CN109732198B - 一种硬脆材料双光束热裂加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬脆材料双光束热裂加工装置及方法，属于硬脆材料激光加工领域。该装置及方法通过两束光同时施加到工件表面进行热裂加工，将热裂加工过程分为第一束光采用超快激光进行起裂、第二束光采用连续激光进行深裂，从而提高裂纹质量和深度，能够实现厚板硬脆材料激光高质量热裂加工，提高多种材料加工适用性和裂纹整齐度。

Description

一种硬脆材料双光束热裂加工装置及方法

技术领域

本发明属于硬脆材料激光加工领域，更具体地，涉及一种针对硬脆材料，特别是激光热裂的加工方法，采用两束光，一束起裂、一束深裂，提高激光硬脆材料热裂法加工的多种材料适用性和裂纹整齐度。

背景技术

硬脆材料的接触加工式方法操作难度大、污染重、材料适用面窄。非接触式加工中，激光加工因其操作灵活、结构简单、效率高而颇受青睐。与金属材料不同，硬脆材料熔点高、应力强度差，激光与脆性材料相互作用难以形成熔池，“微爆”是激光与硬脆材料相互作用主要的物质去除方式。这种物质去除方式没有方向性，断面的热裂纹数量多、方向随机、不可控。

激光热裂加工将热应力赋予方向性，激光作用在材料表面产生热应力，超过材料的应力强度阈值时，材料在应力的作用下发生开裂，开裂方向跟随激光的行进方向。这使得直接利用热裂纹完成硬脆材料的加工成为了可能。理论上来说，这是一种真正的无损、无污染、适用硬脆材料广泛的加工技术。

超快激光脉冲宽度在皮秒、飞秒量级，其脉冲短、峰值功率高，在极小的空间内材料吸收大量的光能，建立大温度梯度，由此产生的热应力局部强度高、方向集中，可以实现材料的高质量应力开裂。但是，超快激光热裂加工存在加工深度不足的问题。高峰值功率的作用空间仅限材料表面很小的范围内，通常表面以下几百个纳米左右，无法实现材料的深裂。由此带来加工厚度的极大局限性。

连续激光作用时间长，在材料表面持续作用，可以很好的提供热源产生热应力，因其持续的热传递导致材料热分布均匀化，无法保证裂纹严格的随激光行进方向扩展，热裂加工断面质量不高，所以连续激光不适宜做起裂光。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种硬脆材料双光束热裂加工装置及方法，其目的在于，先利用超快激光小尺度高质量起裂，再利用连续激光建立稳定热应力场进行深裂，从而在保证热裂加工高质量断面的前提下提高加工深度，克服现有技术中要么热裂加工深度不足要么断面质量不高的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种硬脆材料双光束热裂加工装置，包括：连续激光器、超快激光器以及支撑板，连续激光器包括连续激光头，超快激光器包括超快激光头；支撑板正面用于承载待加工工件；其中，

超快激光器通过超快激光头向待加工工件发射超快激光光束，在待加工工件表面形成裂纹，实现起裂；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；

连续激光器通过连续激光头向待加工工件发射连续激光光束，用于使超快激光光束起裂形成的裂纹进一步延伸，直至到达待加工工件底面；

超快激光头和连续激光头在加工路径上同步运动，且超快激光头在加工路径上始终位于连续激光头正前方，连续激光光束与超快激光光束的边缘最短间距为100μm～200μm且连续激光光束的光斑直径大于超快激光光束的光斑直径。

进一步地，超快激光器的参数设定如下：功率50W～200W，激光波长 355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，光斑大小10μm～50μm，焦点位于待加工工件表面。

进一步地，超快激光器的激光波长为355nm、532nm或1064nm。

进一步地，连续激光器的参数设定如下：功率100W～200W，波长 532nm～1064nm，光斑大小100μm～1mm。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种硬脆材料双光束热裂加工方法，按照预先规划好的裂纹路径，先采用脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的超快激光在待加工工件表面产生裂纹，实现起裂；然后利用连续激光照射超快激光起裂形成的裂纹，促使裂纹加深直至待加工工件底面；连续激光的光斑直径大于超快激光的光斑直径。

