控制斷裂激光切割厚的陶瓷基板技術(shù)

1、嘉興學院畢業(yè)設計（論文）外文翻譯原文題目： Laser cutting of thick ceramic substrates by controlled fracture technique 譯文題目：控制斷裂激光切割厚的陶瓷基板技術(shù) 學院名稱：機電工程學院專業(yè)班級：機械082 學生姓名：程豐 控制斷裂激光切割厚的陶瓷基板技術(shù)摘要控制斷裂的激光切割技術(shù)，可用于切割厚的陶瓷基板，同步申請的Nd：YAG激光器和CO2激光在基板上。重點Nd：YAG激光用于隸凹槽裂縫在基材表面和散焦的CO2激光誘發(fā)熱應力。熱應力集中會發(fā)使得槽尖端出現(xiàn)裂紋，使其延長通過襯底，沿激光束的運動軌跡可控基板分離。根據(jù)輸出功

2、率的60 W的CO2激光器和Nd：YAG激光器，最大切割速度可以達到1.5毫米/厚的氧化鋁樣品的樣品。為什么激光可以切割厚的基板，為什么斷裂是可控的原因是本文研究。分離表面的SEM照片是用來分析斷裂過程的微觀機制。溫度和應力分布進行了分析，利用有限元軟件ANSYS。激光功率，切割速度快，試樣幾何形狀之間的關系都是從實驗分析，這種現(xiàn)象也從應力分析的結(jié)果解釋。1. 簡介Lambert1等最初開發(fā)的激光切割技術(shù)可以切斷了玻璃或陶瓷結(jié)構(gòu)。在此過程中使用的激光起器有2個，其中第一個有一個波長，至少有50的激光能量在0.2毫米的深溝裂紋的融化。第二個激光束產(chǎn)生在裂紋尖端的熱應力使材料分離可控。這種方法是控

3、制斷裂激光切割和激光劃片的方法的擴展，以前是由Garibotti2和Lumley 3提出的。切割厚度可大于5毫米玻璃體或陶瓷材料。Garibotti提出的刻劃晶圓的方法是用激光劃線一種脆性材料，激光用于劃晶圓沿所需的隔離線，然后是浸入在超聲波細胞破碎沿超聲波能量的刻線。要集中照射在焦平面上放置工件上的窄行激光能量。通過應用機械力使得刻劃基板沿著劃線發(fā)生破碎。Lumley3的控制斷裂脆激光切割脆性材料的方法具有很大的潛力。他的發(fā)明只有一個單一的激光。應用激光能量產(chǎn)生的機械應力，導致材料沿激光束路徑分開。該材料分離是類似的一個裂紋擴展和的斷裂增長是可控的。Lumley 3成功地應用在氧化鋁陶瓷基板

4、和玻璃等脆性材料切割技術(shù)通過使用CO2激光。所需的激光功率是比傳統(tǒng)激光蒸發(fā)切割和激光劃片少，切割速度高得多。格羅夫等人4提出了相關的方法在較高切削速度控制斷裂切割玻璃。近年來，Kondratenko5和Unger和Wittenbecher6使用低功耗激光切割的玻璃有水做冷卻液沿著切割路徑。這些改進的控制斷裂的方法已被確認為它在未來有良好前景。蔡和劉7提出了一種解釋為什么物質(zhì)的分離是通過使用一個單一的激光控制斷裂技術(shù)可控。他們提到切割過程可以分為三個階段首先是啟蒙階段，由于試樣的邊緣拉應力的斷裂發(fā)起。二是穩(wěn)定增長階段，激光點附近的壓力是高度壓縮蠕變變形。通過激光束后，將放寬壓應力，然后誘導殘余拉

