本發(fā)明涉及激光打孔技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種脆性材料打孔方法。

背景技術(shù)：

藍(lán)寶石晶體是一種集優(yōu)良的光學(xué)、物理、化學(xué)和機(jī)械性能于一體的多功能氧化物，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防和科研等領(lǐng)域，常用于制作光學(xué)元件、窗口材料和微機(jī)械設(shè)備等，特別是在手機(jī)產(chǎn)品上的應(yīng)用而再次備受關(guān)注。大多數(shù)應(yīng)用要求藍(lán)寶石必須有很高的加工質(zhì)量，但由于藍(lán)寶石的脆性很大，傳統(tǒng)的機(jī)械加工易產(chǎn)生崩邊、裂紋及刀具磨損等問(wèn)題，且由于其優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的化學(xué)刻蝕很難達(dá)到加工要求，然而激光加工技術(shù)具有非接觸、操作簡(jiǎn)單、靈活性高等特性，可以實(shí)現(xiàn)任意形狀、快速高效的加工。

激光與材料間的相互作用可分為光熱作用和光化學(xué)作用，即“熱加工”和“冷加工”。激光熱加工是指利用激光的熱作用使材料熔化蒸發(fā)達(dá)到去除的目的，一般采用的CO2激光、光纖激光、半導(dǎo)體激光以及準(zhǔn)分子激光等面向工業(yè)應(yīng)用的主流激光器脈寬多在微秒(μm)、納秒(ns)水平。長(zhǎng)脈寬激光作用于材料時(shí)，通過(guò)焦耳加熱吸收激光能量，經(jīng)晶格/電子熱傳導(dǎo)使材料輻照區(qū)域升溫，熔化至氣化完成材料的去除?！盁峒庸ぁ靶?yīng)易引起熔凝殘?jiān)?、?yīng)變裂紋等熱影響，其限制了工件的加工質(zhì)量和效率。

消除激光對(duì)材料“熱加工”作用就必須抑制激光能量輸入所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。如果激光光子的作用時(shí)間可以小于材料導(dǎo)帶電子/晶格的熱振動(dòng)傳遞時(shí)間，就有可能因?yàn)閬?lái)不及進(jìn)行熱傳遞，而通過(guò)光子作用下的碰撞電離、光致電離或隧道電離等機(jī)制激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，電子濃度會(huì)伴隨電離的進(jìn)行而不斷增強(qiáng)，在脈沖結(jié)束之前通過(guò)庫(kù)倫爆炸達(dá)到臨界閾值，引發(fā)材料晶格結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)的破壞，宏觀(guān)表象即為被作用材料無(wú)“熱效應(yīng)”的去除，這就是超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)“冷加工”的基本物理基礎(chǔ)。激光冷加工是指物質(zhì)分子同時(shí)或連續(xù)吸收多個(gè)光子使材料中的化學(xué)鍵被打斷或者晶格結(jié)構(gòu)被破壞，從而達(dá)到去除的目的，此方法更適用于對(duì)藍(lán)寶石高質(zhì)量低損耗的加工。激光冷加工一般采用短脈沖和短波長(zhǎng)激光。皮秒激光允許采用激光二極管直接泵浦，單脈沖能量可達(dá)幾十μJ級(jí)，且已具有普通的MHz級(jí)高重復(fù)頻率，保證了皮秒激光加工的高去除率，基本技術(shù)參數(shù)特征使皮秒激光的實(shí)際加工效率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類(lèi)型超快激光，有望在材料加工精度兼顧加工效率方面帶來(lái)突破性的飛遠(yuǎn)。此外，皮秒激光還具有可接近衍射極限的光束質(zhì)量(光束質(zhì)量因子M2<1.3)、良好的穩(wěn)定性以及較低的設(shè)備購(gòu)置與維護(hù)成本，使其在工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景對(duì)形成高效高精兼顧的新的去除制造科學(xué)具有其他類(lèi)型激光所不及的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段利用激光對(duì)藍(lán)寶石等脆性材料進(jìn)行打孔一般采用成絲切割和激光消融兩種方法。

