自1960年第一臺(tái)藍(lán)寶石激光器誕生至今，人們對(duì)激光技術(shù)的研究就從未停止。激光在各種不同領(lǐng)域的研究得到了迅猛發(fā)展，特別是在激光制造領(lǐng)域最為活躍。激光應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域已有近20年的歷史，對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，其深度和廣度都已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平。
隨著高新科技的發(fā)展，微納制造技術(shù)、微機(jī)電（MEMS）技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛，為了適應(yīng)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，滿(mǎn)足激光制造領(lǐng)域的需要，激光微細(xì)加工得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。激光加工技術(shù)是涉及光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門(mén)學(xué)科的一種綜合技術(shù)，作為激光加工技術(shù)的一個(gè)分支，越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。激光微加工以精細(xì)、快速、精準(zhǔn)的特點(diǎn)著稱(chēng)，通過(guò)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)、計(jì)算機(jī)芯片以及太陽(yáng)能等領(lǐng)域，可用激光進(jìn)行切割、劃線(xiàn)、焊接、鉆孔、打標(biāo)、雕刻、印刷等，且潛力巨大。
近年來(lái)，手機(jī)成為人們不可或缺的產(chǎn)品，企業(yè)之間也存在著各種競(jìng)爭(zhēng)，不斷創(chuàng)新成為企業(yè)生存的砝碼。手機(jī)HOME鍵就是企業(yè)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。目前，HOME鍵大多采用藍(lán)寶石材料，原因在于藍(lán)寶石具有高強(qiáng)度、良好的絕緣性、高耐磨性、優(yōu)良的熱導(dǎo)率以及化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。由于手機(jī)HOME鍵要求精度很高，厚度也有一定的限制，因此需要對(duì)其進(jìn)行切割。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法容易產(chǎn)生廢屑、崩邊、裂紋等不良現(xiàn)象，機(jī)械接觸式的刀具磨損也會(huì)不斷增加加工成本，且其效率低下不適合市場(chǎng)需求。
光纖激光由于具有優(yōu)良的光束質(zhì)量，可將光斑直徑聚焦到10左右，所以非常有利于進(jìn)行激光精細(xì)加工。
光纖激光器是以摻雜稀土元素的光纖做激光介質(zhì)的一種高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，即由泵浦激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為所摻稀土離子的輻射波長(zhǎng)。光纖激光精密切割的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為光束質(zhì)量好、聚焦光斑小、加工質(zhì)量好、工作效率高以及切割速度快等方面。
激光切割使用聚焦后的連續(xù)或脈沖激光束照射材料表面，使被照射處的材料被高功率密度的激光束加熱，瞬間達(dá)到熔化、汽化溫度或者燃點(diǎn)，與此同時(shí)，用于激光束同軸的高速氣流將熔融的物質(zhì)吹出，隨著光束與材料的相對(duì)移動(dòng)，材料表面上形成切縫。激光切割示意圖如圖1所示。
激光加工系統(tǒng)由激光器、光路系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)（包括電控系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)）、輔助系統(tǒng)五大部分組成。如圖2所示為激光切割系統(tǒng)示意圖，圖中實(shí)線(xiàn)部分為光路和氣路，虛線(xiàn)代表控制線(xiàn)路。
圖2 實(shí)驗(yàn)所用切割系統(tǒng)示意圖
激光器是激光加工的核心設(shè)備，其作用是將電能轉(zhuǎn)變成光能并發(fā)出所需要的激光光束用于加工。光學(xué)導(dǎo)光系統(tǒng)是激光加工設(shè)備的主要組成部分，其作用是引導(dǎo)激光束至工作表面，對(duì)激光器輸出光束進(jìn)行整形、均勻、擴(kuò)束、聚焦和準(zhǔn)直，使在加工部位獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密度，同時(shí)，瞄準(zhǔn)加工部位，顯微觀察加工過(guò)程及加工零件。機(jī)械平臺(tái)系統(tǒng)主要包括多軸位移的機(jī)床、工作臺(tái)及步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，保證激光聚焦定位及移動(dòng)精度。控制系統(tǒng)應(yīng)能夠調(diào)節(jié)加工速度及加工路徑，并與激光的重復(fù)頻率配合實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量打孔加工。
