光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置及方法，包含沿光路依次布置的激光器、準直鏡、旋光系統(tǒng)和聚焦鏡，激光器發(fā)出激光，經(jīng)過準直鏡后由發(fā)散的光轉為平行光束；準直后的光束經(jīng)旋光系統(tǒng)進行整形，旋光系統(tǒng)將平行光光束形成能量均勻分布的圓形光圈；整形后光束進入聚焦鏡實現(xiàn)激光匯聚，由輔助定位影像系統(tǒng)配合控制激光打孔位置，進行高精度打孔并對打孔過程進行實時監(jiān)控。實現(xiàn)陶瓷鉆孔、劃線和切割功能，激光單點沖出不同微孔(D≤1mm)，具有光斑小、效率高和成本低等優(yōu)點。
【專利說明】光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置及其方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置及其方法。

【背景技術】
[0002]隨著科技的發(fā)展，陶瓷在電子產(chǎn)品和LED照明等行業(yè)中的應用也越來越廣泛。根據(jù)陶瓷的應用范圍，可將其分為兩種:一種是功能陶瓷，因其具有特殊的本征物理特性(導電性、磁性、介電性、鐵電性和光學性等)，可作為元器件應用于電子工程領域；另一種是結構陶瓷，因其熔點高、強度、化學穩(wěn)定性、力學熱學性能，以及使用壽命和可靠性等多個方面具有顯著優(yōu)勢，被廣泛作為結構件來用。
[0003]對于燒結后陶瓷，機械加工(金剛石磨削加工)至今被認為是最為可靠和理想的加工手段，可以滿足高尺寸精度以及高表面光潔度的成品要求。但是對于硬度僅次于金剛石的陶瓷來說,高額的加工成本(約占總加工成本的60?90% )以及較長加工周期導致高質量高精度陶瓷成本的價格居高不下；而機械磨削加工后，陶瓷表面殘余應力以及塑性變形已經(jīng)成為影響陶瓷成品質量的主要問題。
[0004]當今學者對燒結后的硬脆性陶瓷進行成形加工成為近年來的研究熱點，其加工方式包括超聲速振動磨削、水射流加工、化學加工、電化學加工、等離子束加工以及激光加工等。相比其他加工方式，激光加工采用聚焦獲得高功率光能量到材料表面，使局部材料加熱、熔化、分解、氣化實現(xiàn)對材料的去除，對外界環(huán)境要求不高，其加工質量取決于使用的工藝參數(shù)、材料的光學和熱學特性。激光加工具有非接觸性、柔性化，高效率、易實現(xiàn)數(shù)字化控制點，易于CNC機床集成實現(xiàn)三維加工，基本無損耗，低成本。
[0005]隨著器件朝著微型化、便攜式的方向發(fā)展，對電路板小型化提出了越來越高的需求。例如，在陶瓷基板的線寬在50um以下，小孔的精度在20um以下，鉆孔孔徑在80um以下。相比C02激光器加工，由于其波長較長、受到透鏡像差、衍射等因素的制約，加工出來的光斑(含熱影響區(qū))都將近lOOum，很難滿足陶瓷的應用；而對于波長加工較短紫外激光(355nm)和綠光(532nm)雖然光斑較小，但是受到納秒脈寬，高頻率，較低激光器功率(< 50W)以及激光器價格昂貴等因素制約，使得其在陶瓷加工的效率大幅降低以及無法開展工業(yè)級應用。對于以上要求，傳統(tǒng)的加工方法與裝置難以勝任。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置及其方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0008]光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，特點是:包含沿光路依次布置的激光器、擴束鏡、旋光系統(tǒng)和聚焦鏡，激光器是1064nm紅外光纖激光器,旋光系統(tǒng)安裝于角度調整架之下，聚焦鏡輸出端正對于用于放置氧化鋁陶瓷的三維平臺，所述三維平臺上方設有吸收劑涂覆裝置。
[0009]進一步地，上述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，所述激光器是1064nm紅外光纖QCW激光器。
[0010]更進一步地，上述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，所述旋光系統(tǒng)包含兩片楔形鏡片，其中每片楔形鏡片的兩面分別是平面和傾斜面，兩片楔形鏡片的平面向外，傾斜面向內，由機械部件固定楔形鏡片位置，電機與安裝在楔形鏡片上的皮帶驅動連接。