1、如圖1所示，成絲切割：指超強(qiáng)短激光脈沖在介質(zhì)中傳輸時(shí)所形成的細(xì)絲現(xiàn)象。超短激光脈沖束作用在藍(lán)寶石/玻璃表面，在其內(nèi)部形成貫穿的絲狀形貌。絲狀形貌破壞了材料內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)，配合合適的裂片方式(物理沖壓裂片、CO2激光熱效應(yīng)裂片、化學(xué)藥劑腐蝕裂片等)即可實(shí)現(xiàn)材料分離。此方法實(shí)際打標(biāo)面積小、打標(biāo)時(shí)間短、效率高，且打出的孔無(wú)明顯錐度，其能降低材料吸收的能量，減少應(yīng)力積累，較好的保留材料的強(qiáng)度。但是對(duì)于藍(lán)寶石等材料，在進(jìn)行此種方法進(jìn)行打孔后，無(wú)法使孔內(nèi)材料與基體進(jìn)行有效的分離。且由于參數(shù)的設(shè)置等原因會(huì)導(dǎo)致切割軌跡上易產(chǎn)生不均勻的鋸齒。

2、如圖2所示，激光消融：激光束作用在藍(lán)寶石/玻璃表面使其發(fā)生氣化的一種去除加工方式。去除范圍為激光光斑照射區(qū)域，配合X-Y二維掃描振鏡系統(tǒng)和圖形編輯系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)指定形狀的材料去除。此打孔方法使去除部分整體成型，無(wú)需進(jìn)行裂片操作，較為簡(jiǎn)單。但是其打孔時(shí)間較長(zhǎng)，在處理較厚材料或較大孔徑時(shí)，易產(chǎn)生錐度。隨著激光對(duì)材料掃描時(shí)間的增加，易導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力積累，影響材料的強(qiáng)度，并在加工過(guò)程中易發(fā)生應(yīng)力釋放導(dǎo)致樣品的破裂，影響生產(chǎn)效率，增加安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種能在一定程度上緩解了應(yīng)力釋放，且裂片難度低的脆性材料打孔方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為，包括：

采用超短激光脈沖束對(duì)待加工脆性材料進(jìn)行成絲切割，形成穿透所述脆性材料的圓環(huán)；

在所述圓環(huán)內(nèi)設(shè)置一個(gè)消融區(qū)域，所述消融區(qū)域的形狀為指定形狀，利用激光消融的方式對(duì)所述指定形狀的脆性材料進(jìn)行去除，形成多個(gè)待裂片處理且互不相連的待裂片單體；

對(duì)多個(gè)所述待裂片單體同時(shí)進(jìn)行裂片處理，實(shí)現(xiàn)所述脆性材料的打孔加工。

進(jìn)一步的，所述指定形狀為端部與所述圓環(huán)相交的十字形或米字形，所述激光光斑對(duì)十字形或米字形區(qū)域進(jìn)行激光消融處理后，形成待裂片處理且互不相連的多個(gè)扇形區(qū)域。

進(jìn)一步的，所述指定形狀為頂點(diǎn)與所述圓環(huán)相交的中空多邊形，所述激光光斑對(duì)中空多邊形區(qū)域進(jìn)行激光消融處理后，形成待裂片處理且互不相連的弓形區(qū)域。

進(jìn)一步的，采用CO2激光激光器對(duì)所述待裂片單體進(jìn)行裂片處理。

進(jìn)一步的，采用超短激光脈沖束對(duì)待加工脆性材料進(jìn)行所述成絲切割時(shí)，形成的光斑點(diǎn)間距為3-10um。

進(jìn)一步的，采用超短激光脈沖束對(duì)待加工脆性材料進(jìn)行所述成絲切割時(shí)，激光輸出功率為15-50W，輸出頻率為20-100KHz。

