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高硬脆无机非金属材料激光切割技术研究

导读: 激光切割技术因其具有非接触性、柔性化、效率高及易实现数字化控制等特点,一直以来颇受青睐,人们寄希望于这种高能束加工方法可以象对待金属材料的切割一样,很好地完成高硬脆无机非金属材料的无损切割。

  激光切割技术因其具有非接触性、柔性化、效率高及易实现数字化控制等特点,一直以来颇受青睐,人们寄希望于这种高能束加工方法可以象对待金属材料的切割一样,很好地完成高硬脆无机非金属材料的无损切割。

  激光器的种类很多,以激光光束质量、材料对热源的高吸收效率以及适应产业化发展需求的标准来衡量,CO2激光热加工仍为高硬脆无机非金属材料切割的主要手段。激光切割的难易程度由材料的热物理性质决定,由于绝大多数高硬脆非金属材料是由共价键、离子键或两者混合化学键结合的物质,晶体间化学键方向性强,因而具有高硬度和高脆性的本征特性。相对于金属材料,即使是高致密高硬脆无机非金属材料,其显微结构均匀度亦较差,严重降低了材料的抗热震性,常温下对剪切应力的变形阻力很大,极易形成裂纹、崩豁甚至于材料碎裂。相对于金属材料,高硬脆无机非金属材料类非金属材料除具有硬脆性高、导热率差等普遍性特点外,还存在明显的个性差异,即使是同一配方、同一原料也会由于烧结批次不同而在显微结构上存在差异,这种差异对于无损切割来说往往是不容忽视的。实际中,研究人员往往要视加工材料的具体情况进行工艺调整、改进,乃至创新,对材料加工前所需进行的预处理细节,如浸润、附着有助应力释放的粘合膜等,也同样不容忽视。

  从加工工艺而言,高硬脆无机非金属材料加工的第一步必须确定合理的激光输出方式。通常连续输出适用于玻璃、有机玻璃等非晶态非金属材料,脉冲输出方式则多适用于高硬脆无机非金属材料等多晶或单晶材料,此外,厚度、密度等无疑也是需要考虑的重要影响因素。

  以激光作为加工能源,在硬脆性高硬脆无机非金属材料加工方面的发展潜力已见端倪:它可以实现无接触式加工,减少了因接触应力对高硬脆无机非金属材料带来的损伤;高硬脆无机非金属材料对激光具有较高的吸收率(氧化物高硬脆无机非金属材料对10.6 μm波长激光的最高吸收率可达80%以上),聚焦的高能激光束作用于高硬脆无机非金属材料局部区域的能量可超过108 J/cm2,瞬间就可使材料熔化蒸发,实现高效率加工;由于聚焦光斑小,产生的热影响区小,可以达到精密加工的要求;激光的低电磁干扰以及易于导向聚焦的特点,方便实现三维及异形面的特殊加工要求。因此,高效无损伤激光切割高硬脆无机非金属材料类高硬脆无机非金属材料一直是一个诱人的且亟待解决的问题。

  应用于机械工程领域实用成形高硬脆无机非金属材料类非金属零构件的材料厚度大多超过1mm,多为几mm乃至十几mm,厚板材料,厚型高硬脆无机非金属材料类材料的加工往往对切缝精密度的要求不高。但其加工损伤将随高硬脆无机非金属材料厚度的增加而愈发严重,抑制裂纹是厚型高硬脆无机非金属材料类材料激光切割所需解决的最大问题。近期,北京工业大学激光工程研究院采用3.5 kW Slab CO2 激光器,通过“激光离散通孔密排无损切割”的新工艺,实现了厚度高达10mm 的Al2O3、SiC等高密度陶瓷厚件的无损切割。如图1所示,切割路径包括直线、曲线、角形等各种内、外轮廓自由路径。


图1 高密度陶瓷厚件激光无损切割件

  应用于微电子、生物等领域的高硬脆无机非金属材料类无机非金属材料的厚度一般在1mm左右。该类材料多称为精细高硬脆无机非金属材料,高密度高质量,几无烧结缺陷。采用激光对该类材料的加工,要解决的关键问题是如何保证切割的精细度:包括加工定位精度、切缝的精密以及无污损度等。北京工业大学激光工程研究院自主开发了“激光精细加工非同轴显微定位”装置,该装置无需改变激光加工系统原有结构,直接装配于激光头,装卸灵活,定位精度可达加工机床精度,应用于片状微电子线路基板上的引脚制孔,切割定位精度可达几十微米,高质量地保证了基板上所布微电子线路的完好。

   图2 微电子线路基板引脚的激光切割制孔

  随着高硬脆无机非金属材料应用领域的不断扩大,激光在此类材料加工方面的巨大潜力日趋显现,尤其适合于常规方法不适用和不经济的方法。但由于高硬脆无机非金属材料本征的硬脆特性,使得该技术的发展中还存在许多亟待解决的问题,在工艺创新和优化的同时,其独特的作用机理也需要得到理论上的论证和支持。
 

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