摘要　　利用Nd:YAG型金剛石精密激光切割機(jī)對(duì)表面經(jīng)機(jī)械拋光的CVD金剛石膜進(jìn)行切割，研究了激光焦點(diǎn)位置、重復(fù)頻率、充電電壓以及切割速率對(duì)切割面質(zhì)量的影響，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）、TR200型粗糙度儀和XJP-3C型金相顯微鏡對(duì)切割結(jié)果進(jìn)行了表征。研究表明：將激光焦點(diǎn)置于金剛石膜表面進(jìn)行切割時(shí)，切割面的粗糙度隨著激光切割速率、重復(fù)頻率的增加而減小；充電電壓越高，切縫越寬；激光重復(fù)頻率在80~100Hz范圍內(nèi)，其變化對(duì)切縫寬度影響較小；切割2.7mm厚的金剛石厚膜時(shí)，選取充電電池電壓850V，重復(fù)頻率90Hz，切割速率10mm/min，能夠達(dá)到高效率高質(zhì)量的理想切割效果。

關(guān)鍵詞　激光；切割；CVD金剛石膜


　　CVD金剛石膜具有硬度高、執(zhí)導(dǎo)率高、摩擦系數(shù)低并且從遠(yuǎn)紅外到深紫外光學(xué)可透等優(yōu)良特性，使其在半導(dǎo)體、硬質(zhì)刀具以及光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。但由于金剛石硬度極高，傳統(tǒng)的機(jī)械切割和線切割不適合于金剛石的加工。目前，切割金剛石膜的主要方法有電火花切割、磨料水射流切割和激光切割[2]。相比之下，激光切割是一種無(wú)接觸式加工，無(wú)工具損耗，無(wú)機(jī)械力，不易造成金剛石膜的破裂，且具有切縫小、效率高、熱影響區(qū)域小、切縫邊緣無(wú)機(jī)械應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是切割金剛石膜的一種理想方法[3]。激光切割金剛石膜的機(jī)理：利用激光束在金剛石膜上產(chǎn)生局部高溫，使金剛石石墨化[4]，并形成一層由石墨相和非晶碳組成的修復(fù)層[5]，利用熱處理和化學(xué)處理將其去除，達(dá)到切割目的。有人對(duì)激光切割金剛石膜進(jìn)行過(guò)研究，但切割質(zhì)量與效率不盡如人意。采用新型高能量、高精度Nd:YAG型激光切割機(jī)進(jìn)行CVD金剛石膜的切割實(shí)驗(yàn)，研究了激光焦距、重復(fù)頻率、充電電壓以及切割速率對(duì)金剛石膜切割質(zhì)量的影響，從而得到激光切割CVD金剛石膜的理想工藝。
1 實(shí)驗(yàn)條件及方法
1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
　　本實(shí)驗(yàn)采用Yd:YAG型金剛石精密激光切割機(jī)，激光輸出功率為25~50Ｗ，重復(fù)頻率1~100Hz，激光脈沖寬度100μs，光斑直徑60~80μm。加工過(guò)程采用WinCNC數(shù)控系統(tǒng)控制，同軸CCD監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控，具有加工精度高(0.01mm)的特點(diǎn)。本次激光切割實(shí)驗(yàn)材料均為化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長(zhǎng)的金剛石膜，實(shí)驗(yàn)前金剛石膜經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光處理，表面平整。
1.2 焦點(diǎn)的確定
