石英擺片激光切割技術(shù)研究

秦淑斌，袁 楓，江安然

(航天科工慣性技術(shù)有限公司，北京 100074)

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石英擺片激光切割技術(shù)研究

秦淑斌，袁 楓，江安然

(航天科工慣性技術(shù)有限公司，北京 100074)

針對激光切割技術(shù)在典型石英結(jié)構(gòu)——加速度計擺片加工成形中的應用，探討了激光與石英材料的作用機理，進行了激光切割成形以及消應力試驗。在此基礎上詳細分析了激光切割工藝參數(shù)和后處理對石英擺片成形質(zhì)量的影響，對精密石英結(jié)構(gòu)的制造具有普遍的意義。

石英擺片；激光切割；加速度計

0 引言

激光技術(shù)在材料加工領域有廣泛的應用，如激光切割、打孔[1]、激光輔助化學刻蝕[2]、3D打印增材加工[3]等。石英屬于典型的硬脆性材料，慣性傳感器如石英撓性加速度計、石英振梁加速度計等均采用精密石英結(jié)構(gòu)作為其關鍵的敏感單元[4]。近年來，激光技術(shù)在石英材料加工中的應用開展了大量理論和實驗研究。張廣玉[5]、焦俊科[6]等研究了激光切割功率、材料厚度、光束質(zhì)量等石英材料的激光切割模型；袁明權(quán)[7]等從石英玻璃光學透過率特性角度討論了激光精密切割石英玻璃薄板的可行性，通過試驗驗證了激光精密切割技術(shù)運用于石英玻璃薄板精密切割加工中的可行性；Matthews M. J.[8]等研究了激光與石英玻璃的相互作用，探討了熱應力的產(chǎn)生機理。

石英擺片是典型的慣性傳感器用石英器件，具有形狀復雜，精度要求高的特點。其鏤空結(jié)構(gòu)圖形如圖1所示，通常采用超聲落料或噴砂等機械磨削的方法進行加工，加工斷面粗糙度大，加工效率低[9]。本文針對石英擺片鏤空結(jié)構(gòu)的激光加工技術(shù)，探討了激光與石英材料的作用機理，進行了擺片的激光切割成形以及后處理試驗，在此基礎上詳細分析了激光切割工藝參數(shù)和后處理對石英擺片加工質(zhì)量的影響，對慣性器件精密石英結(jié)構(gòu)的制造具有普遍的意義。

圖1 石英擺片鏤空圖形示意圖Fig.1 The scheme of cutting out structure of flexure

1 激光切割機理和參數(shù)分析

石英器件的激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，通過熱激發(fā)或光激發(fā)在材料中產(chǎn)生導帶電子，導帶電子通過焦耳加熱和雪崩電離在光場中吸收能量，形成等離子體，并通過電子聲子的耦合將能量傳遞給晶格，使Si-O晶格被加熱。在超過閾值功率密度的前提下，引起照射點溫度急劇上升，產(chǎn)生材料的熔化和升華，在工件上形成孔洞。隨著激光束與工件的相對移動，最終可使材料形成器件的鏤空結(jié)構(gòu)。

由于被加工材料的不同，激光切割的方法和機理也有所不同，常用的激光切割方法主要有以下4 種：1)激光氣化切割法；2)激光熔化切割法；3)反應氣體輔助切割法；4)激光熱應力法。這4 種切割方法不是完全獨立的，它們往往同時存在于同一切割過程，只是在某一特定切割條件下，以其中某一種為主要特征[10]。

1.1 激光光源

石英材料是由Si-O四面體組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，高純石英材料，如化學氣相沉積制備的石英玻璃在紫外及可見光波段的外透過率通常大于80%[11]，因此通常采用吸收率較高的紅外波長激光對石英材料進行鏤空切割。此外，超短脈沖激光由于具有極短作用時間、超高光強和無線性吸收等特性，也可作用于石英等透明材料[12]，但皮秒、飛秒等激光器昂貴的價格限制了其在激光加工方面的工程應用。

