料脈沖激光切割方法，它是在由脈沖激光器、電動平移臺、光學組件以及電子計算機構成的脈沖激光切割系統中完成，其具體實現步驟如下：

步驟1：將待切割脆性板材固定在脈沖激光切割系統中的電動平移臺上面；

步驟2：啟動脈沖激光切割系統，通過計算機控制調整激光的脈寬、頻率、單脈沖輸出能量，并使系統激光器發出的線偏振激光束經光學組件中的反射鏡和聚焦透鏡后輻照在脆性板材的表面被切割一端的邊緣；

步驟3：在激光器工作的同時啟動電動平移臺，由計算機控制使脆性板材在脈沖激光輻照即切割過程中，隨電動平移臺以固定速度進行一維平移，且切割過程中偏振方向與激光掃描方向保持一致；

步驟4：掃描過程中，由計算機控制調整電動平移臺的平移速度和激光頻率，使激光在脆性板材上形成沿掃描方向間隔式分布且不發生交疊的狹長型燒蝕區域；

步驟5：利用狹長型燒蝕區域兩端產生的拉向熱應力，脆性材料會沿激光掃描方向發生自動斷裂，將相鄰的燒蝕區域連接，從而完成對脆性板材的切割。

上述步驟2中系統輸出激光的脈寬、單脈沖能量可調，激光器的單脈沖能量在0.5J～80J范圍內可調，激光頻率0～100Hz可調；上述步驟4中相鄰兩狹長型燒蝕區域間的距離D可以通過表達式D＝v/f得到，其中：v為電動平移臺移動速度，f為激光頻率。

本發明所述方法，它是利用了線偏振激光可在材料表面形成狹長型燒蝕區域以及脆性材料易斷裂的特性來對脆性板形材料進行切割，利用線偏振激光在脆性板型材料表面進行掃描，在材料表面沿掃描方向間隔式分布不需要相互交疊的狹長型燒蝕區域，進而利用狹長型燒蝕區域兩端的應力，引發材料的斷裂將相鄰的燒蝕區域連接在一起，最終使脆性材料沿激光掃描方向發生斷裂完成切割。