进一步地，超快激光的参数如下：功率50W～200W，激光波长 355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，光斑大小10μm～50μm，焦点位于待加工工件表面。

进一步地，超快激光的激光波长为355nm、532nm或1064nm。

进一步地，连续激光的参数设定如下：功率100W～200W，波长 532nm～1064nm，光斑大小100μm～1mm。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、先使用脉冲宽度在皮秒或飞秒的超快激光进行起裂，利用其高峰值功率多光子吸收，能够达到多种硬脆材料的高应力强度阈值，可以实现多种材料的适用性。

2、起裂光选超快脉冲激光，利用高峰值功率实现材料表面快速吸收能量，聚焦小光斑建立大梯度热应力场，达到无损高质量起裂的效果；将超快激光设置为功率50W～200W，波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps 且不大于材料电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，光斑大小 10μm～50μm，焦点位于材料表面，能够达到硬脆材料最佳的热裂法加工效果，使得裂纹表面整齐、碎片少、裂纹长度方向和深度方向更接近直线。

3、后使用连续激光进行深裂，提供持续的热源产生热应力，采用大光斑，在起裂裂纹的基础上整齐向深处扩展裂纹，实现裂纹深度扩展、边缘形貌整齐大小适中的加工效果，最终实现厚板硬脆材料高质量激光热裂加工，扩展激光热裂加工材料普适性。

4、连续激光器的参数设置为功率100W～200W，波长532nm～1064nm，光斑大小100μm～1mm，能够在确保达到工件厚度的加工深度前提下，使总体质量保持断面光滑平直、无碎屑熔渣毛刺、微裂纹少、粗糙度小、切割线无偏折。

附图说明

图1中为加工装置结构示意图；

图2为双光束热裂加工模拟示意图，左侧是裂纹纵截面示意图，右侧是裂纹横截面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-连续激光器；2-超快激光器；3-超快激光头；4-连续激光头；5-超快激光光束；6-连续激光光束；7-工件；8-支撑板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为本发明的硬脆材料双光束热裂加工装置的一个优选实施例，该装置包括：连续激光器1、超快激光器2以及支撑板8，连续激光器1包括连续激光头4，超快激光器2包括超快激光头3；支撑板8正面用于承载待加工工件7；其中，超快激光器2通过超快激光头3向待加工工件 7发射超快激光光束5，在待加工工件7表面形成裂纹，实现起裂；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；连续激光器1通过连续激光头4 向待加工工件7发射连续激光光束6，用于使超快激光光束5起裂形成的裂纹进一步延伸，直至到达待加工工件7底面；超快激光头3和连续激光头4 在加工路径上同步运动，且超快激光头3在加工路径上始终位于连续激光头4正前方，连续激光光束6与超快激光光束5的边缘最短间距为100μm～200μm。

其中，超快激光头3与连续激光头4的排列与加工行进方向平行，超快激光头3在前，连续激光头4在后，不可调换，且加工过程中二者位置间距保持固定。

优选地，超快激光器的参数设定如下：功率50W～200W，激光波长 355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，光斑大小10μm～50μm，焦点位于待加工工件表面。连续激光器的参数设定如下：功率100W～200W，波长 532nm～1064nm，光斑大小100μm～1mm。

此外，由于电声耦合效应，受到超快激光充能引发电离而产生的自由电子会在较短的时间内与离子复合，需要超快激光的脉冲宽度小于材料的电声耦合时间，确保起裂成功；并且超快激光头移走之后，裂纹会逐渐降温，因此，需要在起裂后迅速施加连续激光光束，即两束激光光束之间的距离必须足够近。此外，为保证加工过程的稳定性，需要通过运动控制和支撑部件(常规的十字工作台或机械手均可)使两个激光头在规划路径上同步运动。

