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2008-06-20 13:14 |
水刀激光切割技術(shù)概述
水刀引導(dǎo)式激光器是激光器技術(shù)和水流技術(shù)的混合技術(shù)。在這個獨一無二的激光切割工藝中，一個纖幼線狀水刀被用作光波導(dǎo)，以使高功率激光射在工件上。與傳統(tǒng)激光切割工藝相比，這種方法的主要優(yōu)勢在于：（1）平行的側(cè)壁；（2）工件的低熱量輸入，歸功于工件在激光脈沖之間的冷卻恰好發(fā)生在它之前被加熱的位置；（3）熔融金屬及時排出，歸功于水刀的高動量。相比與鋸切，這種技術(shù)切割金屬可以達到無毛刺效果，施加在工件上的機械壓力也小得多。 G{4~{{tI
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水刀引導(dǎo)激光切割系統(tǒng)的圖示見圖1，其中使用的水刀是5至50兆帕的純?nèi)ルx子水和過濾水。噴嘴是由藍寶石或鉆石制成，以確保能夠產(chǎn)生長而穩(wěn)定的水刀。激光束，通過光纖由激光器傳出，被校準，經(jīng)過擴束器，然后集中穿過一個石英窗口，進入噴嘴。耦合單元和平常的光纖耦合單元類似，只除了噴嘴里的光亮度分布是平頂?shù)模覜]有高斯分布。當激光進入水刀中，光在空氣和水的接口處發(fā)生完全內(nèi)反。 PP+-D ~r`}
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在切割過程中，工件被固定在一個CNC工作臺上，在水刀引導(dǎo)的激光束下朝著一個方向移動。光頭沿著與之垂直的方向移動，只有在為了適應(yīng)不同水壓下的不同噴嘴尺寸的各種工作距離時，才有必要變動工作臺和工件之間的距離。在切割過程中不會變動。 CO+[iJ,4C+
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五年多以來，這一工具已經(jīng)在很多加工方面得到應(yīng)用。在這期間，與傳統(tǒng)激光切割技術(shù)相比，LMJ水刀引導(dǎo)激光器在工業(yè)應(yīng)用方面顯示出各種各樣的優(yōu)勢。 gy%/zbZx
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通常，LMJ技術(shù)使用固體Nd:YAG紅外激光器（1064nm,50-200W）。紅外水刀引導(dǎo)激光器應(yīng)用在硅、陶瓷和硬金屬、立方氮化硼、錳鋅系磁芯以及金屬薄膜上有很高的效率。使用這一類型的激光器可獲得優(yōu)于磨鋸方法8倍的切割速度。LMJ系統(tǒng)在諸如GaAs、GaN以及銅這樣的脆而難以機械加工的材料上具有很高的效率。 ;'\#+GZ9p
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這些材料對于去離子水的接觸不敏感。所有的半導(dǎo)體產(chǎn)品都是通過平版印刷以及濕蝕刻加工生產(chǎn)的，并且經(jīng)常和去離子水以及含水的方法接觸。所以在這些材料的切割過程中，水的參與是完全可以的。 n_8wYiBs(
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因為綠光（532nm）的吸收系數(shù)比紅外光稍少，我們做了一個試驗，用200W的綠光激光器，看看在獲得和紅外激光器相同的切割質(zhì)量的情況下是否能夠得到更快的速度。結(jié)果是正面的，200W的綠光激光器完全可以輕易得到更高的速度，特別在半導(dǎo)體工業(yè)，水刀激光器技術(shù)的優(yōu)勢能夠轉(zhuǎn)化為無碎片、無毛刺以及無破損角，甚至像75微米的芯片那么薄也沒問題。 w_*UFLMSqR
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迄今為止，這項技術(shù)僅僅使用了紅外和綠光激光器。從而材料適用的范圍限制在對這些波長有充足吸收率的材料中。所以，切割透明材料（玻璃、鉆石、藍寶石、透明聚合物）是很難的，甚至是不可能的。紫外光在透明材料中有更好的吸收率，所以一個適用紫外激光的設(shè)想在微噴射技術(shù)領(lǐng)域被提出。 zAr@vBfC%
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一個適用于紫外波長的裝置已經(jīng)建立,它使用了石英和CaF2透鏡。 m{~p(sQL
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這一理論顯示可用波長被限制在吸收率比水低的范圍內(nèi)，也就是說吸收率要低于1/cm。紫外光被包含在這一窗口中，但是到目前為止還沒有做高強度的實驗。 >Ei-Spy>Xl
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Microjet設(shè)備是可以組合的。激光源通過一根光纖和切割頭相連。為了避免損害光纖，直徑50微米的水刀使用直徑100微米的纖芯。紫外激光的引入應(yīng)該會帶來新的切割應(yīng)用的領(lǐng)域，比如透明材料，同時也會出現(xiàn)更小的水刀直徑。 z } L3//
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一個紅外多模激光器需要水刀有非常小的噴嘴。因為聚焦擴展激光束進入水刀的必要尺寸，這種需求很難達到。 C>1fL6ct
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其它新的加工能力，比如切割或雕刻透明材料，諸如聚合物、玻璃、鉆石以及藍寶石是非常有前景的應(yīng)用。比如，紫外激光可以為半導(dǎo)體工業(yè)切割硅芯片，由一層玻璃或鉆石覆層，這種材料常被用來生產(chǎn)快速光電組件。在電子工業(yè)中也同樣具有前景，因為PCB中玻璃和Kevlar光纖的存在，尤其是富有彈性的，很難使用標準微噴射切割方法來達成。
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