　　激光切割機(jī)中激光槍產(chǎn)生，為一系列平等光束，然后利用聚焦鏡將它們聚焦到一點(diǎn)，即為焦點(diǎn)[6]。如圖1所示。焦點(diǎn)處激光最為集中，能量大，光斑小，因而在進(jìn)行切割前，必須先確定焦點(diǎn)位置。將一黑色鋼片（便于觀察光斑）固定在夾具臺(tái)上，對(duì)激光切割機(jī)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，充電電壓610V，頻率50Hz，在此參數(shù)下，激光不會(huì)擊穿鋼片，且能清楚地在CCD監(jiān)視系統(tǒng)上觀察激光光斑。選取一適當(dāng)?shù)腪軸高度，使激光噴嘴開(kāi)始有間隔地發(fā)出激光脈沖，每次脈沖Z軸下降0.1mm。利用同軸CCD監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)激光束在鋼片表面所產(chǎn)生的光斑進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)隨著Z軸的降低，光斑先由大變小，再由小變大，光斑最小處即為焦點(diǎn)位置。 　　激光焦點(diǎn)確定后，開(kāi)始進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)際過(guò)程中，金剛石膜具有一定的厚度，尤其對(duì)于厚膜而言，焦點(diǎn)與金剛石膜的相對(duì)位置對(duì)切割面的平整度和錐度有著非常大的影響，因而需要考慮將焦點(diǎn)設(shè)在金剛石膜的什么位置能夠獲得理想的切割效果。圖2為三種方式的切割剖面SEM圖。實(shí)驗(yàn)切割材料為2.2mm厚CVD金剛石膜，采用三種不同的切割方式：（1）焦點(diǎn)置于金剛石表面下1.1mm處，重復(fù)切割兩次，如圖2中A；（2）先將焦點(diǎn)設(shè)置在金剛石膜表面，切割一次，然后下降至膜表面下1.1mm，切割一次，如圖2中B；（3）焦點(diǎn)置于金剛石膜表面，重復(fù)切割兩次，如圖2中C。三種方式除焦點(diǎn)位置外，其他切割條件相同，充電電壓850V，重復(fù)頻率90Hz，切割速度10mm/min，均再次切穿。 2.2 充電電壓、重復(fù)頻率對(duì)切割次數(shù)的影響
　　切割質(zhì)量和切割功率二者間是相互影響、相互制約的。盡管較大的切割功率能夠錢次性切穿金剛石膜，但往往使得切縫較寬、切割截面燒蝕嚴(yán)重，切割質(zhì)量不盡人意。降低功率能夠有效減小縫寬，降低截面燒蝕程度，需通過(guò)多次切割才能切透金剛石膜，效率低。同時(shí)，多次切割受到激光切割機(jī)數(shù)控臺(tái)歸位精度的影響，多次切割的軌跡并不完全重合，同樣會(huì)增大切縫寬度。因而切割功率和次數(shù)的選擇尤為重要。
實(shí)驗(yàn)通過(guò)利用不同工藝參數(shù)切割CVD法生長(zhǎng)的厚膜，研究了重復(fù)頻率、充電電壓對(duì)切割次數(shù)的影響。金剛石膜厚2.7mm，切割速率50mm/min，其他具體參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。 　　比較表1中樣品a~c，發(fā)現(xiàn)充電電壓的增加能夠有效減少切割次數(shù)；比較樣品c~e，發(fā)現(xiàn)激光重復(fù)頻率的增加也能夠減少切割次數(shù)，提高切割效率。前者是由于充電電壓的增加增強(qiáng)了激光強(qiáng)度，從而增強(qiáng)對(duì)金剛石膜的燒蝕效果，達(dá)到減少切割次數(shù)的目的；而后者通過(guò)提高激光頻率，增加了單位時(shí)間內(nèi)作用在金剛石膜上的激光束數(shù)目，延長(zhǎng)燒蝕時(shí)間，提高切割效率。
2.3 激光切割速率對(duì)切割面粗糙度的影響
　　事實(shí)上，激光切割金剛石膜就是對(duì)其進(jìn)行連續(xù)打孔的過(guò)程。激光在金剛石膜表面產(chǎn)生局部高溫，燒蝕出孔洞，利用膜與激光頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在金剛石膜上形成連續(xù)孔洞，從而達(dá)到切割的目的。在這一過(guò)程中，孔的間距對(duì)切割面的光滑度起著決定性的作用，推導(dǎo)出孔間距的計(jì)算公式為d(mm)=v(mm/s)/f(Hz)，式中，v為切割速率，f為激光重復(fù)頻率。顯然，降低切割速率和提高激光頻率能夠有效減小孔間距，增強(qiáng)孔洞的連續(xù)性，能夠得到更為光滑的切割面，還能有效減少切割次數(shù)。但過(guò)低的切割速率同時(shí)也會(huì)制約切割效率。
