皮秒激光旋切加工微孔試驗(yàn)研究

孫樹峰， 廖惠鵬， 吳旭浩， 章 斌

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 青島 266520；2.溫州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 溫州 325035;3.浙江久恒光電科技有限公司， 溫州 325035)

引 言

近年來(lái)，在微流體器件制造、電子封裝等領(lǐng)域?qū)Ω呱顝奖取⒏哔|(zhì)量微孔加工的需求越來(lái)越多[1-5]。微孔一般指直徑小于300μm的孔，在精密加工領(lǐng)域，尤其對(duì)微孔的尺寸及質(zhì)量提出了很高的要求。傳統(tǒng)打孔方法包括機(jī)械鉆孔、電火花打孔和電子束打孔等都存在一定的局限性[6]，采用激光加工技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高效精密制孔的一個(gè)有效途徑[7]，超短脈沖(皮秒、飛秒)激光加工時(shí)能夠有效減小長(zhǎng)脈沖激光產(chǎn)生的熱影響等問(wèn)題，其中飛秒激光的“冷加工”效應(yīng)能夠獲得更好的加工質(zhì)量[8]，但造價(jià)昂貴的飛秒激光器目前很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，而性價(jià)比相對(duì)較高的皮秒激光在微加工行業(yè)已得到較為廣泛的應(yīng)用[7-10]。本試驗(yàn)中所用的皮秒激光脈沖寬度為200ps，遠(yuǎn)高于熱量在電子-晶格中的弛豫時(shí)間(10ps)，在打孔過(guò)程中由于熱積累會(huì)導(dǎo)致熱燒蝕，為提高所加工微孔的質(zhì)量，需研究旋切速率和激光參量等因素對(duì)加工質(zhì)量的影響。

本試驗(yàn)中采取的旋切打孔法通過(guò)實(shí)現(xiàn)激光束與加工材料的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以避免由于高斯光束的能量分布不均勻而造成的微孔圓度缺陷，這種加工方法有效地提高了所加工微孔的圓度，避免了非圓形光斑(如橢圓光斑)造成的加工誤差。在激光束相對(duì)工件持續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，能夠逐層去除材料，使得此種加工微孔的工藝方法能夠在一定程度上提高所加工孔的深度。此外，在激光旋切打孔過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)可以降低激光脈沖重疊率，從而減少激光加工過(guò)程中所產(chǎn)生的熱積累，避免嚴(yán)重的熱影響。同時(shí)，皮秒激光相對(duì)較小(幾百微焦到幾個(gè)毫焦)的單脈沖能量能夠在打孔過(guò)程中降低所產(chǎn)生的等離子體濃度，相對(duì)較少的等離子體在高速旋轉(zhuǎn)的光斑再次到達(dá)同一加工點(diǎn)之前更容易消散，這就從濃度和時(shí)間兩個(gè)維度降低了等離子體對(duì)激光的屏蔽作用，加工出高質(zhì)量的微孔[11]。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

自主搭建的皮秒激光旋切法微孔加工設(shè)備如圖1所示。該設(shè)備的激光器采用Dynasaw系列YPS200型皮秒激光器，激光波長(zhǎng)為1064nm；平均功率不小于6W；脈沖寬度不大于200ps；脈沖頻率為50kHz。激光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的擴(kuò)束、光闌過(guò)濾提高光束質(zhì)量后經(jīng)過(guò)45°反射鏡反射使光束入射聚焦鏡，通過(guò)工控機(jī)控制驅(qū)動(dòng)聚焦鏡上下移動(dòng)的z軸來(lái)改變聚焦光斑的位置。將所加工的工件放置在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)由高轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，置于x-y兩軸水平滑臺(tái)上，通過(guò)工控機(jī)控制工件與激光聚焦光斑的相對(duì)位置和高速旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。

Fig.1 Schematic diagram of micro hole machining equipment by picosecond laser

1.2 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)加工材料為0.2mm厚SUS 304不銹鋼(06Cr19Ni10)薄板，其物質(zhì)組成成分如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程中采用旋切法進(jìn)行微孔加工，所加工的工件固定在高速旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)控制固定在z軸上的聚焦鏡來(lái)改變激光聚焦光斑與加工工件的相對(duì)位置，通過(guò)控制水平滑臺(tái)，改變激光束與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸心的距離來(lái)控制所加工微孔的直徑大小，如圖2所示[12]。設(shè)激光束的聚焦半徑為r，高速轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)激光束軸心的距離為R，則所切孔的直徑D如下所示：