5、應力，使斷裂增長從上表面，以降低基材表面的應力。最后一個階段是不穩(wěn)定斷裂，裂紋尖端附近的應力是一個完全通過厚度方向的拉應力，裂紋擴展不穩(wěn)定。控制斷裂的現(xiàn)象，并原則通過使用一個單一的激光。但該方法是非常受限制的的用于切割厚的基板。舉例來說，強度很高的的氧化鋁基板，可被切割厚度約1毫米。比較傳統(tǒng)的蒸發(fā)法切割厚陶瓷基片，激光切割是更有效和更昂貴。根據(jù)Black和Chua9，對于厚度為9.2毫米氧化鋁陶瓷，切割速度不超過1毫米/秒和輸出功率500瓦。然而，高功率激光會誘使許多裂縫和倦怠的切割面，降低了表面質(zhì)量。然而，目前的法切割需要更少，激光功率，造成缺陷少。Lambert等技術(shù)1，可以用來切割厚，陶

6、瓷基板，由兩個激光器的同步應用。但原理和厚基板切割的現(xiàn)象和切割薄基板不同。斷裂機制尚未詳細分析，并針對不同的切削條件下的現(xiàn)象尚未很好的研究此外，斷裂是可控的機制尚未被了解。在本文中，我們專注于厚的陶瓷基板切割控制斷裂技術(shù)的斷裂機制的調(diào)查我們還討論了加工參數(shù)，如切割速度和試樣尺寸溫度和應力分布進行了分析的利用有限元軟件ANSYS5.4。2激光切割的實驗與控制斷裂 2.1 激光切割系統(tǒng)和標本激光切割系統(tǒng)，如圖1是由二氧化碳激光，ND：YAG激光，XYZ定位表，和一臺個人電腦整個工件的上表面激光束移動安裝在一個平臺上，可以移動的X，Y，和Z方向CO2激光和Nd：YAG激光的波長，分別的10.6和1.

7、06毫米。激光的輸出功率可同步XYZ定位表CO2激光和Nd的聚焦點最小直徑：YAG激光分別的73和32毫米。圖1激光切割系統(tǒng)的配置與控制斷裂技術(shù)本文所用的實驗標本的和由京瓷公司（日本）生產(chǎn)的氧化鋁（Al2O3）陶瓷基板氧化鋁陶瓷基片的純度為99.6的密度3960 kg/m3的，青年鈥檚模量400 GPa時，8:2106 C 1，導熱系數(shù)為33.5 W / M8C的熱膨脹系數(shù)，和熱擴散1:0610 5平方米/秒。原始尺寸的基板108毫米108毫米10毫米，101:6101:6毫米毫米2毫米，101:6101:6毫米毫米1毫米。焦平面的Nd：YAG激光器放置在基材表面激光束垂直的基材表面CO2激光

8、焦平面放8毫米處，激光光斑直徑約373毫米的距離上表面CO2激光束傾斜的Nd：YAG激光束在158兩束激光和同步應用在基板上，輸出功率CW模式。2.2 對稱切割的斷裂擴展模型 沿正中平面切割一條直線對稱的切削條件如圖四件108毫米×108×毫米10毫米大小的基板氧化鋁基板切割的照片 2。為了理解對稱的切割機制控制斷裂技術(shù)，沿著切割路徑的分離表面進行了調(diào)查。的雖然使用的激光切割氧化鋁基板厚度為10毫米，激光束穿過距離的但不完全通過基板，然后停止切割和標本拿起試樣的分離是類似沿切割路徑的裂紋擴展，肉眼看不見的裂紋。圖2 沿對稱的直線切割的照片 為了區(qū)分不同斷裂地區(qū)分離表面上，深

9、色油墨畫沿著切割路徑的激光光斑的最后位置，和墨水滲透到分離表面然后被剝離試樣破兩片沿切割路徑，深色油墨只對已分離的表面分離表面的照片顯示在圖的3，顯示切割速度1和2毫米/秒，和50瓦的激光功率為CO2激光和Nd：YAG激光器圖3 分離表面沿切削速度切削路徑（一）1毫米/ s和（B）2毫米/秒。 圖片3，可分為三個區(qū)域：（1）裂溝地區(qū)由于聚焦的Nd：YAG激光（黑線），（2）控制斷裂地區(qū)的散焦的CO2激光（灰面），和（3）背面地區(qū)（白色表面）表面地區(qū)深處發(fā)現(xiàn)1切削速度約分別為0.63毫米/秒、0.43毫米/秒和2毫米/秒，有些激光熱處理吸收融化的物質(zhì)，從而減少了粘接強度，然后將物料鞏固和誘導主短

