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:2342


1 引 言
    隨著寶石剛玉晶體的合成生長(zhǎng)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(lái)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(lái)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(shì)是日本和美國(guó),而我國(guó)在寶石剛玉晶體材料還處于初級(jí)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(jiàn)圖1)的實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn),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(guó)際上對(duì)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(yàn),超聲波對(duì)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(wú)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(zhǎng)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(diǎn):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(duì)YAG激光吸收率較高。三是出波長(zhǎng)短,穩(wěn)定性好,輸出能量較大。輸出能量見(jiàn)以下電子躍遷能量公式:

    式中c是光速,v是波長(zhǎng),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(guò)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(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的蒸氣、氣化物質(zhì)沿孔壁流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題及加工材料特性,并考慮瞬間加熱過(guò)程的所有因素。這個(gè)討論十分復(fù)雜,且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集困難,難以進(jìn)行,目前也沒(méi)有這方面成功的報(bào)道。
    我們采用試驗(yàn)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(shí)踐,經(jīng)過(guò)對(duì)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(yàn)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(guò)對(duì)泵浦氙燈兩端輸入電壓的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示是激光打孔幾何原理簡(jiǎn)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(guò)會(huì)聚透鏡在材料表面上聚焦,其會(huì)聚角即會(huì)聚后的激光光束發(fā)散角為2B,激光束腰半徑為r0,,在t時(shí)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?zèng)_刷流動(dòng),t時(shí)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(shí)刻激光提供的能量增量,右邊第一項(xiàng)為孔底蒸發(fā)消耗的能量增量,第二項(xiàng)為孔邊熔化消耗的能量增量。
    當(dāng)h(t)>>r0時(shí),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(qiáng)度比焦點(diǎn)處衰減10%的兩點(diǎn)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(zhǎng)。
    由(7)式可知,當(dāng)改變激光光束的直徑大小時(shí),可以改變激光的焦深,從而改變打孔的形狀和尺寸。
   我們?cè)O(shè)計(jì)安裝不同直徑的通光光闌徑進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn),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(jiàn)下表1




    從表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,當(dāng)能量恒定時(shí),光闌直徑在寬的范圍變化時(shí),孔的深度改變是微小的。當(dāng)使用直徑較小的光闌時(shí),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(shí),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(yàn),當(dāng)激光能量增大,同時(shí)光闌直徑減小時(shí),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(shí)輻射功率,t—為脈沖寬度。
    由(8)可知當(dāng)脈沖能量一定時(shí),脈寬越窄,其時(shí)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(duì)孔深、孔徑和孔形狀的影響較大。經(jīng)加工試驗(yàn),得出了選用不同的脈寬值時(shí)對(duì)孔深度和孔徑的變化關(guān)系。具體見(jiàn)下表2




    上表2的試驗(yàn)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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