D=2(R+r)(1)

Fig.2 Schematic diagram of pore diameter by laser rotary cutting

激光的重復(fù)頻率固定為50kHz，采用控制變量法，分別改變旋轉(zhuǎn)速率、激光功率和離焦量進(jìn)行試驗(yàn)，研究在不同條件下所加工微孔的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 旋切速率對(duì)微孔加工質(zhì)量的影響

皮秒激光旋切微孔加工過(guò)程中光斑掃描軌跡如圖3所示。

旋切速率對(duì)微孔加工的質(zhì)量有較大的影響。一方面，如果旋轉(zhuǎn)速率太快，兩個(gè)相鄰脈沖激光光斑的重疊率太小，材料對(duì)激光能量的累積吸收不充分，導(dǎo)致材料的去除率太低，影響加工效率;另一方面，旋切速率過(guò)慢時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相鄰的兩個(gè)脈沖激光光斑的重疊率太大，激光在同一加工點(diǎn)累積的脈沖過(guò)多，使得激光能量作用材料所產(chǎn)生的等離子體散逸不完全造成了大量熱積累，而且這些未排出的氣體和等離子體會(huì)吸收下一個(gè)激光脈沖的能量，一定程度上減少了激光與加工材料之間的能量耦合，使得材料上吸收到的激光能量減少，影響加工深度。而且材料氣化所產(chǎn)生的蒸氣和等離子體的熱量累積造成孔腔內(nèi)的溫度升高達(dá)到材料的熔點(diǎn)，由于材料間的熱傳導(dǎo)作用使內(nèi)壁產(chǎn)生熱影響區(qū)，從而使成孔質(zhì)量下降[13]。

Fig.3 High speed rotary cutting method

a—trajectory of laser spot scanning by high speed rotary cutting method b—effect picture by high speed rotary cutting method

假設(shè)激光光斑的重疊率為μ，加工孔的直徑為D，激光光斑直徑為Φ，激光脈沖頻率為ω,旋轉(zhuǎn)速率為v，則一個(gè)圓周上的光斑個(gè)數(shù)如下所示:

(2)

滿足這樣的光斑重疊率要求的旋切轉(zhuǎn)速如下所示:

v=ω/δ(3)

一般地，在旋切法加工微孔的過(guò)程中將光斑的重疊率控制在50%～95%之間[14]，這樣能夠使受到激光輻照的材料全部氣化而得以去除，獲得內(nèi)壁光滑度較好的小孔，同時(shí)能夠擁有較高的小孔再現(xiàn)性。加工時(shí)間為15s、激光功率設(shè)置為100%(即對(duì)應(yīng)功率6W)、焦點(diǎn)位置采用不同旋切速率的加工效果如圖4所示。

Fig.4 Relationship between rotary cutting speed and machining diameter

由圖4可以看出，旋切轉(zhuǎn)速對(duì)微孔孔徑有一定影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1400r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，激光脈沖重疊率降低可以減少金屬蒸氣和等離子體對(duì)激光能量的屏蔽作用，有利于材料的去除，從而導(dǎo)致加工微孔的孔徑增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)1400r/min后，隨著轉(zhuǎn)速的提高，脈沖重疊率進(jìn)一步減小，未切穿的孔槽內(nèi)激光脈沖能量累積更少，熔融材料相對(duì)較少，從而導(dǎo)致孔徑略微減小，孔的錐度也相對(duì)減小。