[0011]更進一步地，上述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，所述三維平臺上方布置有輔助定位影像系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明光纖激光加工氧化鋁陶瓷的方法，激光器發(fā)出激光，經(jīng)過準直鏡獲得均勻的平行光束；準直后的光束經(jīng)旋光系統(tǒng)進行整形，旋光系統(tǒng)將平行光光束形成能量均勻分布的圓形光圈；整形后光束進入聚焦鏡實現(xiàn)激光匯聚；吸收劑涂覆裝置將吸收劑涂覆在氧化鋁陶瓷面位置，增加加工所在陶瓷表面區(qū)域對激光的吸收性，使加工過程中無跳點。
[0013]再進一步地，上述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的方法，通過調整旋光系統(tǒng)的兩片楔形鏡片角度實現(xiàn)獲得不同孔徑的圓形光圈。
[0014]再進一步地，上述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的方法，由輔助定位影像系統(tǒng)配合控制激光打孔位置。
[0015]本發(fā)明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在:
[0016]①采用1064nm紅外光纖QCW激光器與普通的連續(xù)激光器相比，具有很高的峰值功率和比較長的脈寬，尤其是在與材料作用時通過瞬間高峰值功率熱，較低占空比與材料發(fā)生高溫燒蝕去除物質，使用這種方式可以極大地減小熱影響區(qū)域；可以獲得很好的邊緣效果;
[0017]②旋光系統(tǒng)將能量分布為高斯分布的激光光束通過其內部的楔形鏡片改變角度，即獲得截面能量密度均勻的不同直徑圓形光斑(D< Imm)，經(jīng)過整形后的光束可以獲得更好的打孔效果及效率；加工的小孔不僅圓度優(yōu)良，而且效率很高(無需使用平臺插補)；
[0018]③吸收劑涂覆裝置將吸收劑涂覆在氧化鋁陶瓷面位置，增加激光加工所在陶瓷表面區(qū)域對激光的吸收性，使加工過程中無跳點；
[0019]④實現(xiàn)陶瓷鉆孔、劃線和切割等功能，激光單點沖出不同微孔(D ( 1mm)，具有光斑小、效率高和成本低等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明技術方案作進一步說明:
[0021]圖1:本發(fā)明的光路示意圖；
[0022]圖2:旋光系統(tǒng)的工作示意圖；
[0023]圖3:加工過程示意圖。

【具體實施方式】
[0024]采用經(jīng)過優(yōu)化的激光光束進行加工，可獲得更高的加工效率，不僅提升效率、降低成本，還可加工更小更密的微孔。
[0025]如圖1所示，光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，包含沿光路依次布置的激光器1、準直鏡2、角度調整腳3、旋光系統(tǒng)4和聚焦鏡5，激光器I是1064nm紅外光纖QCW激光器，旋光系統(tǒng)4安裝于角度調整架3之下，旋光系統(tǒng)4包含兩片楔形鏡片，其中每片楔形鏡片的兩面分別是平面和傾斜面，兩片楔形鏡片的平面向外，傾斜面向里，通過機械部件固定鏡片位置，通過電機帶動固定在鏡片上的皮帶轉動，改變相應的參數(shù)后使得鏡片呈現(xiàn)出不同的夾角，光束通過旋光系統(tǒng)掃描出不同直徑的圓形光；聚焦鏡5輸出端正對于用于放置氧化鋁陶瓷的三維平臺，三維平臺上方設有吸收劑涂覆裝置，三維平臺上方還布置有輔助定位影像系統(tǒng)。
[0026]激光器I為1064nm光纖激光器,含有兩種出光模式，即CW和QCW,脈寬為微秒到毫秒量級。1064nm紅外光纖QCW激光器與普通的連續(xù)激光器相比，具有較高的峰值功率和較長的脈寬，尤其是在與材料作用時通過高峰值功率，較低占空比，以高溫的形式順江熔融材料，這樣能夠減小熱影響區(qū)域和很好的邊緣效果；降低陶瓷背面掛渣的硬度。
