CN114406500B - 一种铁氧体复合材料激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁氧体复合材料激光切割方法，包括如下步骤：第一步，安装铁氧体复合材料，使保护层优先切割；第二步，发射激光并聚焦，得到聚焦光束，控制聚焦光束在铁氧体复合材料表面形成焦点；第三步，控制聚焦光束沿设定轨迹运动，对铁氧体复合材料进行间歇式重复扫描，至完成切割。本发明克服了复杂形状铁氧体复合材料在切割过程中易产生脆性损伤的缺点，聚焦光束通过熔融切割铁氧体复合材料，保护层优先切割，保护层可以缓解热积累过程，对铁氧体层起到保护作用，间歇式重复扫描切割热影响区较小，可以进一步防止脆性损伤的产生，使切割效果更好。

Description

一种铁氧体复合材料激光切割方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种铁氧体复合材料激光切割方法。

背景技术

随着通讯技术的蓬勃发展，各种无线设备广泛应用于各种终端设备，但多种信号之间存在着严重的干扰现象。电磁屏蔽材料的使用可以显著降低这种干扰现象，保障设备的稳定与安全。新型铁氧体复合材料因体积小、屏蔽稳定被广泛采用。但在使用过程中，仍需要对新型铁氧体复合材料进行高质量切割，来应对各种类终端设备的定制化贴片需求。

传统切割方法为机械切割，采用模切和冲切的方式，加工效率低，加工时容易破碎铁氧体复合材料。公开号CN211804430U的专利公开了一种切割精度高的铁氧体模切装置，加工效率高，但是切割质量较差，容易导致材料边缘的脆性碎裂，针对复杂形状切割具有局限性。公开号CN104107983A的专利公开了一种新型铁氧体激光切割方法，该方式仅实现了简单的直线切割，无法实现复杂切割轨迹。公开号CN111822879A的专利公开了一种铁氧体材料的超快激光加工装置及加工方法，加工质量好，精度高，但是超快激光加工装置价格昂贵，加工效率低，无法实现大规模的应用和推广。公开号CN 112008236A的专利公开了一种铁氧体的激光切割方法及激光切割设备，切割质量好，双激光器设备复杂和重复定位难，长期运行中需要不断进行维护，不利于批量化生产。

综上，铁氧体材料的切割方法目前还存在切割效率和切割质量之间的矛盾问题，并且缺乏低边缘损伤、高切割效率和适用于复杂形状的切割方法，以满足轻量化、定制化切割需求。

发明内容

因此，本发明提供一种铁氧体复合材料激光切割方法，克服复杂形状铁氧体复合材料高效率切割的情况下，易产生边缘性损伤的缺陷。

一种铁氧体复合材料激光切割方法，包括如下步骤：

第一步，安装铁氧体复合材料，使保护层优先切割；

第二步，发射激光并聚焦，得到聚焦光束，控制聚焦光束在铁氧体复合材料表面形成焦点；

第三步，控制聚焦光束沿设定轨迹运动，对铁氧体复合材料进行间歇式重复扫描，至完成切割。

优选的，间歇式重复扫描前还进行如下步骤：优化扫描路径，包括切割轨迹转角圆角化、填充间距优化、填充线扫描顺序优化；优化扫描速度，扫描速度从高至低依次模拟，以选取能实现切割的最高扫描速度。

