激光切割聚酰亞胺薄膜的實(shí)驗(yàn)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(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

激光切割技術(shù)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(dòng)，孔洞連續(xù)形成切縫，從而完成對(duì)材料的切割。激光加工的特點(diǎn)為非接觸加工，對(duì)被切割材料不產(chǎn)生機(jī)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(jì)算機(jī)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(xué)性、很高的介電強(qiáng)度和優(yōu)異的機(jī)械性能，主要用于航空、航天、通訊等電子電路制造等領(lǐng)域。

本文以0.15 mm厚度的雙面涂膠聚酰亞胺薄膜為基礎(chǔ)，對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)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(yīng)刪除重疊線，避免重復(fù)切割。

對(duì)于特殊情況，為了減少切割下的細(xì)小工件掉落，移位影響切割，編程的時(shí)候把這些細(xì)小的工件設(shè)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(gè)微小的連接點(diǎn)與母材相連，就能有效避免此問題[2]。

1.2 尋找激光焦點(diǎn)

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

調(diào)整激光脈沖占空比，打點(diǎn)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(shí)，光斑直徑最小0.09 mm，此高度為最佳激光焦點(diǎn)。

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(xì)程度有直接的關(guān)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(shí)驗(yàn)使用HiroxRH-2000測量切縫寬度。

當(dāng)激光脈沖頻率為10 MHz時(shí)，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(shí)驗(yàn)

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?dú)?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(shí)，有最佳切割氣體流量，此切割速度最快[4]。本實(shí)驗(yàn)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(huì)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(guān)系。消融寬度，切縫寬度，切縫深度與氣體壓力效應(yīng)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(yīng)

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(duì)氣閥開度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。消融寬度，切縫寬度，切縫深度與氣閥開度效應(yīng)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(yīng)

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(shí)，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(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

正交實(shí)驗(yàn)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(guān)因素的影響程度[5]。

加工速度，激光脈沖占空比，加工加速對(duì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)

綜合評(píng)分由激光加工效率，加工均勻性，外觀品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，當(dāng)加工速度為40 mm/s，激光脈沖占空比25%，加工速度600 mm/s2時(shí)，激光加工效率，加工均勻性，外觀品質(zhì)最優(yōu)。

3 結(jié)語

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明切割頭高度15 mm為切割焦點(diǎn)；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(shí)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)。