1.2 運動速度

運動速度直接影響著單位面積的石英材料與激光作用的時間。運動速度越慢，作用時間越長，溫度越高，由于溫度梯度造成的應力也越大，對石英結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量是不利的。當運動速度低到一定值時，產(chǎn)生的熱應力可能超過材料的極限應力(抗拉強度)，出現(xiàn)裂紋。因此，合適的控制加工時的運動速度可以提高擺片的激光加工質(zhì)量。

1.3 光斑半徑

在相同激光功率和運動速度的情況下，光斑半徑越大，激光功率密度越低。單位面積的石英材料在單位時間內(nèi)獲得的能量低，影響切割邊緣和切割面的加工質(zhì)量。光斑半徑越小，材料表面的溫度上升越快，溫度梯度越大，產(chǎn)生的熱應力也越大[6]。

1.4 光束模式

光束能量沿著橫截面的分布模式稱為光束模式，有單式、復式、環(huán)式等。光束模式與激光的聚焦能力有關，單式中光強分布接近高斯分布的稱為基模，為最低階模式，用TEM00表示，基模光束聚焦點處的能量密度比高模光束高兩個數(shù)量級，激光束聚焦點處較高的功率密度可獲得較好的切割質(zhì)量。

2 石英擺片激光切割試驗

選用光學石英玻璃進行了擺片激光切割試驗。石英玻璃對5μm以下的波長基本透過，最大吸收出現(xiàn)在9μm波長處。CO2激光波長為10.6μm，具有良好的大氣透過率[13]，因此可以用CO2激光進行石英擺片的切割加工。

2.1 擺片激光切割系統(tǒng)配置

擺片的激光切割系統(tǒng)應由激光器及光路系統(tǒng)、運動部件以及數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成，并配備報警裝置、供氣裝置、排風裝置等。激光器及光路系統(tǒng)應包括激光器和光路矯正裝置等。激光器是設備的光源部分，產(chǎn)生切割所需要的激光，試驗中采用50W Coherent CO2激光器，TEM00模式；光路矯正部分主要包括擴束鏡和光欄等，可以把激光器輸出的帶有稍微發(fā)散角度的激光進行再整定，使激光的平行度更高，發(fā)散角更小，同時把光斑周圍的“散光”進行過濾，使激光模式更優(yōu)，提高聚焦后的光斑質(zhì)量，從而避免出現(xiàn)聚焦點之外的非預期的切割現(xiàn)象。

為實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的激光切割成形，有工件運動或激光頭運動兩種方法。第一種方法需要對應精度的多維聯(lián)動工作臺帶動工件實現(xiàn)切割圖形的軌跡運動；第二種方法是光路中的多組鏡片運動，通過對光束的反射形成圖形軌跡，該方法可以在3D表面、圓柱體或其他復雜自由面上加工輪廓。為避免光束運動造成的激光能量波動對切割質(zhì)量的影響，試驗中采用了固定光路的配置。

2.2 擺片激光切割的質(zhì)量控制

2.2.1 切縫寬度、邊緣斜邊

激光光束相當于一把錐形的銑刀，假設錐形不與工件表面垂直或錐形橫截面不圓，都會造成與工件表面平行的用于切割的刀具截面為不規(guī)則的圓形。對于設計加工的弧形切縫而言，可能出現(xiàn)切縫間隙不等距。此外由于激光光斑的聚焦點相對于工件高度產(chǎn)生變化，則會在工件的切縫處產(chǎn)生角度不同的切口斜度，如圖2所示。

圖2 石英激光切縫照片F(xiàn)ig.2 The microscope image of kerfon fused silica

圖2中切縫1和切縫2 的寬度差別約為0.06mm。圖中黑色寬邊即為切口斜邊反光形成，可見切口的斜邊寬度不均勻。

由上述原因可知，解決此問題的關鍵是調(diào)整激光光路，提高光束聚焦質(zhì)量，并采取措施，消除雜光，避免非預期的切割產(chǎn)生。此外需要調(diào)整工作臺的運動平面，使其穩(wěn)定并垂直于激光光束主軸。