[0027]圖2為旋光系統(tǒng)的工作示意圖，旋光系統(tǒng)4將能量分布為高斯分布的激光光束通過其內部的楔形鏡片改變角度，即獲得截面能量密度均勻的不同直徑圓形光斑(D< 1mm)，經(jīng)過整形后的光束可以獲得更好的打孔效果及效率，如圖3所示。旋光系統(tǒng)4使準直好的平行光優(yōu)先通過楔形鏡片，聚焦，在平臺上以單點沖孔的方式加工微孔。對比平臺插補劃圓的方式，采用這樣方式加工的小孔不僅圓度優(yōu)良，而且效率也很高。
[0028]吸收劑涂覆裝置將吸收劑涂覆在切割頭噴嘴附近所對應的氧化鋁陶瓷面位置，用于增加激光加工所在的陶瓷表面區(qū)域對激光的吸收性，以保證材料在加工過程中無跳點。
[0029]高精度三維平臺和高分辨率輔助定位影像系統(tǒng)，以確保打孔的位置精度，可使設備的整體打孔精度控制在5um以內。輔助定位影像系統(tǒng)由兩部分組成，其一是旁軸影像:用于激光出光中心與樣品加工中心的對位；其二，記錄影像:記錄激光加工的整個過程，從而用于樣品加工完成后激光與樣品作用原理的分析。
[0030]具體應用時，激光器I發(fā)出激光，經(jīng)過準直鏡2獲得平行光束；準直后的光束經(jīng)角度調整架，保證激光的垂直入射后，再經(jīng)旋光系統(tǒng)4進行整形，旋光系統(tǒng)4將平行光光束形成環(huán)形能量均勻分布的環(huán)形光圈，通過調整旋光系統(tǒng)4的兩片楔形鏡片角度實現(xiàn)獲得不同孔徑的圓形光斑；整形后光束進入聚焦鏡5實現(xiàn)激光匯聚，由輔助定位影像系統(tǒng)配合控制激光打孔位置，進行高位置精度打孔并對打孔過程進行實時監(jiān)控。在兼顧劃線和快速打孔同時，采用集塵裝置收集加工過程中產(chǎn)生的粉塵。
[0031]綜上所述，本發(fā)明實現(xiàn)陶瓷鉆孔、劃線和切割，激光單點沖出不同微孔(D ( Imm)，解決了激光鉆小孔過程中的效率及效果問題，同時也擴大了激光單點打孔在微制造領域的應用。特別適用于C0B、LED照明等行業(yè)，對比于傳統(tǒng)CNC和CO2激光設備，本發(fā)明具有光斑小、效率高和成本低等優(yōu)點。
[0032]需要理解到的是:以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，其特征在于:包含沿光路依次布置的激光器、準直鏡、角度調整架、旋光系統(tǒng)和聚焦鏡，激光器是1064nm紅外光纖激光器,旋光系統(tǒng)安裝于角度調整架之下，聚焦鏡輸出端正對于用于放置氧化鋁陶瓷的三維平臺，所述三維平臺上方設有吸收劑涂覆裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，其特征在于:所述激光器是1064nm紅外光纖QCW激光器。
3.根據(jù)權利要求1所述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，其特征在于:所述旋光系統(tǒng)包含兩片楔形鏡片，其中每片楔形鏡片的兩面分別是平面和傾斜面，兩片楔形鏡片的平面向外，傾斜面向內，由機械部件固定楔形鏡片位置，電機與安裝在楔形鏡片上的皮帶驅動連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的裝置，其特征在于:所述三維平臺上方布置有輔助定位影像系統(tǒng)。
5.利用權利要求1所述裝置實現(xiàn)光纖激光加工氧化鋁陶瓷的方法，其特征在于:激光器發(fā)出激光，經(jīng)過準直鏡后形成平行光束；然后光束經(jīng)旋光系統(tǒng)進行整形，旋光系統(tǒng)將平行光束形成能量均勻分布的圓形光圈；整形后光束進入聚焦鏡實現(xiàn)激光匯聚；吸收劑涂覆裝置將吸收劑涂覆在氧化鋁陶瓷面位置，陶瓷表面區(qū)域對激光的吸收性，使加工過程中無跳點。
6.根據(jù)權利要求5所述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的方法，其特征在于:通過調整旋光系統(tǒng)的兩片楔形鏡片角度獲得不同孔徑的圓形光圈。
7.根據(jù)權利要求5所述的光纖激光加工氧化鋁陶瓷的方法，其特征在于:由輔助定位影像系統(tǒng)配合控制激光打孔位置。
【文檔編號】B23K26/382GK104384727SQ201410658353
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權日:2014年11月19日
【發(fā)明者】張凱, 雷春翔, 張士磊, 尹洪峰 申請人:蘇州德龍激光股份有限公司, 江陰德力激光設備有限公司