优选的，所述间歇式重复扫描包括扫描过程和冷却过程；

所述扫描过程为，聚焦光束沿设定轨迹对加工区域重复扫描，重复次数为n；

所述冷却过程为对加工区域冷却降温，冷却时间为t；

先进行扫描过程，然后进行冷却过程，等待铁氧体复合材料冷却降温至扫描前温度后，进行下一个扫描过程，再进行冷却过程，重复N次，直至铁氧体复合材料切割完成。

优选的，间歇式重复扫描时，每完成一次所述扫描过程和冷却过程，切缝深度增加，焦点向下移动0.02～0.03mm。

优选的，铁氧体复合材料的厚度为0.1～0.2mm时，n为30次；

铁氧体复合材料的厚度为0.2～0.4mm时，n为20次；

铁氧体复合材料的厚度大于0.4mm时，n为10次。

优选的，所述冷却时间t与扫描次数n成正比；

所述间歇式重复扫描的次数N和铁氧体复合材料(6)的厚度成正比，所述间歇式重复扫描的次数N和焦点的移动速度成反比。

优选的，所述冷却过程为空冷。

优选的，切割过程设置有保护气。

有益效果：本发明克服了复杂形状铁氧体复合材料在切割过程中易产生脆性损伤的缺点，聚焦光束通过熔融切割铁氧体复合材料，保护层优先切割，保护层可以缓解热积累过程，对铁氧体层起到保护作用，间歇式重复扫描切割热影响区较小，可以进一步防止脆性损伤的产生，使切割效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的流程图；

图2为装置连接示意图；

图3为铁氧体复合材料结构示意图；

图4为聚合物保护层的低损伤切割热影响区表征；

图5为橡胶基底层的低损伤切割热影响区表征；

图6为铁氧体复合材料切割效果实物图；

附图标记说明：

1、紫外纳秒激光；2、光学组件；3、数字振镜；4、远心场镜；5、聚焦光束；6、铁氧体复合材料；61、聚合物保护层；62、铁氧体层；63、橡胶基底层；64、胶粘层；7、工程机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

一种铁氧体复合材料激光切割方法，如图1所示，包括如下步骤：

切割装置准备阶段，准备如下装置，包括：

工程机7，其上安装有激光软件和切割软件；

纳秒紫外激光器1，其通过激光软件控制，作为激光源提供激光，其参数为脉宽小于15ns，波长为355nm，功率为5～20W，重复频率最大200kHz。

光学组件2，其可用来调整纳秒紫外激光器1发出的激光。

远心场镜4，其可将激光进行聚焦，形成聚焦光束5。

数字振镜3，其通过切割软件控制，用来控制聚焦光束5焦点的移动，并对铁氧体复合材料6进行扫描。

上述所述装置配置如图2所示，工程机分别与纳秒紫外激光器1和数字振镜3连接，光学组件2设置在纳秒紫外激光器1输出端与数字振镜3之间，远心场镜4设置在数字振镜3和铁氧体复合材料6之间。

切割准备阶段包括如下步骤：

第一步，安装铁氧体复合材料6，使保护层向上。如图3所示，铁氧体复合材料6一般为层状结构，包括铁氧聚合物保护层61、橡胶基底层63和铁氧体层62，铁氧体层62设置于铁氧聚合物保护层61和橡胶基底层63之间，铁氧体层62与铁氧聚合物保护层61和橡胶基底层63之间分别设置有胶粘层64，并通过胶粘层64连接，形成柔性复合结构。

本实施例中，铁氧体层62导热系数大，而橡胶基底层63及聚合物保护层61为低熔点材料，切割过程中，会产生大量的热量，橡胶材料会强烈吸收这些热量，橡胶基底层63朝上会导致热量快速积累产生切缝边缘熔融和喷溅，铁氧聚合物保护层61朝上则可以显著缓解热积累过程，减小热影响区，提高切割质量，降低边缘性损伤。

设置保护气作为保护层，保护铁氧体复合材料6。

一方面，保护气可以避免铁氧体层62在切割过程中氧化，另一方面，保护气可以作为制冷媒介降低重复扫描过程及间歇期间的降温，抑制热影响区的扩展。

第二步，发射激光并聚焦，得到聚焦光束，控制聚焦光束在铁氧体复合材料表面形成焦点。通过工程机7上的激光软件控制纳秒紫外激光器1发射激光束。激光束波长为355nm，激光束经过光学组件2进行调整，然后进入数字振镜3，最后通过远心场镜4产生聚焦光束5，聚焦光束5于铁氧体复合材料6上表面形成焦点，准备开始切割。