10、溝裂紋，緊跟激光光斑路徑由于短溝裂紋擴展從上到下后已通過激光光斑的控制斷裂地區(qū)。這是顯而易見的尖端前沿的傳播裂紋速度始終是大于的激光光斑運動速度。裂紋尖端的激光光斑之間距離分別為3.8厘米和2.3厘米而對應的切屑速度為1毫米/秒和2毫米/秒。然而激光光斑的距離與切屑速度沒有明顯的關系。這種現(xiàn)象與薄基板控制斷裂技術(shù)不同，即激光光斑的距離與較高的切削速度沒有關系。最重要現(xiàn)象是斷裂地區(qū)的高速切削整個厚度切割前完成。在最后階段基材部分分開并形成一種裂縫，誘發(fā)失穩(wěn)斷裂和裂紋地區(qū)分開。失穩(wěn)斷裂的完成，一個響亮的聲音可以聽到表示切割實驗結(jié)束。2.3.斷裂的不對稱切割擴展模型直線切割不僅沿著中位平面直線，而且

11、還沿著切割曲線包括不對稱切割。在裂紋尖端的應力狀態(tài)不是不對稱切割。如圖直線切割的圖片4A為108毫米×108毫米×10毫米的試樣尺寸切割路徑，沿試樣的一部份。據(jù)蔡和劉薄基板切割的研究7，如果壓力不是對稱的裂縫，斷裂的實際軌跡將偏離所需的切割路徑。但在本實驗切割厚基板，斷裂的實際軌跡與上表面所需的切割路徑一致的，底部表面上的偏差而嚴重。因此，沿厚度方向的分離表面變得扭曲的表面這樣做的原因，存在應力集中在最初的溝裂生產(chǎn)集中的Nd：YAG激光，使裂紋擴展將按照初始裂紋。由于在槽由于在槽裂紋尖端應力沿厚度方向純模式，沿厚度槽裂紋擴展會偏離垂直線遠離。切割曲線的過程在幾何不對稱這種情

12、況下，裂紋尖端的溝裂的將表現(xiàn)為混合模式應力狀態(tài)和裂紋增長不會完全按照激光光斑的路徑沿切削方向的斷裂前的行為也將作為混合模式應力狀態(tài)，使斷裂的實際軌跡將偏離激光束的運動軌跡正弦曲線切割的圖片見圖4b中，顯示斷裂軌跡略有偏離所需的正弦曲線。當使用控制斷裂的激光切割技術(shù)切開一個直角，實際斷裂軌跡將偏離所需的直角，成為一個圓形的角度這種偏差由于分離裂紋尖端的激光光斑的滯后。當激光光斑在到達轉(zhuǎn)折點，裂紋尖端還沒有達到轉(zhuǎn)折點在這瞬間，激光束以及裂紋尖端在垂直方向轉(zhuǎn)動由于裂紋尖端還沒有達到直角的轉(zhuǎn)折點，實際斷裂軌跡嚴重偏離所需的直角。見圖直角切割氧化鋁基板的圖片4c。CO2激光功率53瓦，在Nd：YAG激光

13、功率63 瓦，切割速度1毫米/秒轉(zhuǎn)折點滯后距離為5毫米研究還發(fā)現(xiàn)，更高的切削速度會誘發(fā)更大的滯后距離此外，陶瓷碎片的有時會被誘導間斷裂的實際軌跡和應用激光路徑對于大多數(shù)情況下，沿路徑的激光光斑的斷裂弱于實際斷裂軌跡曲線切割。 圖4 不對稱裁剪的照片（一）直線，（二）曲線，（三）直角2.4 切割速度，激光功率和試樣寬度 為了研究的切割速度，激光功率和試樣寬度之間的關系，三種尺寸的氧化鋁陶瓷基片的選擇作為標本其尺寸是：更廣泛的樣本108毫米×108毫米×10毫米，中間標本54毫米×108毫米×10毫米，和狹窄的標本27毫米×108毫米×1

