人造寶石剛玉晶體材料的激光微孔技術(shù)研究
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:2353
1 引 言
隨著寶石剛玉晶體的合成生長技術(shù)的較快發(fā)展,品質(zhì)優(yōu)良大體積的人造寶石剛玉晶體材料越來越多。人造寶石剛玉晶體是一種具有良好熱、電、電子、光學(xué)、超硬脆性能的材料,用其制造的精密微孔元件近年來廣泛用于機(jī)械電子、生物醫(yī)療、航空航天以及光電技術(shù)等領(lǐng)域,但其可加工性較差,易產(chǎn)生“裂紋”和“崩豁”缺陷,要用其制作精密微孔元件,微孔加工工藝及確定相應(yīng)參數(shù)的研究是很有意義的。目前在紅寶石微孔加工方面領(lǐng)先是瑞士,在藍(lán)寶石精密平面加工方面有較大優(yōu)勢是日本和美國,而我國在寶石剛玉晶體材料還處于初級水平。本文結(jié)合宇航用氧氣精密控制閥中精密紅寶石閥芯研制(主要技術(shù)參數(shù)見圖1)的實際生產(chǎn)試驗,探討微孔加工各參數(shù)的調(diào)整規(guī)律,確定各工藝參數(shù)的有效匹配組合方法,提高孔加工質(zhì)量和精度。
2 加工方法
目前國際上對紅寶石晶體元件的孔加工方法,主要是激光和超聲波加工。經(jīng)試驗,超聲波對寶石剛玉晶體的孔加工,在精度和效率方面不如激光加工,尤其在微孔加工方面,超聲波加工技術(shù)無法滿足生產(chǎn)加工要求。
我們選擇激光打孔。激光器為YAG激光器,它是一種固體激光器,其激光棒的基質(zhì)材料為釔鋁石榴石,其特征輸出波長為1.06um,可作脈沖輸出,也可作連續(xù)輸出。
YAG激光器主要有以下三種優(yōu)點:一是輸出的光可用普通的光學(xué)材料傳遞。二是寶石剛玉晶體材料對YAG激光吸收率較高。三是出波長短,穩(wěn)定性好,輸出能量較大。輸出能量見以下電子躍遷能量公式:
式中c是光速,v是波長,f是頻率,h是普朗克常數(shù),h=6.6 x 10*-34焦耳.秒
3 加工參數(shù)的特性
激光打孔的過程是激光和加工材料相互作用極其復(fù)雜的熱、物理、化學(xué)過程,材料去除主要與激光作用區(qū)內(nèi)物質(zhì)的破壞及破壞產(chǎn)生物的運動有關(guān),一般可表示為:
式中下角t,r,a,t分別表示入射、反射、吸收、透射的能量。嚴(yán)格分析激光打孔的成因需要解決激光打孔時產(chǎn)生的蒸氣、氣化物質(zhì)沿孔壁流動的動力學(xué)問題及加工材料特性,并考慮瞬間加熱過程的所有因素。這個討論十分復(fù)雜,且實驗數(shù)據(jù)收集困難,難以進(jìn)行,目前也沒有這方面成功的報道。
我們采用試驗估算的方法選擇激光打孔工藝參數(shù),并在加工中逐步修正完善。結(jié)合生產(chǎn)實踐,經(jīng)過對生產(chǎn)用YAG激光器各工藝參數(shù)與孔加工的特征及材料去除量關(guān)系的試驗研究,獲得了包括激光脈沖的能量、脈沖寬度、離焦量、脈沖激光的重復(fù)頻率以及被加工材料的性質(zhì)等加工參數(shù)具體有效匹配組合。
3.1 激光脈沖能量
激光棒和光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)決定焦平面上的激光光斑直徑的大小。其脈沖能量的變化是通過對泵浦氙燈兩端輸入電壓的變化來實現(xiàn)。如圖2所示是激光打孔幾何原理簡圖。
假設(shè)激光器輸出的光束直徑為D,發(fā)散角為a,經(jīng)過會聚透鏡在材料表面上聚焦,其會聚角即會聚后的激光光束發(fā)散角為2B,激光束腰半徑為r0,,在t時刻孔的底面半徑為r(t),孔身為h(t),則有
考慮到材料從孔底蒸發(fā),氣化的物質(zhì)從孔壁高速沖刷流動,t時刻的能量守恒方程為
式中,Lb為蒸發(fā)氣化比能,Lm為熔化比能。左邊表示t時刻激光提供的能量增量,右邊第一項為孔底蒸發(fā)消耗的能量增量,第二項為孔邊熔化消耗的能量增量。
當(dāng)h(t)>>r0時,可以近似解出用激光加工的總能量- 表示的孔深和孔徑為
由式(5)及(6)可知,激光打出的孔深度和孔徑與激光脈沖能量成非線性關(guān)系,隨著激光能量單調(diào)遞增.
3.2 通光光闌直徑
在激光加工中,一般將強度比焦點處衰減10%的兩點間的距離定義為“焦深”,其可用下式表示
式中z為焦深,d0為激光光束直徑,為激光波長。
由(7)式可知,當(dāng)改變激光光束的直徑大小時,可以改變激光的焦深,從而改變打孔的形狀和尺寸。
我們設(shè)計安裝不同直徑的通光光闌徑進(jìn)行打孔實驗,得出了選用不同直徑的光闌與加工孔的深度和孔徑的變化規(guī)律,具體見下表1
從表1的試驗數(shù)據(jù)可知,當(dāng)能量恒定時,光闌直徑在寬的范圍變化時,孔的深度改變是微小的。當(dāng)使用直徑較小的光闌時,孔的深度和直徑發(fā)生了較顯著的變化。
原因分析:當(dāng)激光能量不變時,當(dāng)改變光闌直徑,不改變激光束橫截面內(nèi)的功率密度,而是改變了激光束的發(fā)散角和光束直徑,從而改變了激光的焦深大小,也就改變了孔的深徑比。經(jīng)試驗,當(dāng)激光能量增大,同時光闌直徑減小時,孔的深徑比更大。
3.3 脈沖寬度
激光輻射的脈沖能量E可用以下關(guān)系式表示
式中P(t)—在t瞬間的瞬時輻射功率,t—為脈沖寬度。
由(8)可知當(dāng)脈沖能量一定時,脈寬越窄,其時間能量密度越大,打孔所產(chǎn)生的氣相物質(zhì)比例越大,從而產(chǎn)生的壓力也越大。所以脈寬的變化對孔深、孔徑和孔形狀的影響較大。經(jīng)加工試驗,得出了選用不同的脈寬值時對孔深度和孔徑的變化關(guān)系。具體見下表2
上表2的試驗數(shù)據(jù)可知,打深而小的孔,宜選用較大的脈沖寬度;打大而淺的孔,則宜選用較小的脈沖寬度。
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