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脉冲光纤激光器在非金属切割中的应用

时间:01-08 来源:互联网 点击:

  简介

  虽然纳秒脉冲光纤激光器通常被用于激光打标,但是由于它的成本低廉,紧凑,可靠,不需要经常维护,所以用它也非常适合用来进行非金属切割。通过采用直接调制种子激光的MOPA(主控振荡器的功率放大器)等设计,我们可以得到短脉冲和相对高的峰值功率,这些技术把激光器变成切割非金属的有效工具。

  作为一种连续波型切割器的替代品,脉冲光纤激光器可以应用于多通蒸发式切割过程中,监测装置控制激光来回通过切割线,每次仅切除很少的金属,并且不需要喷嘴和辅助气体。这项技术提供了一个灵活、精确和合理的解决方案。而且这套设备基本上是一套简单的激光标记系统。

  这项切割技术可以广泛适用于各种材料,从有色金属、非有色金属,到陶瓷、高分子材料甚至含碳复合材料,都涵盖其中。切割速度可以很方便的发生改变,对于薄金属板,可以做到小于10mm/min,对于厚的材料,切割速度可以大于1mm/min。当用于切割比较厚的金属时,必须采用切割线补偿或光束摆动等特殊技术来有效的扩大切口宽度。相对于传统激光切割,这些速度可能会比较慢,但对于很多应用来说,纳秒脉冲光纤激光器的低成本和灵活性是非常具有吸引力的。

  实验结果表明,SPI激光器的所有SM/HS/HM型号都可以实现有效切割,但是每种机器的切割特点会略有不同,这与材料的选择和要求的输出有关。以窄切缝宽度为例,具有高品质光束和较小光斑的SM型激光器最为适合,而对于较厚的材料,采用具有更高峰值功率和较大尺寸光斑的HM型效果会更好一点。

  硅切割

  硅材料(技术上说是一种金属)被广泛应用在电子和太阳能产业,其中有很多切割应用。这种材料通常使用机械宝石切割轮进行切块或切削,但是对于很薄的材料有很多限制因素,而且边缘切割会造成剥落。脉冲激光器提供了一种灵活的替代方案,它可以用来切割复杂形状的型材。使用20W SM型激光器,可以在6秒中切割出5mm的正方形。

图1 从200um厚的多晶硅中切割出的正方形

  陶瓷切割

  工业界对陶瓷切割需求很大。在电子行业里,很多薄基板材料是通过划线、打破或切削来进行切割的。同样,材料的吸收率也是限制因素之一。关键材料是氧化铝和氮化铝,它们能被1um激光切割的能力取决于材料的特殊性和表面光洁度。下图为绿色的氮化铝从基板上快速的被切割出来。(图2和图3)

图2 使用40W HM 激光器经过6次50mm的切割出的3mm厚氮化铝绿色陶瓷

图3 使用20W HS激光器切割和标记的0.7mm厚铝陶瓷

  非金属切割

  脉冲激光器还可以用来切割很多非金属材料,比如塑料、橡胶等。决定该材料是否适合用激光切割的关键因素是其对1um波长激光的吸收能力。很多塑料在这个波长范围内有很高的传输系数,所以不适合采用激光的方法切割,但是一些材料还是可以被切割的。塑料切割的一个例子:塑料标签,我们可以在其上打标,同时只要对参数进行很小的修改,就可以从基板上切割出来。(图4)

图4 在热收缩材料中的标签的标记和外型切割

  其他的例子包括保护性塑料覆盖层的切割,比如通常用在电缆和电线上的金属等。(图5)

图5 使用20W HS激光器从铜基板中切割出绝缘塑料

  一些特别的橡胶材料同样可以有效的切割到令人惊讶的厚度。下图是一个4mm厚的黑色橡胶板,侧面有1mm的贯穿小孔。(图6)

图6 使用20WHS激光器切割的4mm橡胶

  复合材料

  如碳纤维材料等复合材料最大可以切割深度为1mm,但是加工条件需要根据材料本身调整,比如一些材料对碳化非常敏感。另外还可以切割多层材料,电子行业中,一个有趣的应用是20W HS激光器在横断面部件的使用。激光的灵活性允许不同材料层的切割。(图7)

图7 使用20W HS激光器切割出的集成电路片来说明不同的分层

  总结

  纳秒脉冲光纤激光器非常适合应用在蒸发切割当中,以上的例子表明,很多种金属都可以由激光器来完成切割,这也显示出这种激光器的多功能性。

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