本实施例中，纳秒紫外激光峰值功率高、光子能量高、波长短，各种金属材料、氧化物及非金属材料对其吸收率均高于可见光与红外波段，加工铁氧体复合材料6可显著提高加工质量和效率，尤其是可以减小对橡胶基底63与聚合物保护层61的切割损伤。

第三步，控制聚焦光束5沿设定轨迹运动，对铁氧体复合材料6进行间歇式重复扫描，至完成切割。在切割软件内提前设定好切割轨迹，通过工程机7上的切割软件控制数字振镜3，数字振镜3调整聚焦点位置，进而控制聚焦光束5对铁氧体复合材料6进行间歇式重复扫描，形成切割轨迹。

本实施例中，数字振镜3扫描具有高速、高精度、高重复精度等优点，可实现各种复杂形状和精密图形的扫描。纳秒紫外激光经过远心场镜4聚焦后可获得高强度聚焦光斑。数字振镜3配合远心场镜4可实现聚焦光斑的高精度快速扫描，在幅面内加工出各种复杂形状。

间歇式重复扫描之前，先对扫描路径和扫描速度进行优化。

优化扫描路径，包括切割轨迹转角圆角化、填充间距优化、填充线扫描顺序优化；优化扫描速度，优先较高的扫描速度。切割软件内可事先录入图形资料。基本地，直线、曲线、闭合图形及复杂组合图形等扫描路径均可由切割软件快速实现，以满足各类电磁屏蔽贴片的切割。不同的扫描路径对应于不同的扫描参数，参数经过***优化，涉及激光参数(如功率、频率)和扫描速度、填充方式等。

间歇式重复扫描包括扫描过程和冷却过程。

扫描过程为，聚焦光束5沿设定轨迹对加工区域重复扫描，重复次数为n；

冷却过程为对加工区域冷却降温，冷却时间为t；

先进行扫描过程，然后进行冷却过程，等待铁氧体复合材料冷却降温至扫描前温度后，进行下一个扫描过程，再进行冷却过程，重复N次，直至铁氧体复合材料切割完成。

间歇式重复扫描时，每完成一次所述扫描过程和冷却过程，切缝深度增加，焦点向下移动0.02～0.03mm，焦点移动距离由材料切缝深度扩展速度决定。

其中，重复扫描次数n可根据对不同厚度的铁氧体复合材料6的切割效率和质量要求进行调整，一般为10～30次，厚度为0.1～0.2mm的材为30次，厚度0.2～0.4mm为20次，0.4mm以上为10次。

冷却时间t与重复扫描次数n成正比，一般重复扫描次数越多，切割铁氧体复合材料6产生的热量越多，相应的冷却过程所需要时间也就越多。一般的，冷却过程采用空冷，空冷较为方便，此外，可根据需求加入制冷剂或吹气来进一步降低冷却时间，提升切割效率。

间歇式重复扫描次数N与铁氧体复合材料6的厚度和聚焦光束5焦点的移动相关。

由上述重复扫描次数n可知，铁氧体复合材料6越厚，重复扫描次数n也相应地减少，聚焦光束5切割效率一定的情况下，间歇式重复扫描次数N也就相应的变多。

铁氧体复合材料6厚度不变，重复扫描次数也就不变，焦点向下移动速度越快，也就意味着聚焦光束5切割效率增高，相应的，间歇式重复扫描次数N也就变少。

本实施例中，铁氧体复合材料6中铁氧体层62导热系数大，而橡胶基底层63及聚合物保护层61为低熔点材料，因此在扫描过程中铁氧体层62热积累严重会导致橡胶基底层63与聚合物保护层61严重融化，间歇式重复扫描可以显著降低热影响区，对比实际切割效果，相比于连续重复扫描加持续冷却的方式，间歇式扫描切割热影响区更小，并且冷却方式可以采用更为方便的空冷，而连续扫描在持续注入强制冷媒介情况下切割效果依旧较差。

