一種基於內雕刻的雷射切割方法
2023-05-10 05:39:51 1
專利名稱：一種基於內雕刻的雷射切割方法
技術領域：
本發明屬於雷射加工領域，特別是雷射切割"透明"硬脆材料領域。
背景技術：
對於硬、脆的材料物質的切割加工而言， 一般使用雷射切割比較有優勢， 例如速度、成品率、品質等方面都提高很多。但是，如果這種難以使用常規加 工手段切割的物質，其本身對於雷射而言又是透明的，或者吸收很小時，傳統 的雷射切割也無能為力了，或者切割效率及其低下。例如石英玻璃、藍寶石等 材料， 一般採用紫外甚至深紫外雷射器進行切割加工，雷射焦點在玻璃或者藍 寶石表面一次掃描後切出一道很淺的槽，進行多次掃描後，槽深就會加深，直 到切斷。這種方式的缺點很明顯玻璃或者藍寶石厚度不能夠太厚(受制於激 光焦深)，效率太低，且系統昂貴。雖然如此，在沒有找到新的工藝方法之前， 這仍是目前主流的加工手段。
發明內容
本發明的目的在於找到一種新的透明硬脆材料雷射切割方法，特別是雷射 破壞閾值很高、材料硬度很高、材料脆性高，因而難以使用普通手段切割的透 明材料的雷射切割工藝。
本發明的目的是這樣實現的待切割的材料對雷射透明或者少量吸收，採 用脈衝或者調Q雷射器，將雷射光束進行擴束、聚焦等光束變換處理。由於聚 焦光斑處的雷射峰值功率密度超過待切割材料的破壞閾值，或者因雷射聚焦導 致待切割材料內部雷射聚焦焦點處由對雷射透明瞬間轉化為大幅吸收雷射能 量，該待切割材料內部雷射焦點處會被雷射脈衝打出爆炸點，雷射聚焦焦點移 動一個位置，雷射會在新的焦點位置爆出一個爆炸點。確定一個待切割的切割 截面，雷射焦點在切割截面內與該待切割材料做相對運動，形成一系列的離散 爆點甚至形成連續線條。開始切割時，雷射焦點置於待切割材料的底部，在切 割截面內雷射焦點由待切割材料的底部一層一層往上做切割運動(傳統切割是 一層一層從上往下切割)。雷射焦點在切割截面內切完一層後(劃出連續線條 或者一系列的離散爆點)，待切割材料沿著垂直於切割方向移動微小距離，焦 點在切割截面內與該待切割材料再切割新的一層(劃出連續線條或者一系列的 離散點)，所形成的線條與前面所形成線條平行，都在切割截面內；如此一層 層切，雷射焦點在材料內部就加工出切割截面，待切割材料可以自己斷開或者 稍微藉助外界衝擊，擴展切割截面內預先形成的微裂紋，使待切割材料輕鬆沿 事先確定的切割面斷開。其實，由於雷射焦點都有一定的長度(焦深)，因此, 一般所獲得的爆炸點是沿著光傳輸方向的長點，焦點在材料內部運動切割出一 條線(一層)，很多情況下是一個微小的平面，按照本發明方案，這些微小的 平面，理論上都處於切割截面內。
為了提高切割效率，可以利用切割材料比較"脆"，容易"定向"形成"裂 紋面"的特點，可以只在切割面內切割出部分，然後使用外力衝擊或者溫度衝 擊等手段使得材料沿著切割面整齊斷開。
本發明， 一種基於內雕刻的雷射切割方法，由於採用了上述的技術方案， 使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果
1. 本發明提出一種新的針對硬、脆透明或者半透明材料的雷射切割方法， 其主要思想是由雷射聚焦在材料內部並"從下往上" 一層一層"微爆"出一個 切割截面，從而很容易切割目前切割難度大、切割效率低的硬、脆透明或者半 透明材料。目前傳統的切割這些脆、硬材料的加工方法都是"從上往下" 一層 一層"剝離""去除"材料直到把材料切斷，效率很低，加工質量也不理想， 加工成本高。
2. 本發明這種切割方法，適合於切割傳統方法難以切割的水晶、石英、藍 寶石、氟化鈣、玻璃等材料，既可以切割比較薄的材料，也可以切割比較厚的 材料。
3. 本發明提出的這種方法，可以在切割面內切割出部分面積，藉助外界衝 擊擴展微裂紋，可使待切割材料沿著希望的切割面裂開，且斷面更加光滑平整， 切割效率更高。
4. 本發明提出的這種方法，切割面可以是平面，可以是曲面，可以是圓柱 面或者錐面，這樣不僅可以切割，還可以用於透明或者半透明材料的打孔(通 孔或者盲孔)。
通過以下對本發明， 一種基於內雕刻的雷射切割方法的若干實施例結合其 附圖的描述，可以進一步理解本發明的目的、具體結構特徵和優點。其中，附 圖為
圖1實施例一是藍寶石塊的切割； 圖2實施例二是石英塊的切割； 圖3實施例二是普通玻璃的切割
具體實施例方式