激光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)能量的衰減，對(duì)能量的利用率和切割效率都有直接的影響，所以鏡片材料要對(duì)所使用波長(zhǎng)的激光有盡可能大的透過(guò)率，一般選擇鍍膜的鏡片來(lái)增大透過(guò)率。為了增大照射到加工材料上的激光能量密度，需要聚焦系統(tǒng)來(lái)減小激光的光斑尺寸。
激光傳導(dǎo)過(guò)程中，所有的鏡片都會(huì)由于制造工藝或受外界污染等原因?qū)е络R片壽命縮短。其中鏡片污染會(huì)導(dǎo)致鏡片對(duì)激光吸收率增加，進(jìn)而產(chǎn)生光束傳播時(shí)的功率損耗、聚焦光點(diǎn)位置的偏移及鍍膜層的過(guò)早損壞，因此保持鏡片的清潔非常重要。
激光切割的質(zhì)量評(píng)價(jià)和影響因素
對(duì)于激光熱切割加工而言，評(píng)價(jià)其加工質(zhì)量主要包括以下幾個(gè)原則：
1、切縫光滑、無(wú)條紋，沒(méi)有脆性斷裂；
2、切縫寬度宅，這主要與激光束光斑直徑大小有關(guān)；
3、切縫垂直度好，熱影響區(qū)小；
4、沒(méi)有材料燃燒，沒(méi)有熔化層形成，沒(méi)有大的熔渣；
5、切口表面粗糙度，表面粗糙度的大小是衡量激光切割表面質(zhì)量的關(guān)鍵。
要獲得較好的表面質(zhì)量等級(jí)，必須對(duì)激光功率、切割速度等工藝參數(shù)進(jìn)行多次優(yōu)化處理。一般而言，對(duì)具有相同特性和厚度的材料，工藝參數(shù)有一組最佳切割工藝參數(shù)。在相同切割工藝參數(shù)條件下，對(duì)于同一厚度的不同材料，由于物性參數(shù)的不同，也將得出不同的切口表面質(zhì)量。另外影響切割質(zhì)量的因素也有很多，切割材料本身的特性起著至關(guān)重要的作用，決定了該材料能否進(jìn)行激光切割。除了加工材料本身的特性外，還與切割工藝參數(shù)、光束質(zhì)量、外光路系統(tǒng)、噴嘴直徑和噴嘴與加工材料表面的間距等影響因素有關(guān)。綜合大量理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，可以得到影響激光切割質(zhì)量的兩種主要因素：一類(lèi)是加工系統(tǒng)性能和激光性能;另一類(lèi)是加工材料性能和工藝參數(shù)。
下面選取影響激光切割質(zhì)量的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析：
（1）激光功率
激光能量是激光切割過(guò)程中的主要能量來(lái)源，激光功率和切割速度決定了輸入到材料上的能量，激光功率的大小會(huì)對(duì)切割產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)切割速度、輔助氣體壓力等其它工藝參數(shù)一定時(shí)，切口寬度隨著激光功率的增加呈現(xiàn)一種線(xiàn)性正比關(guān)系。激光功率過(guò)小會(huì)出現(xiàn)切不透，增加功率，則切口寬度增加，端面粗糙度增大，激光切割時(shí)希望激光功率盡可能大，可以充分發(fā)揮激光器的功率優(yōu)勢(shì)，提高效率。
(2)切割速度
對(duì)給定的材料和激光功率，切割速度一般符合于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)式，只要在閾值以上，材料的切割速度與激光功率成正比，即增加功率可以提高切割速度。對(duì)于切割藍(lán)寶石而言，在其他工藝參數(shù)保持不變的情況下，激光切割速度可以有一個(gè)相對(duì)的調(diào)節(jié)范圍。
切割速度小，切口寬度大，切口粗糙度大；切割速度大，切口寬度和粗糙度小，超過(guò)最佳切割速度后粗糙度緩慢增加。切割速度過(guò)高，則切口刮渣較多或切不透；切割速度過(guò)低，則材料過(guò)燒，切口寬度和熱影響區(qū)較大。要提高切割質(zhì)量，當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時(shí)，要優(yōu)化切割速度。
（3）輔助氣體
輔助氣體除用于從切割區(qū)吹掉熔渣以清除切縫的惰性氣體和活性氣體，對(duì)藍(lán)寶石材料，使用氮?dú)饪梢云鸬揭种魄懈顓^(qū)過(guò)度燃燒的作用。
激光切割對(duì)輔助氣體的基本要求是氣流量要大，以便有充足的氮?dú)馀c切口材料發(fā)生放熱反應(yīng)，并有足夠的動(dòng)力將切口處的熔融材料吹除。高速切割藍(lán)寶石時(shí)，增加氣體壓力可以提高切割速度，防止切口背面產(chǎn)生刮渣。
當(dāng)激光功率和切割速度一定時(shí)，輔助氣體壓力對(duì)切割質(zhì)量有明顯影響。適當(dāng)增加氣體壓力，由于氣體動(dòng)量增大，除渣能量提高，可使切割速度提升；但壓力過(guò)大，切割面反而變得粗糙。在切割過(guò)程中，氮?dú)庵泻械碾s質(zhì)對(duì)切割質(zhì)量造成不良影響，因此氮?dú)獾募兌纫摺?
