一种脆性材料打孔方法与流程

本发明涉及激光打孔技术领域，具体涉及一种脆性材料打孔方法。

背景技术：

蓝宝石晶体是一种集优良的光学、物理、化学和机械性能于一体的多功能氧化物，被广泛应用于工业、国防和科研等领域，常用于制作光学元件、窗口材料和微机械设备等，特别是在手机产品上的应用而再次备受关注。大多数应用要求蓝宝石必须有很高的加工质量，但由于蓝宝石的脆性很大，传统的机械加工易产生崩边、裂纹及刀具磨损等问题，且由于其优越的化学稳定性，传统的化学刻蚀很难达到加工要求，然而激光加工技术具有非接触、操作简单、灵活性高等特性，可以实现任意形状、快速高效的加工。

激光与材料间的相互作用可分为光热作用和光化学作用，即“热加工”和“冷加工”。激光热加工是指利用激光的热作用使材料熔化蒸发达到去除的目的，一般采用的CO2激光、光纤激光、半导体激光以及准分子激光等面向工业应用的主流激光器脉宽多在微秒(μm)、纳秒(ns)水平。长脉宽激光作用于材料时，通过焦耳加热吸收激光能量，经晶格/电子热传导使材料辐照区域升温，熔化至气化完成材料的去除。“热加工“效应易引起熔凝残渣、应变裂纹等热影响，其限制了工件的加工质量和效率。

消除激光对材料“热加工”作用就必须抑制激光能量输入所产生的热传导效应。如果激光光子的作用时间可以小于材料导带电子/晶格的热振动传递时间，就有可能因为来不及进行热传递，而通过光子作用下的碰撞电离、光致电离或隧道电离等机制激发电子从价带跃迁至导带，电子浓度会伴随电离的进行而不断增强，在脉冲结束之前通过库伦爆炸达到临界阈值，引发材料晶格结构不可恢复的破坏，宏观表象即为被作用材料无“热效应”的去除，这就是超短脉冲激光实现“冷加工”的基本物理基础。激光冷加工是指物质分子同时或连续吸收多个光子使材料中的化学键被打断或者晶格结构被破坏，从而达到去除的目的，此方法更适用于对蓝宝石高质量低损耗的加工。激光冷加工一般采用短脉冲和短波长激光。皮秒激光允许采用激光二极管直接泵浦，单脉冲能量可达几十μJ级，且已具有普通的MHz级高重复频率，保证了皮秒激光加工的高去除率，基本技术参数特征使皮秒激光的实际加工效率会远远大于其他类型超快激光，有望在材料加工精度兼顾加工效率方面带来突破性的飞远。此外，皮秒激光还具有可接近衍射极限的光束质量(光束质量因子M2<1.3)、良好的稳定性以及较低的设备购置与维护成本，使其在工业领域具有非常广阔的应用前景对形成高效高精兼顾的新的去除制造科学具有其他类型激光所不及的优势。

现阶段利用激光对蓝宝石等脆性材料进行打孔一般采用成丝切割和激光消融两种方法。

1、如图1所示，成丝切割：指超强短激光脉冲在介质中传输时所形成的细丝现象。超短激光脉冲束作用在蓝宝石/玻璃表面，在其内部形成贯穿的丝状形貌。丝状形貌破坏了材料内部应力结构，配合合适的裂片方式(物理冲压裂片、CO2激光热效应裂片、化学药剂腐蚀裂片等)即可实现材料分离。此方法实际打标面积小、打标时间短、效率高，且打出的孔无明显锥度，其能降低材料吸收的能量，减少应力积累，较好的保留材料的强度。但是对于蓝宝石等材料，在进行此种方法进行打孔后，无法使孔内材料与基体进行有效的分离。且由于参数的设置等原因会导致切割轨迹上易产生不均匀的锯齿。

2、如图2所示，激光消融：激光束作用在蓝宝石/玻璃表面使其发生气化的一种去除加工方式。去除范围为激光光斑照射区域，配合X-Y二维扫描振镜系统和图形编辑系统，可实现指定形状的材料去除。此打孔方法使去除部分整体成型，无需进行裂片操作，较为简单。但是其打孔时间较长，在处理较厚材料或较大孔径时，易产生锥度。随着激光对材料扫描时间的增加，易导致材料内部应力积累，影响材料的强度，并在加工过程中易发生应力释放导致样品的破裂，影响生产效率，增加安全隐患。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种能在一定程度上缓解了应力释放，且裂片难度低的脆性材料打孔方法。