請參見圖1所示，這是本發明一種基於內雕刻的雷射切割方法的一種實施 例，待切割材料為無色透明藍寶石，對紫外光幾乎透明，屬於硬脆材料，使用
傳統方法很難高效切割。採用355nm紫外調Q固體雷射器，脈衝重複頻率為 30KHz時平均功率4瓦，脈衝寬度9ns，單模。其中，1為待切割面，2為高斯 紫外光束，聚焦於待切割材料的待切割面內，其聚焦光斑具備一定焦深，其長 度是6與7之間的一段。由於雷射峰值功率密度超過藍寶石的破壞閾值，因此， 每個雷射脈衝都會在藍寶石內部雷射焦點處打出一個爆點。當雷射焦點在切割 面內水平移動，就形成"切割線"3，其實就是一個微小的"切割面"3，就是 6與7之間的面積部分。切完"微切割面"3後，藍寶石下降一個焦深高度， 雷射焦點高度位置保持不變，水平方向移動掃描，切割出"微切割面"4;同 樣可以切割出"微切割面"5，如此循環，可以切割出一個完整的切割面，很 快能夠將藍寶石切斷。
氟化鈣等也是一種難切割的硬脆材料，也可以使用本方法實現高效切割。
請參見圖2所示，這是本發明一種基於內雕刻的雷射切割方法的另一種實 施例，待切割材料為無色透明光學紫外玻璃，對綠雷射與紫外雷射幾乎透明， 屬於硬脆材料，使用傳統方法很難高效切割。採用532nm紫外調Q固體雷射 器，脈衝重複頻率為5KHz時平均功率5瓦，脈衝寬度10ns，單模。其中，1 為待切割面，2為高斯綠雷射光束，聚焦於待切割材料的待切割面內，其聚焦 光斑具備一定焦深，其長度是6與7之間的一段。由於雷射峰值功率密度超過
光學石英玻璃的破壞閾值，因此，每個雷射脈衝都會在藍寶石內部雷射焦點處
打出一個爆點。當雷射焦點在切割面內水平移動，就形成"切割線"3，其實 就是一個微小的"切割面"3，就是6與7之間的面積部分。為了提高切割效 率，在"微切割面"3上面再繼續切割出若干個"微切割面"後，直接跳過一 段距離再切割，切割出"微切割面"8，在"微切割面"8上面再繼續切割出若 幹個"微切割面"後，使用外力衝擊或者溫度衝擊，整個石英光學玻璃將沿著 切割面1斷開，切斷口非常整齊。
請參見圖3所示，這是一種基於內雕刻的雷射切割方法的又一種實施例， 待切割材料為普通玻璃，對綠雷射部分吸收，對紫外雷射吸收，屬於硬脆材料。 使用傳統方法切割普通玻璃，存在切割邊緣崩口，並存在不能夠進行打小孔等 加工的限制。本實施例採用532nm紫外調Q固體雷射器，脈衝重複頻率為15KHz 時平均功率5瓦，脈衝寬度15ns，單模。普通玻璃對綠雷射存在一定吸收，因 此，聚焦光斑處玻璃因吸收雷射能量而產生爆點，形成微裂紋。其中，左邊為 俯視圖，右邊為左視圖，9為直徑為10cm圓形普通玻璃。需要切割出6cm直 徑的孔，1為直徑為6cm的待切割圓柱面。對於部分吸收雷射的透明材料的切 割，對雷射的脈衝寬度的特性要求就比較寬鬆，切割起來更容易。
上述實施例只是本發明的幾個具體應用。實際上其原理應用不限於上面所 述情形，例如還可以在透明材料上加工錐形孔甚至盲孔等。
總之，本發明提出一種基於內雕刻的雷射切割方法，其重要特點是雷射透 過待切割材料並聚焦在待切割材料內部，從待切割材料的底部一層層"從下往 上"，"微爆"出一個切割截面出來，高效率、高品質地切割使用傳統切割方 法難以切割地透明半透明硬脆材料。
權利要求
1. 一種基於內雕刻的雷射切割方法，其主要特徵在於，雷射在待切割材料聚焦，雷射焦點在待切割材料內部的切割平面內做相對運動，從待切割材料的底部一層層「從下往上」，「微爆」出一個切割截面出來，待切割材料沿著切割截面自行斷開或者藉助外界衝擊而斷開。
2. 如權利要求l所述的一種方法，其特徵在於待切割材料對於雷射是透明的。
3. 如權利要求1所述的一種方法，其特徵在於待切割材料對於雷射部分吸收。
4. 如權利要求1或者2所述的一種方法，其特徵在於所使用的雷射器是調Q固體雷射器。
5. 如權利要求4所述的一種方法，其特徵在所述外界衝擊包括溫度衝擊或者外力衝擊。
全文摘要
本發明屬於雷射加工領域，一種基於內雕刻的雷射切割方法。本發明的重要特點是雷射透過待切割材料並聚焦在待切割材料內部，從待切割材料的底部一層層「從下往上」，「微爆」出一個切割截面出來，高效率、高品質地切割透明半透明硬脆材料。
文檔編號B23K26/08GK101386112SQ20071005321
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年9月13日
發明者張立國 申請人:張立國