我司采用自己研制的紅外光纖激光切割機(jī)進(jìn)行藍(lán)寶石切割實(shí)驗(yàn)，光纖切割機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下表所示：
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激光波長(zhǎng) |
1064nm |
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最大功率 |
20W |
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加工幅面 |
160mm×160mm |
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切割厚度 |
<0.8mm |
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定位精度 |
±3μm |
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重復(fù)精度 |
±1μm |
藍(lán)寶石材料厚度為0.52mm。使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體，噴嘴直徑為0.8mm。
實(shí)驗(yàn)首先要在軟件中將起刀線(xiàn)的位置設(shè)置好，我們通過(guò)改變角度θ（起刀線(xiàn)與材料邊緣的角度）來(lái)改變起刀線(xiàn)的位置，如圖3所示。并觀察和分析起刀線(xiàn)位置對(duì)切割質(zhì)量的影響。θ依次選取15°、30°、45°、60°、75°和90°進(jìn)行試驗(yàn)，起刀線(xiàn)的長(zhǎng)度為0.3mm。起刀線(xiàn)的位置確定好后，再通過(guò)控制變量法，研究功率、脈寬、切割速度以及氣體對(duì)切割質(zhì)量的影響。
圖3 起刀線(xiàn)示意圖
當(dāng)激光剛照射到藍(lán)寶石材料表面時(shí)，將會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng)。為了消除切割開(kāi)始時(shí)的不利影響，在切割正式的圖形前添加的一段切割線(xiàn)，即起刀線(xiàn)，也稱(chēng)為輔助線(xiàn)。起刀線(xiàn)的切入角度也是影響切割質(zhì)量的重要因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角度為或時(shí)，濺射物長(zhǎng)度基本消除。
起刀線(xiàn)設(shè)置好后，我們保持脈寬、切割速度以及氣壓不變，通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率來(lái)觀察激光切割藍(lán)寶石質(zhì)量的情況。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，能夠切透藍(lán)寶石的臨界功率為17%。因此我們分別進(jìn)行了功率為25%、20%、18%及17%的切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示：
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圖a 功率為25%時(shí)切割效果圖 |
圖b 功率為20%時(shí)切割效果圖 |
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圖c 功率為18%時(shí)切割效果圖 |
圖d 功率為17%時(shí)切割效果圖 |
由上圖可知，隨著功率的不斷降低，功率為20%時(shí)切割效果最好。能量過(guò)高時(shí)，熱效應(yīng)大使崩邊量變大；能量較小時(shí)，有部分熔融物質(zhì)未被清除。
然后我們保持功率、脈寬及氣體不變，改變切割速度來(lái)觀察對(duì)切割效果的影響。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，切割速度為6mm/s時(shí)藍(lán)寶石就能切透。因此我們分別進(jìn)行了切割速度為6mm/s、8mm/s和10mm/s的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示：
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圖e 速度為6mm/s時(shí)切割效果圖 |
圖f 速度為8mm/s時(shí)切割效果圖 |
圖g 速度為10mm/s時(shí)切割效果圖
從上圖可知，隨著切割速度的不斷增大，切割效果先變好后變差，原因是當(dāng)達(dá)到了臨界功率后，如果增大速度伴隨著激光功率就會(huì)減小導(dǎo)致切割質(zhì)量受到影響。
接著我們保持功率、切割速度及氣體不變，改變頻率來(lái)觀察對(duì)切割效果的影響。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，重復(fù)頻率為650Hz時(shí)藍(lán)寶石就能切透。因此我們分別進(jìn)行了重復(fù)頻率為800Hz、1000Hz和1500Hz的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示：
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圖h 頻率為800Hz時(shí)切割效果圖 |
圖i 頻率為1000Hz時(shí)切割效果圖 |
圖j 頻率為1500Hz時(shí)切割效果圖
從上圖可知，在臨界頻率的基礎(chǔ)上增大重復(fù)頻率，藍(lán)寶石切割效果先變好后變差。由于脈寬是決定切割質(zhì)量的因素之一，隨著頻率的不斷增大，刮渣量先變小后又增大，綜合考慮刮渣的和毛刺量，可以確定頻率值為1000Hz。
最后我們保持功率、切割速度及頻率不變，改變氮?dú)鈿鈮簛?lái)觀察對(duì)切割效果的影響。從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，氮?dú)鈿鈮簽?.5MPa時(shí)藍(lán)寶石就能切透。因此我們分別進(jìn)行了氮?dú)鈿鈮簽?.6MPa、0.8MPa、0.9Ma和1MPa的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如下圖所示：
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圖k 氮?dú)鈿鈮簽?.6MPa時(shí)切割效果圖 |
圖l 氮?dú)鈿鈮簽?.8MPa時(shí)切割效果 |
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圖m 氮?dú)鈿鈮簽?.9MPa時(shí)切割效果圖 |
圖n 氮?dú)鈿鈮簽?MPa時(shí)切割效果圖 |
由上圖可知，在一定范圍內(nèi)，隨著氣體壓力的增加，崩邊量逐漸減少，在1MPa時(shí)，基本無(wú)崩邊，并且刮渣量也很少。隨著氣壓的逐漸增大，燃燒劇烈進(jìn)行，使藍(lán)寶石熔化量增大，熔融材料被吹走，氣壓越大，其效果越明顯。
由以上分析我們可以確定，使用我司的紅外光纖激光切割機(jī)切割厚度為0.52mm厚的藍(lán)寶石的最佳工藝參數(shù)為：采用激光功率為4W,重復(fù)頻率為1000Hz，氮?dú)鈿鈮簽?MPa和切割速度為8mm/s對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行切割，得到了較好的宏觀形貌。