進(jìn)一步的，采用超短激光脈沖束對(duì)待加工脆性材料進(jìn)行所述成絲切割時(shí)，激光切割頭移動(dòng)速度為50-200mm/s。

進(jìn)一步的，利用所述激光消融的方式對(duì)所述脆性材料進(jìn)行處理時(shí)，激光光斑重疊率為70％～95％。

進(jìn)一步的，利用所述激光消融的方式對(duì)所述脆性材料進(jìn)行處理時(shí)，掃描振鏡移動(dòng)速度為1000-4000mm/s。

進(jìn)一步的，利用所述激光消融的方式對(duì)所述脆性材料進(jìn)行處理時(shí)，激光輸出頻率為200-500KHz。

本發(fā)明的有益效果：將成絲切割與激光消融相結(jié)合，利用激光消融在成絲切割形成的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行十字、米字或多邊形消融加工，使整個(gè)圓形待裂片區(qū)域分解成多個(gè)扇形或弓形待裂片單體，對(duì)各個(gè)待裂片單體分別進(jìn)行裂片處理，有效的降低了裂片難度，使得該打孔加工能適用于玻璃、藍(lán)寶石等脆性材料的加工。而由于進(jìn)行激光消融時(shí)，光斑作用區(qū)域僅為十字、米字區(qū)域或多邊形外輪廓區(qū)域，相較于傳統(tǒng)的整個(gè)圓形區(qū)域，其作用范圍大大降低，從而緩解了應(yīng)力釋放而導(dǎo)致的問(wèn)題，使應(yīng)力積累效應(yīng)不明顯，可以保持材料強(qiáng)度，使切除后的材料不易破裂。該加工方式降低了邊緣崩邊和熱影響區(qū)域，從而提升打孔的效率以及成功率，降低成本。解決了加工過(guò)程中的效率以及效果問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為成絲切割示意圖；

圖2為激光消融示意圖；

圖3為本專(zhuān)利脆性材料打孔方法一種實(shí)施例示意圖；

圖4為本專(zhuān)利脆性材料打孔方法另一實(shí)施例示意圖；

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明中復(fù)合加工方法的原理是：通過(guò)超短脈沖激光器對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行成絲切割，結(jié)合激光消融技術(shù)對(duì)切割中心的部分區(qū)域進(jìn)行消融，結(jié)合了兩種打孔工藝方法的優(yōu)點(diǎn)，一定程度上緩解了應(yīng)力釋放而導(dǎo)致的問(wèn)題，且使裂片的難度有顯著的降低。

具體的，本發(fā)明采用的方案是：

如圖3所示，首先在運(yùn)動(dòng)控制軟件內(nèi)畫(huà)一個(gè)直徑1mm的空心圓環(huán)，調(diào)整合適的參數(shù)后開(kāi)啟激光，激光通過(guò)切割頭在藍(lán)寶石表面切出一個(gè)直徑為1mm穿透藍(lán)寶石層的圓環(huán)(如圖1所示，該圓環(huán)為近似圓環(huán)，實(shí)際由多個(gè)穿透藍(lán)寶石層的通孔按圓形排列形成)。接著利用CCD對(duì)切割頭所切割的圓環(huán)進(jìn)行定位，利用軟件控制平臺(tái)移動(dòng)到掃描振鏡下方，利用掃描振鏡對(duì)圓環(huán)內(nèi)部進(jìn)行加工，在打標(biāo)軟件上畫(huà)出一個(gè)實(shí)心十字，開(kāi)啟激光，重新設(shè)定參數(shù)，移動(dòng)掃描振鏡的激光光斑，在圓環(huán)內(nèi)部打出實(shí)心十字，或米字，并使實(shí)心十字或米字的端點(diǎn)與圓環(huán)相交，形成多個(gè)待裂片處理且互不相連的扇形區(qū)域(十字形時(shí)為四個(gè)四分之一圓)，每一個(gè)扇形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)待裂片單體。如圖4所示，也可以為以空心三角形等多邊形為指定圖形進(jìn)行激光消融，從而形成多個(gè)待裂片處理且互不相連的弓形區(qū)域，每一個(gè)弓形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)待裂片單體。最后利用CO2激光器對(duì)每個(gè)待裂片單體同時(shí)進(jìn)行裂片處理，使內(nèi)部圓環(huán)與藍(lán)寶石基底進(jìn)行有效分離。

其中，本實(shí)施例在進(jìn)行成絲切割時(shí)，激光參數(shù)為：激光切割頭移動(dòng)速度50-200mm/，頻率為20-100KHz，輸出功率為15-50W，形成的光斑點(diǎn)間距為3-10um。在進(jìn)行激光消融時(shí)，激光參數(shù)為：掃描振鏡移動(dòng)速度為1000-4000mm/s，頻率為200-500KHz，激光輸出功率為15-50W，光光斑重疊率為70％～95％。進(jìn)行裂片處理時(shí)，振鏡掃描移動(dòng)速度為300-800mm/s，激光輸出頻率為10-50KHz，激光輸出功率為50-100W。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。