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激光和水的结合——水刀激光切割技术

 

水刀引导式激光器是激光器技术和水流技术的混合技术。在这个独一无二的激光切割工艺中,一个纤幼线状水刀被用作光波导,以使高功率激光射在工件上。与传统激光切割工艺相比,这种方法的主要优势在于:(1)平行的侧壁;(2)工件的低热量输入,归功于工件在激光脉冲之间的冷却恰好发生在它之前被加热的位置;(3)熔融金属及时排出,归功于水刀的高动量。相比与锯切,这种技术切割金属可以达到无毛刺效果,施加在工件上的机械压力也小得多。
水刀引导激光切割系统的图示见图1,其中使用的水刀是5至50兆帕的纯去离子水和过滤水。喷嘴是由蓝宝石或钻石制成,以确保能够产生长而稳定的水刀。激光束,通过光纤由激光器传出,被校准,经过扩束器,然后集中穿过一个石英窗口,进入喷嘴。耦合单元和平常的光纤耦合单元类似,只除了喷嘴里的光亮度分布是平顶的,而且没有高斯分布。当激光进入水刀中,光在空气和水的接口处发生完全内反。
在切割过程中,工件被固定在一个CNC工作台上,在水刀引导的激光束下朝着一个方向移动。光头沿着与之垂直的方向移动,只有在为了适应不同水压下的不同喷嘴尺寸的各种工作距离时,才有必要变动工作台和工件之间的距离。在切割过程中不会变动。
五年多以来,这一工具已经在很多加工方面得到应用。在这期间,与传统激光切割技术相比,LMJ水刀引导激光器在工业应用方面显示出各种各样的优势。
通常,LMJ技术使用固体Nd:YAG红外激光器(1064nm,50-200W)。红外水刀引导激光器应用在硅、陶瓷和硬金属、立方氮化硼、锰锌系磁芯以及金属薄膜上有很高的效率。使用这一类型的激光器可获得优于磨锯方法8倍的切割速度。LMJ系统在诸如GaAs、GaN以及铜这样的脆而难以机械加工的材料上具有很高的效率。
这些材料对于去离子水的接触不敏感。所有的半导体产品都是通过平版印刷以及湿蚀刻加工生产的,并且经常和去离子水以及含水的方法接触。所以在这些材料的切割过程中,水的参与是完全可以的。
因为绿光(532nm)的吸收系数比红外光稍少,我们做了一个试验,用200W的绿光激光器,看看在获得和红外激光器相同的切割质量的情况下是否能够得到更快的速度。结果是正面的,200W的绿光激光器完全可以轻易得到更高的速度,特别在半导体工业,水刀激光器技术的优势能够转化为无碎片、无毛刺以及无破损角,甚至像75微米的芯片那么薄也没问题。
迄今为止,这项技术仅仅使用了红外和绿光激光器。从而材料适用的范围限制在对这些波长有充足吸收率的材料中。所以,切割透明材料(玻璃、钻石、蓝宝石、透明聚合物)是很难的,甚至是不可能的。紫外光在透明材料中有更好的吸收率,所以一个适用紫外激光的设想在微喷射技术领域被提出。
一个适用于紫外波长的装置已经建立,它使用了石英和CaF2透镜。
这一理论显示可用波长被限制在吸收率比水低的范围内,也就是说吸收率要低于1/cm。紫外光被包含在这一窗口中,但是到目前为止还没有做高强度的实验。
Microjet设备是可以组合的。激光源通过一根光纤和切割头相连。为了避免损害光纤,直径50微米的水刀使用直径100微米的纤芯。紫外激光的引入应该会带来新的切割应用的领域,比如透明材料,同时也会出现更小的水刀直径。
一个红外多模激光器需要水刀有非常小的喷嘴。因为聚焦扩展激光束进入水刀的必要尺寸,这种需求很难达到。
其它新的加工能力,比如切割或雕刻透明材料,诸如聚合物、玻璃、钻石以及蓝宝石是非常有前景的应用。比如,紫外激光可以为半导体工业切割硅芯片,由一层玻璃或钻石覆层,这种材料常被用来生产快速光电组件。在电子工业中也同样具有前景,因为PCB中玻璃和Kevlar光纤的存在,尤其是富有弹性的,很难使用标准微喷射切割方法来达成。

 

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