本发明的技术方案为，包括：

采用超短激光脉冲束对待加工脆性材料进行成丝切割，形成穿透所述脆性材料的圆环；

在所述圆环内设置一个消融区域，所述消融区域的形状为指定形状，利用激光消融的方式对所述指定形状的脆性材料进行去除，形成多个待裂片处理且互不相连的待裂片单体；

对多个所述待裂片单体同时进行裂片处理，实现所述脆性材料的打孔加工。

进一步的，所述指定形状为端部与所述圆环相交的十字形或米字形，所述激光光斑对十字形或米字形区域进行激光消融处理后，形成待裂片处理且互不相连的多个扇形区域。

进一步的，所述指定形状为顶点与所述圆环相交的中空多边形，所述激光光斑对中空多边形区域进行激光消融处理后，形成待裂片处理且互不相连的弓形区域。

进一步的，采用CO2激光激光器对所述待裂片单体进行裂片处理。

进一步的，采用超短激光脉冲束对待加工脆性材料进行所述成丝切割时，形成的光斑点间距为3-10um。

进一步的，采用超短激光脉冲束对待加工脆性材料进行所述成丝切割时，激光输出功率为15-50W，输出频率为20-100KHz。

进一步的，采用超短激光脉冲束对待加工脆性材料进行所述成丝切割时，激光切割头移动速度为50-200mm/s。

进一步的，利用所述激光消融的方式对所述脆性材料进行处理时，激光光斑重叠率为70％～95％。

进一步的，利用所述激光消融的方式对所述脆性材料进行处理时，扫描振镜移动速度为1000-4000mm/s。

进一步的，利用所述激光消融的方式对所述脆性材料进行处理时，激光输出频率为200-500KHz。

本发明的有益效果：将成丝切割与激光消融相结合，利用激光消融在成丝切割形成的圆环区域内进行十字、米字或多边形消融加工，使整个圆形待裂片区域分解成多个扇形或弓形待裂片单体，对各个待裂片单体分别进行裂片处理，有效的降低了裂片难度，使得该打孔加工能适用于玻璃、蓝宝石等脆性材料的加工。而由于进行激光消融时，光斑作用区域仅为十字、米字区域或多边形外轮廓区域，相较于传统的整个圆形区域，其作用范围大大降低，从而缓解了应力释放而导致的问题，使应力积累效应不明显，可以保持材料强度，使切除后的材料不易破裂。该加工方式降低了边缘崩边和热影响区域，从而提升打孔的效率以及成功率，降低成本。解决了加工过程中的效率以及效果问题。

附图说明

图1为成丝切割示意图；

图2为激光消融示意图；

图3为本专利脆性材料打孔方法一种实施例示意图；

图4为本专利脆性材料打孔方法另一实施例示意图；

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明中复合加工方法的原理是：通过超短脉冲激光器对蓝宝石进行成丝切割，结合激光消融技术对切割中心的部分区域进行消融，结合了两种打孔工艺方法的优点，一定程度上缓解了应力释放而导致的问题，且使裂片的难度有显著的降低。

具体的，本发明采用的方案是：

如图3所示，首先在运动控制软件内画一个直径1mm的空心圆环，调整合适的参数后开启激光，激光通过切割头在蓝宝石表面切出一个直径为1mm穿透蓝宝石层的圆环(如图1所示，该圆环为近似圆环，实际由多个穿透蓝宝石层的通孔按圆形排列形成)。接着利用CCD对切割头所切割的圆环进行定位，利用软件控制平台移动到扫描振镜下方，利用扫描振镜对圆环内部进行加工，在打标软件上画出一个实心十字，开启激光，重新设定参数，移动扫描振镜的激光光斑，在圆环内部打出实心十字，或米字，并使实心十字或米字的端点与圆环相交，形成多个待裂片处理且互不相连的扇形区域(十字形时为四个四分之一圆)，每一个扇形区域为一个待裂片单体。如图4所示，也可以为以空心三角形等多边形为指定图形进行激光消融，从而形成多个待裂片处理且互不相连的弓形区域，每一个弓形区域为一个待裂片单体。最后利用CO2激光器对每个待裂片单体同时进行裂片处理，使内部圆环与蓝宝石基底进行有效分离。

其中，本实施例在进行成丝切割时，激光参数为：激光切割头移动速度50-200mm/，频率为20-100KHz，输出功率为15-50W，形成的光斑点间距为3-10um。在进行激光消融时，激光参数为：扫描振镜移动速度为1000-4000mm/s，频率为200-500KHz，激光输出功率为15-50W，光光斑重叠率为70％～95％。进行裂片处理时，振镜扫描移动速度为300-800mm/s，激光输出频率为10-50KHz，激光输出功率为50-100W。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。