光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及其方法
【专利摘要】本发明涉及光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及方法，包含沿光路依次布置的激光器、准直镜、旋光系统和聚焦镜，激光器发出激光，经过准直镜后由发散的光转为平行光束；准直后的光束经旋光系统进行整形，旋光系统将平行光光束形成能量均匀分布的圆形光圈；整形后光束进入聚焦镜实现激光汇聚，由辅助定位影像系统配合控制激光打孔位置，进行高精度打孔并对打孔过程进行实时监控。实现陶瓷钻孔、划线和切割功能，激光单点冲出不同微孔(D≤1mm)，具有光斑小、效率高和成本低等优点。
【专利说明】光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，陶瓷在电子产品和LED照明等行业中的应用也越来越广泛。根据陶瓷的应用范围，可将其分为两种:一种是功能陶瓷，因其具有特殊的本征物理特性(导电性、磁性、介电性、铁电性和光学性等)，可作为元器件应用于电子工程领域；另一种是结构陶瓷，因其熔点高、强度、化学稳定性、力学热学性能，以及使用寿命和可靠性等多个方面具有显著优势，被广泛作为结构件来用。
[0003]对于烧结后陶瓷，机械加工(金刚石磨削加工)至今被认为是最为可靠和理想的加工手段，可以满足高尺寸精度以及高表面光洁度的成品要求。但是对于硬度仅次于金刚石的陶瓷来说,高额的加工成本(约占总加工成本的60?90% )以及较长加工周期导致高质量高精度陶瓷成本的价格居高不下；而机械磨削加工后，陶瓷表面残余应力以及塑性变形已经成为影响陶瓷成品质量的主要问题。
[0004]当今学者对烧结后的硬脆性陶瓷进行成形加工成为近年来的研究热点，其加工方式包括超声速振动磨削、水射流加工、化学加工、电化学加工、等离子束加工以及激光加工等。相比其他加工方式，激光加工采用聚焦获得高功率光能量到材料表面，使局部材料加热、熔化、分解、气化实现对材料的去除，对外界环境要求不高，其加工质量取决于使用的工艺参数、材料的光学和热学特性。激光加工具有非接触性、柔性化，高效率、易实现数字化控制点，易于CNC机床集成实现三维加工，基本无损耗，低成本。
[0005]随着器件朝着微型化、便携式的方向发展，对电路板小型化提出了越来越高的需求。例如，在陶瓷基板的线宽在50um以下，小孔的精度在20um以下，钻孔孔径在80um以下。相比C02激光器加工，由于其波长较长、受到透镜像差、衍射等因素的制约，加工出来的光斑(含热影响区)都将近lOOum，很难满足陶瓷的应用；而对于波长加工较短紫外激光(355nm)和绿光(532nm)虽然光斑较小，但是受到纳秒脉宽，高频率，较低激光器功率(< 50W)以及激光器价格昂贵等因素制约，使得其在陶瓷加工的效率大幅降低以及无法开展工业级应用。对于以上要求，传统的加工方法与装置难以胜任。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置及其方法。
[0007]本发明的目的通过以下技术方案来实现:
[0008]光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，特点是:包含沿光路依次布置的激光器、扩束镜、旋光系统和聚焦镜，激光器是1064nm红外光纤激光器,旋光系统安装于角度调整架之下，聚焦镜输出端正对于用于放置氧化铝陶瓷的三维平台，所述三维平台上方设有吸收剂涂覆装置。
[0009]进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，所述激光器是1064nm红外光纤QCW激光器。
[0010]更进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，所述旋光系统包含两片楔形镜片，其中每片楔形镜片的两面分别是平面和倾斜面，两片楔形镜片的平面向外，倾斜面向内，由机械部件固定楔形镜片位置，电机与安装在楔形镜片上的皮带驱动连接。
[0011]更进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，所述三维平台上方布置有辅助定位影像系统。
[0012]本发明光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，激光器发出激光，经过准直镜获得均匀的平行光束；准直后的光束经旋光系统进行整形，旋光系统将平行光光束形成能量均匀分布的圆形光圈；整形后光束进入聚焦镜实现激光汇聚；吸收剂涂覆装置将吸收剂涂覆在氧化铝陶瓷面位置，增加加工所在陶瓷表面区域对激光的吸收性，使加工过程中无跳点。
[0013]再进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，通过调整旋光系统的两片楔形镜片角度实现获得不同孔径的圆形光圈。
[0014]再进一步地，上述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，由辅助定位影像系统配合控制激光打孔位置。
[0015]本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在:
[0016]①采用1064nm红外光纤QCW激光器与普通的连续激光器相比，具有很高的峰值功率和比较长的脉宽，尤其是在与材料作用时通过瞬间高峰值功率热，较低占空比与材料发生高温烧蚀去除物质，使用这种方式可以极大地减小热影响区域；可以获得很好的边缘效果;
[0017]②旋光系统将能量分布为高斯分布的激光光束通过其内部的楔形镜片改变角度，即获得截面能量密度均匀的不同直径圆形光斑(D< Imm)，经过整形后的光束可以获得更好的打孔效果及效率；加工的小孔不仅圆度优良，而且效率很高(无需使用平台插补)；
[0018]③吸收剂涂覆装置将吸收剂涂覆在氧化铝陶瓷面位置，增加激光加工所在陶瓷表面区域对激光的吸收性，使加工过程中无跳点；