14、0毫米最大切割速度快，可達到?jīng)]有關系的輸出功率CO2激光，實驗結(jié)果顯示在圖5。Nd：YAG激光功率是恒定在60和80瓦，它可以誘發(fā)槽裂紋的不斷深入由此可以看出，如果試樣寬度較窄，最大切割速度可以達到更高可以解釋的現(xiàn)象在第4節(jié)分析的壓力槽裂紋由Nd：YAG激光，Nd：YAG激光功率，使槽裂紋的深度，溝裂深度較大的可提供更高的的切削速度。CO2激光功率與最大可達到切割速度切割基板厚度1毫米和2毫米之間的關系見圖 6。實線表示為1毫米的厚度和35瓦的恒定的Nd：YAG激光功率的情況下，虛線表示為2毫米厚度和45瓦恒定的Nd的情況的：YAG激光功率。Nd：YAG激光功率和強度很高的切割速度之間關系可達

15、到不同的的基板尺寸見圖7。實線表示為1毫米厚度和15 W的恒定的CO2激光功率的情況的虛線表示為2毫米厚度和37 W恒定的CO2激光功率的情況的。厚基板的切割控制斷裂的原則是基于槽裂紋尖端的應力集中最大分離速度和恒定輸出功率的CO2激光下的凹槽，裂紋深度之間的關系見圖8。對于更深的的凹槽，裂紋，最大切割速度可以達到更高。槽裂紋產(chǎn)生聚焦的Nd：YAG激光，使溝裂紋深度與輸出功率的Nd：YAG激光器2.5 切割質(zhì)量激光切割控制斷裂所產(chǎn)生的表面非常光滑，很少有缺陷。算術(shù)平均表面粗糙度Ra的為2毫米。對于激光切割條件包括60瓦的輸出功率為CO2激光和Nd：YAG激光，激光的移動速度是1毫米/秒。表面蒸

16、發(fā)材料遠高于傳統(tǒng)激光切割更好。如圖9打破表面的粗糙度輪廓 。圖5 CO2激光功率與最大切割速度不同的試樣寬度不斷的Nd：YAG激光功率60瓦（實線）和80瓦（虛線）基板厚度為10毫米圖6 CO2激光功率與最大切割速度不同的試樣寬度實線表示為1毫米的厚度和35瓦的恒定的Nd：YAG激光功率的情況下虛線表示為2毫米厚度和45瓦的恒定的Nd：YAG激光功率的情況下圖7 Nd：YAG激光功率與不同的試樣寬度最大切割速度實線表示為1毫米厚度和15 W的恒定的CO2激光功率的情況下虛線表示為2毫米厚度和37 W恒定的CO2激光功率的情況下圖8 要求溝裂紋深度與切割速度為基板2毫米厚，108毫米寬 CO2激

17、光功率為37 W。圖9斷表面的粗糙度輪廓3.斷口表面的斷紋斷口觀察，氧化鋁陶瓷基片切割與激光功率60瓦CO2激光和Nd：YAG激光散焦的CO2激光光斑直徑373毫米，集中的Nd：YAG激光器是32毫米，切割速度是1毫米/秒。沿著切割路徑的斷裂面的掃描電子顯微鏡照片如圖 10。很明顯，斷裂面可以劃分成四個區(qū)域，激光蒸發(fā)區(qū)，柱狀晶區(qū)，沿晶斷裂地區(qū)和穿晶斷裂地區(qū)四個地區(qū)的深度分別約80，220，280和9420毫米。顯示在圖11的是柱狀晶區(qū)和沿晶斷裂區(qū)域的放大圖像。空洞存在在兩個地區(qū)之間的的交叉點。高能激光的輸出功率產(chǎn)生的高溫，使材料蒸發(fā)形成空洞，是由于來不及逃的氣氛形成的氣泡蒸發(fā)。這種現(xiàn)象是從不同