具体切割过程一：

铁氧体复合材料6厚度为0.3mm，其中铁氧体层62厚度为0.15mm。

纳秒紫外激光器1参数为：频率80kHz、功率11W；

扫描参数为：扫描速度1mm/s、重复扫描次数n为20，间隔冷却(空气中自然冷却)时间为10s；焦点无移动，重复过程次数N为7次。

切割效果如图4和图5所示，切缝边缘光滑无熔融、毛刺，聚合物保护层61热影响区宽度为87μm，橡胶基底层62热影响区宽度为21μm，实现铁氧体复合材料6的低损伤、高精度激光切割。

具体切割过程二：

如图6所示的铁氧体复合材料6屏蔽贴片切割，包括：圆形切片及天线引出切槽，激光参数参考具体切割过程1，并设置了保护气，其中天线引出切槽轮廓经过圆角化处理，圆角半径为0.2mm。切割完成后屏蔽贴片轮廓清晰无毛刺、铁氧体层62无碎裂，尺寸精准，形状美观可定制化，显示出在电子行业的应用潜力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种铁氧体复合材料激光切割方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，安装铁氧体复合材料(6)，使保护层优先切割；

第二步，发射激光并聚焦，得到聚焦光束，控制聚焦光束在铁氧体复合材料(6)表面形成焦点；

第三步，控制聚焦光束(5)沿设定轨迹运动，对铁氧体复合材料(6)进行间歇式重复扫描，至完成切割；

铁氧体复合材料包括铁氧聚合物保护层、橡胶基底层和铁氧体层，铁氧体层设置于铁氧聚合物保护层和橡胶基底层之间，铁氧体层导热系数大，而橡胶基底层及聚合物保护层为低熔点材料；

所述间歇式重复扫描包括扫描过程和冷却过程；

所述扫描过程为，聚焦光束(5)沿设定轨迹对加工区域重复扫描，重复次数为n；

所述冷却过程为对加工区域冷却降温，冷却时间为t；

先进行扫描过程，然后进行冷却过程，等待铁氧体复合材料(6)冷却降温至扫描前温度后，进行下一个扫描过程，再进行冷却过程，重复N次，直至铁氧体复合材料(6)切割完成。

2.根据权利要求1所述的一种铁氧体复合材料激光切割方法，其特征在于，间歇式重复扫描前还进行如下步骤：优化扫描路径，包括切割轨迹转角圆角化、填充间距优化、填充线扫描顺序优化；优化扫描速度，扫描速度从高至低依次模拟，以选取能实现切割的最高扫描速度。

3.根据权利要求2所述的一种铁氧体复合材料激光切割方法，其特征在于，间歇式重复扫描时，每完成一次所述扫描过程和冷却过程，切缝深度增加，焦点向下移动0.02～0.03mm。

4.根据权利要求3所述的一种铁氧体复合材料激光切割方法，其特征在于，铁氧体复合材料(6)的厚度为0.1～0.2mm时，n为30次；

铁氧体复合材料(6)的厚度为0.2～0.4mm时，n为20次；

铁氧体复合材料(6)的厚度大于0.4mm时，n为10次。

5.根据权利要求4所述的一种铁氧体复合材料激光切割方法，其特征在于，所述冷却时间t与扫描次数n成正比；

所述间歇式重复扫描的次数N和铁氧体复合材料(6)的厚度成正比，所述间歇式重复扫描的次数N和焦点的移动速度成反比。

6.根据权利要求4所述的一种铁氧体复合材料激光切割方法，其特征在于，所述冷却过程为空冷。

7.根据权利要求1所述的一种铁氧体复合材料激光切割方法，其特征在于，切割过程设置有保护气。