[0019]④实现陶瓷钻孔、划线和切割等功能，激光单点冲出不同微孔(D ( 1mm)，具有光斑小、效率高和成本低等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
[0021]图1:本发明的光路示意图；
[0022]图2:旋光系统的工作示意图；
[0023]图3:加工过程示意图。
【具体实施方式】
[0024]采用经过优化的激光光束进行加工，可获得更高的加工效率，不仅提升效率、降低成本，还可加工更小更密的微孔。
[0025]如图1所示，光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，包含沿光路依次布置的激光器1、准直镜2、角度调整脚3、旋光系统4和聚焦镜5，激光器I是1064nm红外光纤QCW激光器，旋光系统4安装于角度调整架3之下，旋光系统4包含两片楔形镜片，其中每片楔形镜片的两面分别是平面和倾斜面，两片楔形镜片的平面向外，倾斜面向里，通过机械部件固定镜片位置，通过电机带动固定在镜片上的皮带转动，改变相应的参数后使得镜片呈现出不同的夹角，光束通过旋光系统扫描出不同直径的圆形光；聚焦镜5输出端正对于用于放置氧化铝陶瓷的三维平台，三维平台上方设有吸收剂涂覆装置，三维平台上方还布置有辅助定位影像系统。
[0026]激光器I为1064nm光纤激光器,含有两种出光模式，即CW和QCW,脉宽为微秒到毫秒量级。1064nm红外光纤QCW激光器与普通的连续激光器相比，具有较高的峰值功率和较长的脉宽，尤其是在与材料作用时通过高峰值功率，较低占空比，以高温的形式顺江熔融材料，这样能够减小热影响区域和很好的边缘效果；降低陶瓷背面挂渣的硬度。
[0027]图2为旋光系统的工作示意图，旋光系统4将能量分布为高斯分布的激光光束通过其内部的楔形镜片改变角度，即获得截面能量密度均匀的不同直径圆形光斑(D< 1mm)，经过整形后的光束可以获得更好的打孔效果及效率，如图3所示。旋光系统4使准直好的平行光优先通过楔形镜片，聚焦，在平台上以单点冲孔的方式加工微孔。对比平台插补划圆的方式，采用这样方式加工的小孔不仅圆度优良，而且效率也很高。
[0028]吸收剂涂覆装置将吸收剂涂覆在切割头喷嘴附近所对应的氧化铝陶瓷面位置，用于增加激光加工所在的陶瓷表面区域对激光的吸收性，以保证材料在加工过程中无跳点。
[0029]高精度三维平台和高分辨率辅助定位影像系统，以确保打孔的位置精度，可使设备的整体打孔精度控制在5um以内。辅助定位影像系统由两部分组成，其一是旁轴影像:用于激光出光中心与样品加工中心的对位；其二，记录影像:记录激光加工的整个过程，从而用于样品加工完成后激光与样品作用原理的分析。
[0030]具体应用时，激光器I发出激光，经过准直镜2获得平行光束；准直后的光束经角度调整架，保证激光的垂直入射后，再经旋光系统4进行整形，旋光系统4将平行光光束形成环形能量均匀分布的环形光圈，通过调整旋光系统4的两片楔形镜片角度实现获得不同孔径的圆形光斑；整形后光束进入聚焦镜5实现激光汇聚，由辅助定位影像系统配合控制激光打孔位置，进行高位置精度打孔并对打孔过程进行实时监控。在兼顾划线和快速打孔同时，采用集尘装置收集加工过程中产生的粉尘。
[0031]综上所述，本发明实现陶瓷钻孔、划线和切割，激光单点冲出不同微孔(D ( Imm)，解决了激光钻小孔过程中的效率及效果问题，同时也扩大了激光单点打孔在微制造领域的应用。特别适用于C0B、LED照明等行业，对比于传统CNC和CO2激光设备，本发明具有光斑小、效率高和成本低等优点。
[0032]需要理解到的是:以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，其特征在于:包含沿光路依次布置的激光器、准直镜、角度调整架、旋光系统和聚焦镜，激光器是1064nm红外光纤激光器,旋光系统安装于角度调整架之下，聚焦镜输出端正对于用于放置氧化铝陶瓷的三维平台，所述三维平台上方设有吸收剂涂覆装置。
2.根据权利要求1所述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，其特征在于:所述激光器是1064nm红外光纤QCW激光器。
3.根据权利要求1所述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，其特征在于:所述旋光系统包含两片楔形镜片，其中每片楔形镜片的两面分别是平面和倾斜面，两片楔形镜片的平面向外，倾斜面向内，由机械部件固定楔形镜片位置，电机与安装在楔形镜片上的皮带驱动连接。
4.根据权利要求1所述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的装置，其特征在于:所述三维平台上方布置有辅助定位影像系统。
5.利用权利要求1所述装置实现光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，其特征在于:激光器发出激光，经过准直镜后形成平行光束；然后光束经旋光系统进行整形，旋光系统将平行光束形成能量均匀分布的圆形光圈；整形后光束进入聚焦镜实现激光汇聚；吸收剂涂覆装置将吸收剂涂覆在氧化铝陶瓷面位置，陶瓷表面区域对激光的吸收性，使加工过程中无跳点。
6.根据权利要求5所述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，其特征在于:通过调整旋光系统的两片楔形镜片角度获得不同孔径的圆形光圈。
7.根据权利要求5所述的光纤激光加工氧化铝陶瓷的方法，其特征在于:由辅助定位影像系统配合控制激光打孔位置。
【文档编号】B23K26/382GK104384727SQ201410658353
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】张凯, 雷春翔, 张士磊, 尹洪峰 申请人:苏州德龙激光股份有限公司, 江阴德力激光设备有限公司