18、的激光功率低切割薄的基板。激光熱處理應用激光基材表面后。將蒸發(fā)的物質(zhì)，并產(chǎn)生一個淺槽。這是約80毫米深。激光蒸發(fā)區(qū)域。這個槽底相鄰，材料融化，但不蒸發(fā)。通過激光束后快速凝固。隨后在固態(tài)冷卻的地方。柱狀晶生長從一個單獨的核在熔融層和固體區(qū)域接口，停留方向與溫度梯度方向平行。在瞬間凝固主裂縫沿厚度方向在柱狀晶界形成。在截面上表面產(chǎn)生細微裂縫。裂紋的深度是柱狀晶在長度相等。柱狀晶區(qū)的相近，是沿晶斷裂地區(qū)。這個地區(qū)是遭受高溫在但還沒有達到熔點。晶粒粘接強度在高溫下減少。各向異性熱變形使裂紋沿晶界擴展。最后的地區(qū)是穿晶斷裂的地區(qū)，這是斷紋表面在最大部分。由于激光熱處理有穿晶斷裂地區(qū)在晶界上在親情無法被摧

19、毀晶粒粘結(jié)。裂紋擴展?jié)B透糧食。穿晶斷裂在不穩(wěn)定骨折發(fā)生后，沿晶斷裂。有輕微裂縫尖端產(chǎn)生，如圖11所示 。細微裂縫是由于重新凝固。晶體各向異性，他們會從柱狀晶區(qū)域擴展到沿晶斷裂地區(qū)。圖10 斷裂氧化鋁基板表面在SEM照片馬克1激光蒸發(fā)區(qū)2柱狀晶區(qū)，3晶斷裂地區(qū)和4個是穿晶斷裂圖11 柱狀晶區(qū)。沿晶斷裂區(qū)在SEM照片箭頭指示的空隙。細微裂縫分支圖12 熔融槽在SEM照片箭頭指示的細微裂縫分支如圖12熔化槽頂面 的溝槽的形成是由于在Nd：YAG激光。熔化槽在寬度約為330毫米細微裂縫成長打破表面在邊緣誘導凝固，過程中的開裂是熱輸入和切割速度在影響4 有限元分析4.1。基本假設為了分析實際在斷裂現(xiàn)象，

20、有限元軟件ANSYS5.4是用來解決溫度是應力分布對于厚在基板，溫度和應力場三維分布。激光束穿過表面像在三維人體運動在一個點熱源大部分集中的Nd：YAG激光的能量會被吸收，形成溝裂是激光能量在一部分將體現(xiàn)出來。然而，散焦在CO2激光能量被吸收的物質(zhì)引起的熱應力CO2激光能量不會融化的材料是將體現(xiàn)出它的一部分由于反射在激光能量是難以估量的，下面的結(jié)果將包含一個未知因素A。該因素在一個代表總能量激光產(chǎn)生的熱應力的激光能量在比例。形成凹槽，裂紋在由于集中的Nd：YAG激光涉及的相變這是不考慮這一分析因此在有限元分析計算在凹槽裂縫被認為是預先存在的由于激光功率少用可只限于應力分析的彈性變形如傳熱性能和

21、力學性能的材料屬性被假定為溫度無關。即使以下在結(jié)果在不能提供實際的應力的解決方案，結(jié)果仍然提供有價值的參考標本是坐標系統(tǒng)在配置如圖 13。分離面位于xz平面是沿正x方向的激光移動。4.2 更廣泛的基材試樣尺寸為108毫米×108毫米×10毫米是厚度為10毫米CO2激光在輸出功率為80瓦。Nd：YAG激光為60 W。在時間t=0時兩束激光在試樣邊緣應用（即x=y=0，Z=10毫米）然后以恒定的速度V的四分之一次方在X方向移動即 1毫米/秒。對于這種負載條件下的一個深度約1毫米的小槽裂紋是由Nd：YAG激光誘導基材的分離比的激光光斑的移動，在這種落后的距離為4毫米的裂紋。ANSYS5.4軟件是用來計算t=0-30秒的時間間隔在切割過程中的瞬態(tài)溫度是應力分布熱源的輸入功率是140W。沿破裂面的壓力SYY分布在z=8.5，8，6，4，0毫米為t=30秒如圖14。此時，在x=30毫米的激光束到達的是在x=26毫米，是分離的前沿強調(diào)SYY附近的分離邊界（x=26-27毫米，Z=4-9毫米）強烈的拉伸強度和其他地區(qū)的應力壓縮。拉應力可能引起斷裂，沿z方向的厚度是溝裂的邊緣開始打破壓應力可以使切割失穩(wěn)斷裂。通