下面结合图2介绍本发明的工作原理：

本发明的裂纹生成实际上分两个阶段，第一阶段是起裂阶段，此时通过超快激光光束5照射硬脆材料工件表面，激光能量造成电子电离，形成具有大量高温电子的浅加热区B，工件表面瞬间升温产生热应力而裂开生成浅裂纹A实现起裂。

第二阶段为裂纹加深阶段，通过在刚刚起裂生成的浅裂纹上迅速照射光斑更大的连续激光光束6，形成深加热区C，从而使得热应力迅速向深处延伸，迫使裂纹向更深处扩展形成深裂纹D，直至到达工件底面。

以下通过几个应用实例，对本发明的加工方法进行进一步介绍。

【实例1】玻璃材料的工件加工，厚度2mm，电声耦合时间>20ps

步骤1：装置布置：

连续激光器1通过光纤连接连续激光头4，超快激光器2通过光纤连接超快激光头3，工件7固定在支撑板8上，连续激光头4和超快激光头3固定在一起同步运动且超快激光头3位于连续激光头4之前，并连接运动控制和支撑装置。

步骤2：参数设定：

超快激光工艺参数：功率50W，波长355nm，脉冲宽度10ps，重复频率50kHz，光斑大小10μm，焦点位于材料表面；

连续激光器工艺参数：功率100W，波长532nm，光斑大小100μm；

连续激光光束6与超快激光光束5的边缘最短间距为100μm；

超快激光头3或支撑板8的运动速度可以根据加工效率需求进行设定；

步骤3：装置通电，超快激光头3发射超快激光光束5，连续激光头4 发射连续激光光束6；

步骤4：启动运动控制和支撑装置，使连续激光头4和超快激光头3 同步按照规划路径运动，或使支撑板8按照规划路径运动，在工件规划位置进行热裂法加工，超快激光光束5在工件表面产生浅裂纹，连续激光光束6使浅裂纹向更深处扩展变成深裂纹，直至到达工件底面。

【实例2】蓝宝石材料的工件加工，厚度3mm，电声耦合时间>80ps

步骤1：装置布置：

连续激光器1通过光纤连接连续激光头4，超快激光器2通过光纤连接超快激光头3，工件7固定在支撑板8上，连续激光头4和超快激光头3固定在一起同步运动且超快激光头3位于连续激光头4之前，并连接运动控制和支撑装置。

步骤2：参数设定：

超快激光工艺参数：功率100W，波长532nm，脉冲宽度70ps，重复频率200kHz，光斑大小25μm，焦点位于材料表面；

连续激光器工艺参数：功率150W，波长694nm，光斑大小300μm；

连续激光光束6与超快激光光束5的边缘最短间距为140μm；

超快激光头3或支撑板8的运动速度可以根据加工效率需求进行设定；

步骤3：装置通电，超快激光头3发射超快激光光束5，连续激光头4 发射连续激光光束6；

步骤4：启动运动控制和支撑装置，使连续激光头4和超快激光头3 同步按照规划路径运动，或使支撑板8按照规划路径运动，在工件规划位置进行热裂法加工，超快激光光束5在工件表面产生浅裂纹，连续激光光束6使浅裂纹向更深处扩展变成深裂纹，直至到达工件底面。

【实例3】陶瓷材料的工件加工，厚度5mm，电声耦合时间>200ps

步骤1：装置布置：

连续激光器1通过光纤连接连续激光头4，超快激光器2通过光纤连接超快激光头3，工件7固定在支撑板8上，连续激光头4和超快激光头3固定在一起同步运动且超快激光头3位于连续激光头4之前，并连接运动控制和支撑装置。

