一種高質(zhì)量氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置，包括紫外激光器、掃描振鏡，二維加工平臺(tái)，以及容器；容器位于所述二維加工平臺(tái)上，該容器用于盛水和待刻蝕加工的氧化鋁陶瓷，所述水的表面到氧化鋁陶瓷表面距離為2mm-12mm；所述掃描振鏡位于所述紫外激光器的出光光路上，該掃描振鏡用于將紫外激光器發(fā)射的激光束聚焦在所述氧化鋁陶瓷表面。本實(shí)用新型巧妙的引入“水”的因素，在水下對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行激光刻蝕的冷卻和排渣效應(yīng)，有效的避免了空氣中直接刻蝕出現(xiàn)的發(fā)黑變質(zhì)現(xiàn)象，并且也增加了刻蝕深度，改善了刻蝕質(zhì)量并提高了激光刻蝕加工效率，利用本實(shí)用新型可以在氧化鋁陶瓷表面激光刻蝕制作出各種高尺寸精度的三維復(fù)雜圖案。
【專利說(shuō)明】一種高質(zhì)量氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及激光加工領(lǐng)域，尤其涉及激光刻蝕加工氧化鋁陶瓷領(lǐng)域，具體為一種高質(zhì)量氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋁陶瓷材料是目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料之一，在生物、微電子、化工等領(lǐng)域已成為不可或缺的材料。然而，由于氧化鋁陶瓷存在著抗熱震性差和斷裂韌性低等缺點(diǎn)，使其在傳統(tǒng)機(jī)械加工中遇到較大困難。傳統(tǒng)的車削、銑削等加工方式無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代科技對(duì)高精密復(fù)雜零件的加工要求。機(jī)械方法對(duì)氧化鋁陶瓷的切割、打孔等都被限制在直線型、較大尺寸以及簡(jiǎn)單圖形等的加工，這限制了氧化鋁陶瓷在微納制造領(lǐng)域的應(yīng)用。目前除了機(jī)械刻蝕加工的方法外，還有電火花加工、超聲波加工等方法。然而，陶瓷材料的電火花加工技術(shù)難度較大，易出現(xiàn)污染；超聲波加工則存在著效率低下和工具磨損嚴(yán)重等問題。
[0003]近年來(lái)激光在切削加工領(lǐng)域的應(yīng)用解決了許多傳統(tǒng)切削加工工藝無(wú)法解決的問題。紫外激光由于其波長(zhǎng)短，光子能量大，易獲得較小聚焦光斑，可以直接破壞被加工聚合物材料的化學(xué)鍵進(jìn)行精密加工，實(shí)現(xiàn)“冷加工”的過程，近年來(lái)在微電子陶瓷、精密光學(xué)材料加工等領(lǐng)域的研究越來(lái)越受到人們的重視。但紫外激光在空氣中直接刻蝕氧化鋁陶瓷材料時(shí)，高功率密度激光直接照射被刻蝕材料會(huì)導(dǎo)致材料表面的溫度將會(huì)迅速升高到熔化或者氣化溫度。當(dāng)氧化鋁陶瓷材料在2050?2980K的熔化過程不可避免的會(huì)引起氧化鋁陶瓷的晶相變化，形成α-Α1203和Y-Al2O3混合相為主的黑色變質(zhì)層，并且重凝層較為明顯，嚴(yán)重影響激光刻蝕氧化鋁陶瓷材的微加工質(zhì)量和尺寸精度。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為解決以上為難題，本實(shí)用新型給出了一種高質(zhì)量氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置，目的在于能夠避免黑色變質(zhì)層和重凝層發(fā)生，表面無(wú)發(fā)黑變質(zhì)層，刻蝕效率較高，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單。
[0005]本實(shí)用新型提供的一種氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置，其特征在于，該裝置包括紫外激光器、掃描振鏡，二維加工平臺(tái)，以及容器；
[0006]所述容器位于所述二維加工平臺(tái)上，該容器用于盛水和待刻蝕加工的氧化鋁陶瓷，所述水的表面到氧化鋁陶瓷表面距離為2_-12_ ;所述掃描振鏡位于所述紫外激光器的出光光路上，該掃描振鏡用于將紫外激光器發(fā)射的激光束聚焦在所述氧化鋁陶瓷表面。
[0007]所述容器上可設(shè)置入水通道和出水通道。
[0008]與常規(guī)在空氣中的紫外激光刻蝕氧化鋁陶瓷相比，本實(shí)用新型巧妙的引入“水”的因素，在水下對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行激光刻蝕的冷卻和排渣效應(yīng)，有效的避免了空氣中直接刻蝕出現(xiàn)的發(fā)黑變質(zhì)現(xiàn)象，并且也增加了刻蝕深度，改善了刻蝕質(zhì)量并提高了激光刻蝕加工效率，利用本實(shí)用新型可以在氧化鋁陶瓷表面激光刻蝕制作出各種高尺寸精度的三維復(fù)雜圖案。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是紫外激光在靜止水下刻蝕氧化鋁陶瓷的示意圖；
