激光切割聚酰亚胺薄膜的实验研究

刘 鑫，何燕春，袁莓婷，杨 浩，代文龙

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引言

激光切割技术是利用高功率、高密度的激光束将材料加热至汽化或熔化形成孔洞，然后随着光束的移动，孔洞连续形成切缝，从而完成对材料的切割。激光加工的特点为非接触加工，对被切割材料不产生机械力；激光切割功率密度高，切缝宽度小，切割边界整齐，无毛刺[1]，广泛适用于电子电路、仪器仪表、印制电路、计算机制造、印刷制版等精密加工行业。

聚酰亚胺薄膜(PI)由芳香族二酐和芳香族二胺聚合而成，良好的耐化学性、很高的介电强度和优异的机械性能，主要用于航空、航天、通讯等电子电路制造等领域。

本文以0.15 mm厚度的双面涂胶聚酰亚胺薄膜为基础，对激光加工中涉及的加工速度、激光脉冲占空比、加工加速度等参数进行实验研究与优化。

1 实验前准备

1.1 编辑切割文件

编辑切割文件，可使用CorelDRAW，CAD软件生成的DXF或PLT格式文件；编辑过程中应删除重叠线，避免重复切割。

对于特殊情况，为了减少切割下的细小工件掉落，移位影响切割，编程的时候把这些细小的工件设置成微连接，使得在切割的轨迹走完之后工件上仍然有一个微小的连接点与母材相连，就能有效避免此问题[2]。

1.2 寻找激光焦点

根据材料厚度的变化，首先应确定激光焦点。激光切割机采用大族激光PD5060-CO2-60。

调整激光脉冲占空比，打点发射激光。激光光斑越大，刻蚀效率越高，但线宽精度越低；反之，激光光斑越小，刻蚀效率越低，但刻蚀精度越高[3]。

从低到高调整切割头，寻找到最小光斑直径，切割头高度为15 mm时，光斑直径最小0.09 mm，此高度为最佳激光焦点。

1.3 调整激光脉冲频率

激光的脉冲频率影响切缝宽度，与加工精细程度有直接的关系。切割双面涂胶聚酰亚胺薄膜，加工精度要求±0.1 mm，切缝需小于0.1 mm，本实验使用HiroxRH-2000测量切缝宽度。

当激光脉冲频率为10 MHz时，切缝宽度0.097 mm，即满足切缝小于0.1 mm的要求。

2 激光切割实验

2.1 辅助气体选择

辅助气体用于吹掉切割区熔渣，清洁切缝，可有效提高切割效率和质量。常用氮气(N2)和压缩空气(CA)等作为辅助气体；在功率和切割材料板厚一定时，有最佳切割气体流量，此切割速度最快[4]。本实验选用压缩空气为辅助气体。

2.1.1 辅助气体压力

选择合适的辅助气体压力能增加切口气流、排渣能力、切割速度。气体压力会影响切割材料的切割质量，因此探究了消融宽度、切缝宽度、切割深度与压力的关系。消融宽度，切缝宽度，切缝深度与气体压力效应如图1所示。

图1 消融宽度，切缝宽度，切缝深度与气体压力效应

由图1可知，气压过高，气流形成涡流裹挟激光热量，使切割区域材料消融，切割质量下降；气压力过低，排渣能力降低，切割效率下降。气压大于0.6 MPa后，消融宽度明显加大，切割质量下降，切缝宽度变化不大。综合切割效率、切割质量，选择辅助气体压力0.6 MPa。

2.1.2 气阀开度

为降低材料消融影响，对气阀开度进行实验。消融宽度，切缝宽度，切缝深度与气阀开度效应如图2所示。

图2 消融宽度，切缝宽度，切缝深度与气阀开度效应

由图2可知，气阀开度减小，消融宽度、切缝宽度减小，切割质量改善；气阀开度小于至6%时，消融宽度趋于稳定，但需切缝深度最大，所以选择气阀开度为6%。

2.2 三因素正交实验方案设计

正交实验法在水平较少的情况下具有较高的效率，可以快速找出各相关因素的影响程度[5]。

加工速度，激光脉冲占空比，加工加速对切割质量均存在影响，故采用三因素三水平的L9(33)正交试验方法优化激光切割工艺参数，因素水平(见表1)。

表1 加工速度，激光脉冲占空比，加工加速三因素正交实验

综合评分由激光加工效率，加工均匀性，外观品质进行评估。

根据实验结果得出，当加工速度为40 mm/s，激光脉冲占空比25%，加工速度600 mm/s2时，激光加工效率，加工均匀性，外观品质最优。

3 结语

上述实验结果表明切割头高度15 mm为切割焦点；激光脉冲频率：10 MHz；辅助气压力：0.6 MPa气压，气阀开度：6%；加工速度：40 mm/s，激光脉冲占空比：25%，加工速度：600 mm/s2时为激光切割0.15 mm厚度的双面涂胶聚酰亚胺薄膜的最佳工艺参数。