步骤2：参数设定：

超快激光工艺参数：功率200W，波长1064nm，脉冲宽度180ps，重复频率450kHz，光斑大小50μm，焦点位于材料表面；

连续激光器工艺参数：功率200W，波长1064nm，光斑大小800μm；

连续激光光束6与超快激光光束5的边缘最短间距为180μm；

超快激光头3或支撑板8的运动速度可以根据加工效率需求进行设定；

步骤3：装置通电，超快激光头3发射超快激光光束5，连续激光头4 发射连续激光光束6；

步骤4：启动运动控制和支撑装置，使连续激光头4和超快激光头3 同步按照规划路径运动，或使支撑板8按照规划路径运动，在工件规划位置进行热裂法加工，超快激光光束5在工件表面产生浅裂纹，连续激光光束6使浅裂纹向更深处扩展变成深裂纹，直至到达工件底面。

【实例4】

本实施例与实例1～3的区别主要是增加了试加工确定加工参数的步骤，主要是在材料性质不明确或者有更高的工艺要求时采用。

在正式加工之前，选取一块试样，首先针对超快激光器利用一定的参数间隔，对该试样进行多次加工，并使用目测和显微镜观测，筛选优质的裂纹断面，筛选标准：无损整齐开裂、裂纹附近材料变形小、裂纹方向和宽深一致性好；

选出优质裂纹断面对应的超快激光器的参数区间后，选取相同材料相同规格的新试样，利用选好的超快激光器参数，针对连续激光器利用一定的参数间隔重新进行多次加工，然后使用表面粗糙度测量仪进行断面检测，选出符合预设标准的粗糙度较小的裂纹断面，进而选定连续激光器的工艺参数。

最终使用目测、显微镜观测和粗糙度测量仪检测，总体加工质量能够达到：断面光滑平直、无碎屑熔渣毛刺、微裂纹少、粗糙度小，切割线无偏折。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硬脆材料双光束热裂加工装置，其特征在于，包括：连续激光器(1)、超快激光器(2)以及支撑板(8)，连续激光器(1)包括连续激光头(4)，超快激光器(2)包括超快激光头(3)；支撑板(8)正面用于承载待加工工件(7)；其中，

超快激光器(2)通过超快激光头(3)向待加工工件(7)发射超快激光光束(5)，在待加工工件(7)表面形成裂纹，实现起裂；超快激光是指脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的激光；

连续激光器(1)通过连续激光头(4)向待加工工件(7)发射连续激光光束(6)，用于使超快激光光束(5)起裂形成的裂纹进一步延伸，直至到达待加工工件(7)底面；

超快激光头(3)和连续激光头(4)在加工路径上同步运动，且超快激光头(3)在加工路径上始终位于连续激光头(4)正前方；连续激光光束(6)与超快激光光束(5)的边缘最短间距为100μm～200μm且连续激光光束(6)的光斑直径大于超快激光光束(5)的光斑直径；

超快激光器(2)的参数设定如下：功率50W～200W，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，光斑大小10μm～50μm，焦点位于待加工工件表面附近。

2.如权利要求1所述的一种硬脆材料双光束热裂加工装置，其特征在于，超快激光器(2)的激光波长为355nm、532nm或1064nm。

3.如权利要求1或2所述的一种硬脆材料双光束热裂加工装置，其特征在于，连续激光器(1)的参数设定如下：功率100W～200W，波长532nm～1064nm，光斑大小100μm～1mm。

4.一种硬脆材料双光束热裂加工方法，其特征在于，按照预先规划好的裂纹路径，先采用脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的超快激光在待加工工件表面产生裂纹，实现起裂；然后利用连续激光照射超快激光起裂形成的裂纹，促使裂纹加深直至待加工工件底面；连续激光的光斑直径大于超快激光的光斑直径；超快激光的参数如下：功率50W～200W，激光波长355nm～1064nm，脉冲宽度10fs～200ps且不大于待加工工件材料的电声耦合特征时间，重复频率50kHz～500kHz，光斑大小10μm～50μm，焦点位于待加工工件表面。

5.如权利要求4所述的一种硬脆材料双光束热裂加工方法，其特征在于，超快激光的激光波长为355nm、532nm或1064nm。

6.如权利要求4或5所述的一种硬脆材料双光束热裂加工方法，其特征在于，连续激光的参数设定如下：功率100W～200W，波长532nm～1064nm，光斑大小100μm～1mm。

Images