[0010]圖2是紫外激光在流動(dòng)水下刻蝕氧化鋁陶瓷的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本實(shí)用新型的基本原理是將氧化鋁陶瓷材料浸入水中一定深度(水面到激光刻蝕材料表面的距離約為2?12_)。水裝入在一個(gè)容器中，可以是靜止或以一定的速度流動(dòng)(I?8mm/s)。紫外激光束通過掃描振鏡控制刻蝕軌跡，透過水層并聚焦在氧化鋁陶瓷材料表面。紫外激光在水下進(jìn)行刻蝕加工時(shí)，由于水的比熱遠(yuǎn)大于陶瓷材料，因此，水的冷卻作用使陶瓷材料刻蝕表面的溫度達(dá)不到陶瓷材料熔點(diǎn)溫度，此時(shí)材料去除的機(jī)理是利用紫外激光多光子吸收效應(yīng)打斷陶瓷材料的化學(xué)鍵的光化學(xué)作用去除方式。因而陶瓷在較低的溫度也不會(huì)發(fā)生相變，從而完全避免激光刻蝕后產(chǎn)生發(fā)黑變質(zhì)現(xiàn)象。激光在水下進(jìn)行刻蝕加工的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生“空泡”這一物理現(xiàn)象，形成指向靶面的高速射流。該高速射流所產(chǎn)生的沖擊力往往可達(dá)到兆帕的數(shù)量級(jí)，形成對(duì)材料基體的強(qiáng)沖擊作用，使因激光作用去蝕的材料迅速脫離，因此提高了激光刻蝕深度，并且由于水的阻礙作用使去蝕后的材料無(wú)法重新黏附在基體表面，這樣既保證了刻蝕后的陶瓷表面不受殘?jiān)啬挠绊?，又可以加快材料的去蝕速率。
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本實(shí)用新型，但并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0013]如圖1所示，本發(fā)明提供的裝置包括紫外激光器、掃描振鏡6，二維加工平臺(tái)4，以及用于裝水2和待加工的氧化鋁陶瓷I的容器3 ；
[0014]待加工的氧化鋁陶瓷在刻蝕加工時(shí)位于盛有水的容器中，水的表面到氧化鋁陶瓷表面距離為2mm-12mm，該容器位于所述二維加工平臺(tái)上；所述紫外激光器發(fā)射的激光束5通過掃描振鏡的控制聚焦在所述氧化鋁陶瓷表面上進(jìn)行掃描刻蝕加工，刻蝕加工后的氧化鋁陶瓷表面無(wú)發(fā)黑變質(zhì)層和重凝層。
[0015]水可以是純凈水或也可以是普通自來(lái)水。
[0016]使用上述裝置進(jìn)行刻蝕加工的過程包括下述步驟:
[0017]第I步將氧化鋁陶瓷片進(jìn)行清洗；
[0018]第2步將清洗后的氧化鋁陶瓷材料放入平底容器中，加入一定量的水淹沒氧化鋁陶瓷材料，水表面到氧化鋁陶瓷材料表面距離為2mm?12mm，確保氧化鋁陶瓷材料整體水平地浸入水中。容器中的水可以是靜止或以以一定的速度流動(dòng)(如I?8mm/s)；
[0019]第3步將裝有水和陶瓷材料的容器放在紫外激光加工平臺(tái)上，將激光光斑透過水層聚焦在陶瓷表面上，設(shè)置激光參數(shù)如下:激光重復(fù)頻率30?IOOkHz ;激光脈沖能量密度48.0?85.5J/cm2 ;激光掃描速度40?180mm/s。使按照軟件中設(shè)計(jì)的圖形進(jìn)行掃描刻蝕加工。
[0020]圖2所示的裝置在容器7上設(shè)置有入水通道8和出水通道9。將氧化鋁陶瓷材料I放在盛有一定厚度的水2的容器7中，使水的表面到陶瓷表面距離為2-12_，容器7具有入水通道8和出水通道9，水2從入水通道8流入容器7容器，從出水通道9流出容器7 ;容器7放在二維加工平臺(tái)4上。紫外激光束5通過掃描振鏡6的控制聚焦在陶瓷材料I表面上進(jìn)行掃描刻蝕加工。激光掃描刻蝕加工參數(shù)分別為:激光重復(fù)頻率30~100kHz，激光脈沖能量密度48.0~85.5J/cm2，激光掃描速度40~180mm/s，水2流速為I~8mm/s。
[0021]實(shí)例1:
[0022]本實(shí)用新型采用了美國(guó)光波公司制作的Awave-355-10W-25K型號(hào)全固態(tài)調(diào)Q紫外激光器，輸出波長(zhǎng)為355nm，脈沖能量從O到500 μ J，頻率為10到100kHz，在水下進(jìn)行氧化鋁陶瓷的激光刻蝕加工。采用紫外激光刻蝕加工參數(shù)見表一所示。采用本實(shí)用新型獲得氧化鋁陶瓷刻蝕質(zhì)量達(dá)到了無(wú)發(fā)黑變質(zhì)層、刻蝕底面粗糙度明顯下降的效果。
[0023]表一
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置，其特征在于，該裝置包括紫外激光器、掃描振鏡，二維加工平臺(tái)，以及容器； 所述容器位于所述二維加工平臺(tái)上，該容器用于盛水和待刻蝕加工的氧化鋁陶瓷，所述水的表面到氧化鋁陶瓷表面距離為2mm-12mm ;所述掃描振鏡位于所述紫外激光器的出光光路上，該掃描振鏡用于將紫外激光器發(fā)射的激光束聚焦在所述氧化鋁陶瓷表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋁陶瓷的刻蝕加工裝置，其特征在于，所述容器具有入水通道和出水通道。
【文檔編號(hào)】B23K26/70GK203791838SQ201420139228
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】段軍, 孔令輝, 張菲, 曾曉雁 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)