2.2.2 切縫直線度

利用激光切割的方法加工石英玻璃，特別是生成精密圖形時，光路和工作臺的運動必須保持穩(wěn)定。如果光路中的反射鏡片、聚焦鏡片等不穩(wěn)定，加工過程中會產(chǎn)生不可控的光束偏移，最終的聚焦點偏離設計位置，則會給切割軌跡帶來毛刺。工作臺安裝的機械強度或運動穩(wěn)定性不足，則會使切割軌跡出現(xiàn)有規(guī)律性的波動，如圖3所示，由于激光切割時工作臺出現(xiàn)跳動，使得切割后的邊緣呈現(xiàn)波紋狀，影響所加工結(jié)構(gòu)的直線度。對于石英擺片的高精度激光切割加工，必須將造成光束和工件運動不穩(wěn)定的因素摒除。

圖3 運動抖動造成的切割邊緣狀態(tài)Fig.3 The microscope image of flexure processed with unstable worktable

2.2.3 行程誤差

隨著激光切割技術(shù)及設備的發(fā)展，激光的應用已經(jīng)不只局限在簡單圖形的生成方面。在復雜圖形中，有直線、弧線及其拼接，并有線段相交、相切、拐角等各種形式。在工作臺運動的模式下，若產(chǎn)生運動的機構(gòu)存在回程誤差，當設定的連續(xù)軌跡經(jīng)過象限軸，即發(fā)生X(Y)軸變換方向的時候，局部軌跡會出現(xiàn)階躍、不圓滑，如圖4所示。

圖4 切縫邊緣的階躍Fig.4 The microscope image of stepped kerf

精密激光切割技術(shù)要求有高精度的運動機構(gòu)作為支撐，盡量減小滾珠絲杠回程誤差。另外對切割過程實行閉環(huán)控制，在運動機構(gòu)中增加光柵尺等監(jiān)測裝置，將程序的執(zhí)行情況反饋至控制機構(gòu)，進行實時的調(diào)整，也可以減小切割路徑中的階躍狀況。

2.2.4 熔渣

激光切割石英擺片的過程中，需要將大部分激光的能量用于將石英材料氣化。由于激光對石英玻璃的作用時間很短，如果氣化了的石英沒有被及時清除，則會在切縫邊緣形成冷卻后的熔渣，如圖5所示。熔渣的高度可達0.05～0.1mm，影響擺片的表面平整度，此外脫落的熔渣易于劃傷擺片的表面。

圖5 切縫邊緣的熔渣Fig.5 The microscope image of sinter on the kerf

為控制擺片激光切割過程中熔渣的生成，需要合理設置輔助氣體系統(tǒng)。由于石英玻璃材料的化學性能穩(wěn)定，因此相對于惰性氣體，可選擇成本較低的壓縮空氣作為輔助氣體。首先，輔助氣體的分布要均勻，要有一定的線性區(qū)。其次，輔助氣體的壓力和流量會影響氣化升華后物質(zhì)的吹掃和冷卻的效果。隨著輔助氣體壓力的增加，單位時間帶走的升華物質(zhì)增加并可迅速帶走切割熱量。但氣體壓力過大，會使切縫寬度增加，要根據(jù)實際的切割狀態(tài)進行參數(shù)的調(diào)節(jié)，通常輔助氣體的壓力為0.1～0.3MPa，出氣口的直徑不大于5mm。

2.2.5 程序設計

切割程序的編制和工藝技巧對切割質(zhì)量有較大影響，必須考慮熱量散發(fā)，進行路徑選擇，防止熱平衡破壞對切割質(zhì)量帶來的不利影響。切割起始點和終點的選擇要考慮有利于工件的完整和切割質(zhì)量，由于激光切割在初始和結(jié)束位置激光開和關的時間較長，更容易產(chǎn)生石英的切割積瘤，因此還需增加輔助切割路徑。