　　選取適當(dāng)?shù)那懈顓?shù)，在保證1~2次切穿金剛石膜的基礎(chǔ)上，對(duì)2.2mm厚金剛石厚膜進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，研究重復(fù)頻率與切割速度對(duì)孔間距的影響，并利用國(guó)產(chǎn)TR200型粗糙度儀對(duì)切割面度進(jìn)行了表征，具體參數(shù)與結(jié)果如表2所示。
　　觀察表2中樣品a~d可知，切割孔間距和切面粗糙度隨著切割速率的減小而減少，比較樣品　和樣品b、e可知，適當(dāng)降低充電電壓，通過(guò)增大重復(fù)頻率能夠角效減小孔間距和切面粗糙度。需要注意的是，重復(fù)頻率與充電電壓決定著激光對(duì)金剛石膜的燒蝕效果，因此切割時(shí)須協(xié)調(diào)這兩個(gè)參數(shù)，避免過(guò)分燒蝕。圖4分別為孔間距5.2μm和1.0μm的激光切割效果圖，本次使用的激光切割機(jī)光斑直徑為60~80μm，很明顯，間距越小，其連續(xù)切割效果越好。通過(guò)對(duì)切割截面的觀察，發(fā)現(xiàn)孔間距小的切割面形貌更為平整、光滑。 激光充電電壓780V，切割速率10mm/min，其他參數(shù)與結(jié)果如表3。 　　由表3可知，激光重復(fù)頻率從50Hz增加到80Hz，縫寬明顯增大，而之后重復(fù)頻率的變化對(duì)縫寬的變化較小，由于50Hz重復(fù)頻率的激光束在單位時(shí)間內(nèi)的能量輸出較小，不適于較厚金剛石片的切割，所以通常采用的頻率為80~100Hz；由表4可知，充電電壓對(duì)縫寬的影響較為顯著，充電電壓越高，切縫越寬。激光切割金剛石主要是利用激光的局部高能量，使金剛石石墨化，切割深度主要靠石墨蒸發(fā)[8]，而切縫寬度主要靠切縫壁瓣石墨化和濺射作用產(chǎn)生[9]。激光能量隨著充電電壓的升高而提高，加速了壁材料的石墨化與濺射作用，從而增加了縫寬。所以在對(duì)金剛石進(jìn)行切割時(shí)，應(yīng)盡量選擇充電電壓較小，重復(fù)頻率較高的工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的切割。
3 結(jié)論
　　利用激光精密切割機(jī)對(duì)CVD金剛石膜進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，研究了焦點(diǎn)位置、充電電壓、重復(fù)頻率以及切割速率對(duì)切割面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)：
（1） 將激光焦點(diǎn)置于金剛石膜表面進(jìn)行切割，能夠有效降低激光入射角度和入射能量，得到的切口截面最為平整、錐度小，切割效果最為理想。
（2） 在保證切割效率的前提下，降低切割速率能夠降低切割面表面粗糙度值，提高切割質(zhì)量。
（3） 適當(dāng)?shù)卦黾又貜?fù)頻率能夠有效減少切割次數(shù)，提高切割效率，同時(shí)能降低切割面表面粗糙度值，提高切割質(zhì)量。與之相比，盡管提高充電電壓能夠提高激光輸出功率，減少切割次數(shù)，但會(huì)產(chǎn)生較寬的切縫，影響切割質(zhì)量。
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作者簡(jiǎn)介
嚴(yán)壘（1988－），男，碩士研究生。主要方向：等離子體技術(shù)與薄膜材料。
通訊作者：馬志斌，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榈蜏氐入x子體技術(shù)及其應(yīng)用。