激光切割聚酰亞胺薄膜的實驗研究

劉 鑫，何燕春，袁莓婷，楊 浩，代文龍

(航空工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

激光切割技術是利用高功率、高密度的激光束將材料加熱至汽化或熔化形成孔洞，然后隨著光束的移動，孔洞連續(xù)形成切縫，從而完成對材料的切割。激光加工的特點為非接觸加工，對被切割材料不產(chǎn)生機械力；激光切割功率密度高，切縫寬度小，切割邊界整齊，無毛刺[1]，廣泛適用于電子電路、儀器儀表、印制電路、計算機制造、印刷制版等精密加工行業(yè)。

聚酰亞胺薄膜(PI)由芳香族二酐和芳香族二胺聚合而成，良好的耐化學性、很高的介電強度和優(yōu)異的機械性能，主要用于航空、航天、通訊等電子電路制造等領域。

本文以0.15 mm厚度的雙面涂膠聚酰亞胺薄膜為基礎，對激光加工中涉及的加工速度、激光脈沖占空比、加工加速度等參數(shù)進行實驗研究與優(yōu)化。

1 實驗前準備

1.1 編輯切割文件

編輯切割文件，可使用CorelDRAW，CAD軟件生成的DXF或PLT格式文件；編輯過程中應刪除重疊線，避免重復切割。

對于特殊情況，為了減少切割下的細小工件掉落，移位影響切割，編程的時候把這些細小的工件設置成微連接，使得在切割的軌跡走完之后工件上仍然有一個微小的連接點與母材相連，就能有效避免此問題[2]。

1.2 尋找激光焦點

根據(jù)材料厚度的變化，首先應確定激光焦點。激光切割機采用大族激光PD5060-CO2-60。

調(diào)整激光脈沖占空比，打點發(fā)射激光。激光光斑越大，刻蝕效率越高，但線寬精度越低；反之，激光光斑越小，刻蝕效率越低，但刻蝕精度越高[3]。

從低到高調(diào)整切割頭，尋找到最小光斑直徑，切割頭高度為15 mm時，光斑直徑最小0.09 mm，此高度為最佳激光焦點。

1.3 調(diào)整激光脈沖頻率

激光的脈沖頻率影響切縫寬度，與加工精細程度有直接的關系。切割雙面涂膠聚酰亞胺薄膜，加工精度要求±0.1 mm，切縫需小于0.1 mm，本實驗使用HiroxRH-2000測量切縫寬度。

當激光脈沖頻率為10 MHz時，切縫寬度0.097 mm，即滿足切縫小于0.1 mm的要求。

2 激光切割實驗

2.1 輔助氣體選擇

輔助氣體用于吹掉切割區(qū)熔渣，清潔切縫，可有效提高切割效率和質(zhì)量。常用氮氣(N2)和壓縮空氣(CA)等作為輔助氣體；在功率和切割材料板厚一定時，有最佳切割氣體流量，此切割速度最快[4]。本實驗選用壓縮空氣為輔助氣體。

2.1.1 輔助氣體壓力

選擇合適的輔助氣體壓力能增加切口氣流、排渣能力、切割速度。氣體壓力會影響切割材料的切割質(zhì)量，因此探究了消融寬度、切縫寬度、切割深度與壓力的關系。消融寬度，切縫寬度，切縫深度與氣體壓力效應如圖1所示。

圖1 消融寬度，切縫寬度，切縫深度與氣體壓力效應

由圖1可知，氣壓過高，氣流形成渦流裹挾激光熱量，使切割區(qū)域材料消融，切割質(zhì)量下降；氣壓力過低，排渣能力降低，切割效率下降。氣壓大于0.6 MPa后，消融寬度明顯加大，切割質(zhì)量下降，切縫寬度變化不大。綜合切割效率、切割質(zhì)量，選擇輔助氣體壓力0.6 MPa。

2.1.2 氣閥開度

為降低材料消融影響，對氣閥開度進行實驗。消融寬度，切縫寬度，切縫深度與氣閥開度效應如圖2所示。

圖2 消融寬度，切縫寬度，切縫深度與氣閥開度效應

由圖2可知，氣閥開度減小，消融寬度、切縫寬度減小，切割質(zhì)量改善；氣閥開度小于至6%時，消融寬度趨于穩(wěn)定，但需切縫深度最大，所以選擇氣閥開度為6%。

2.2 三因素正交實驗方案設計

正交實驗法在水平較少的情況下具有較高的效率，可以快速找出各相關因素的影響程度[5]。

加工速度，激光脈沖占空比，加工加速對切割質(zhì)量均存在影響，故采用三因素三水平的L9(33)正交試驗方法優(yōu)化激光切割工藝參數(shù)，因素水平(見表1)。

表1 加工速度，激光脈沖占空比，加工加速三因素正交實驗

綜合評分由激光加工效率，加工均勻性，外觀品質(zhì)進行評估。

根據(jù)實驗結果得出，當加工速度為40 mm/s，激光脈沖占空比25%，加工速度600 mm/s2時，激光加工效率，加工均勻性，外觀品質(zhì)最優(yōu)。

3 結語

上述實驗結果表明切割頭高度15 mm為切割焦點；激光脈沖頻率：10 MHz；輔助氣壓力：0.6 MPa氣壓，氣閥開度：6%；加工速度：40 mm/s，激光脈沖占空比：25%，加工速度：600 mm/s2時為激光切割0.15 mm厚度的雙面涂膠聚酰亞胺薄膜的最佳工藝參數(shù)。