對于工件外邊界的開口圖形，需將激光的起始點設計在略遠離工件的某處，以適當?shù)乃俣冗\動至產(chǎn)品實體部分，進而切割成形，完成切割后停止于遠離工件處；切割封閉圖形的起止點均設計在被去除材料的區(qū)域，保證去除材料切割后的自然掉落，避免人工取下出現(xiàn)的崩角瑕疵，如圖6所示。

圖6 切割路徑示意圖Fig.6 The scheme of cutting route

2.3 擺片激光切割后處理

被激光加熱的石英玻璃材料由于溫度高，黏度會降低，溫度梯度造成的應力可以在材料較“軟”的情況下通過原子位移獲得一定的釋放；而當被激光切割過的區(qū)域立即降溫時，該區(qū)域的黏度將迅速增加，應力將無法進一步釋放。石英玻璃在從“軟”轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w是受包括降溫速率在內(nèi)的多方面因素影響的，當溫度迅速降低時，石英玻璃的黏度阻止原子的運動，造成殘余應力的產(chǎn)生。

當用激光對擺片進行穩(wěn)定的切割加工時，通常

(1)

式中：v—激光切割速度；D—熱擴散系數(shù)；a—激光1/e束腰半徑。

試驗中v= 0.8mm/s，a≈1.8mm，石英玻璃D= 0.0075cm2/s。激光掃過該點的時間

(2)

切割后形成應力的時間

(3)

式中，s— 石英玻璃的聲速，約為5639m/s。

時間tσ比激光掃過該點的時間要短得多，因此隨著激光切割的進行，在擺片中形成殘余熱應力是不可避免的。

為減少殘余應力對石英擺片結(jié)構(gòu)的影響，對激光切割后的擺片必須進行后處理。通過將材料加熱并保溫和緩慢冷卻，材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，減少或消除缺陷，使材料的各部分趨于穩(wěn)定，應力得到釋放。殘余應力以應變能的形式存在，釋放應變能的過程即為應力釋放，雖然這段過程在熱力學上可自發(fā)進行，但在室溫中反應速率十分緩慢，因此熱處理一開始的加熱措施，就是來提高反應速率，加速釋放應變能。

此處利用光彈性原理對熱處理前后的工件進行了檢測，如圖7所示。

圖7 熱處理前后的應力照片F(xiàn)ig.7 The polarizing microscope image of flexure before and after heat treatment

激光切割后的切縫邊緣出現(xiàn)明顯的應力雙折射造成的光斑，說明由于切縫處較大的溫度梯度造成擺片中存在顯著的殘余應力。在相同的檢測條件下，熱處理后的切縫邊緣光斑消失，殘余應力得到明顯釋放。因此采用熱處理的方法對激光切割后的擺片進行后處理，是降低擺片激光加工殘余應力水平的有效手段。

3 結(jié)論

通過石英擺片激光切割技術(shù)的理論分析和試驗研究表明，激光光源模式、工作臺運動精度、輔助氣體控制等對擺片的切縫、熔渣、尺寸精度等有直接的影響；改進擺片激光切割設備的光路系統(tǒng)、運動系統(tǒng)穩(wěn)定性等是提高擺片切割質(zhì)量的重要因素。此外，增加擺片激光切割后的熱處理，是降低激光加工殘余應力水平的有效手段。

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Study of Laser Cutting Technique for Flexure Processed from Quartz

QIN Shu-bin，YUAN Feng，JIANG An-ran

(Aerospace Science and Industry Inertial Technology Co., Ltd.,Beijing 100074，China)

This paper focuses on the application of laser cutting technique in the typical quartz structure of flexure of quartz flexible accelerometer. The reaction mechanism of laser and quartz is discussed. Based on the manufacture experiments of a flexure from laser cutting, the influence of technological parameter to the quality of flexure is analyzed. The stress relaxation of quartz after laser cutting is also discussed.

Flexure; Laser cutting; Accelerometer

2015 - 03 - 02；

2015 - 04 - 02。

秦淑斌(1983 - )，男，博士，主要從事石英材料特種加工方面的研究。

E-mail: qinshubin1883@163.com

TG485

A

2095-8110(2015)03-0102-06