圖5a、圖5b為旋切孔內(nèi)壁形貌顯微放大圖。由于微孔尺寸小，不便采用切斷面觀察，試驗(yàn)采用在材料邊緣切半圓的方法來(lái)觀察孔內(nèi)壁形貌，由圖5a、圖5b兩圖可以清晰看出，在圖5a所示低轉(zhuǎn)速(300r/min)條件下，切孔的內(nèi)壁中下部位出現(xiàn)了明顯的熱影響區(qū)，這是由于低速旋轉(zhuǎn)使脈沖重疊率過(guò)高造成了較大的熱積累，加工表面出現(xiàn)了熱燒蝕，而圖5b所示高轉(zhuǎn)速下沒(méi)有出現(xiàn)明顯的熱燒蝕現(xiàn)象。由試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，脈沖寬度為200ps的皮秒激光對(duì)金屬加工存在一定程度的熱影響，通過(guò)優(yōu)化工藝參量能夠在一定程度上減小熱影響，高轉(zhuǎn)速能夠降低高重復(fù)頻率脈沖激光加工造成的熱積累現(xiàn)象，并且一定程度上有助于減小孔的錐度，但由于設(shè)備性能限制，尚未進(jìn)行更低的脈沖重疊率條件下的試驗(yàn)。

Fig.5 Morphology of micro hole wall with different rotating speedsa—rotating speed:300r/min b—rotating speed:1400r/min

2.2 激光功率與孔徑的關(guān)系

在激光打孔的過(guò)程中，材料主要以熔化和氣化形式去除，孔內(nèi)材料的不斷蒸發(fā)使得孔深增加，孔壁材料的熔化和孔內(nèi)蒸氣壓力攜帶熔化物質(zhì)向外飛濺使得孔徑增大[15]，因此激光功率會(huì)對(duì)微孔孔徑與孔壁質(zhì)量造成一定影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，設(shè)置激光功率低于60%時(shí)，在設(shè)定參量的條件下，微孔出口部分材料的去除不完全，沒(méi)能將微孔徹底打穿，當(dāng)設(shè)置激光功率達(dá)到60%時(shí)，微孔被打穿后，金屬蒸氣從出口噴出同時(shí)帶走部分熔融金屬使出口孔徑增大，隨著功率的繼續(xù)增加，孔徑略微增加，錐度略微降低，當(dāng)功率提高到80%之后微孔錐度穩(wěn)定在12°左右。這種孔徑變化趨勢(shì)是因?yàn)榧す饽芰康淖兓瘯?huì)在一定程度上改變激光作用在材料上的有效聚焦光斑的直徑，激光束的能量呈高斯分布，其能量的空間分布如下所示:

Fig.6 Relationship between laser power and micro pore diameter

(4)

Table 2 Pore diameter and taper of different laser powers

為了便于更加直觀地觀察到不同功率下激光旋切微孔的切口邊緣質(zhì)量，采用激光共聚焦顯微鏡掃描合成材料表面等高線圖。圖7中，上排為微孔的顯微放大圖，下排為對(duì)應(yīng)的微孔等高線圖。從圖7a中可以看出，設(shè)置激光功率為60%時(shí)，呈高斯分布的激光能量邊緣部分較弱，對(duì)切口邊緣部分材料去除不完全，導(dǎo)致切口邊緣粗糙，隨著激光能量的增加，激光束邊緣作用在材料上的有效能量增強(qiáng)，即聚焦光斑作用在材料上的有效尺寸增加，對(duì)微孔內(nèi)壁邊緣切口處材料去除更徹底，圖7c中，激光功率為100%時(shí)孔的邊緣更光滑，邊緣質(zhì)量得到明顯的改善。

Fig.7 Morphology of micro holes with different laser powersa—laser power 60% b—laser power 80% c—laser power 100%

2.3 離焦量與孔徑的關(guān)系

激光的離焦量是指激光聚焦光斑焦點(diǎn)處偏離加工材料表面的距離，如圖8所示，設(shè)激光束焦點(diǎn)位置與加工材料表面的距離為f，當(dāng)激光束焦點(diǎn)在材料表面位置之下，即f<0mm時(shí)稱為負(fù)離焦，反之稱為正離焦。

Fig.8 Schematic diagram of positive and negative defocus

在不同離焦量條件下進(jìn)行旋切法打孔，離焦量f每次增大0.2mm，從-1.0mm增大到+1.0mm。所得的結(jié)果如圖9所示。當(dāng)f<0mm時(shí)，即負(fù)離焦條件下加工，隨著負(fù)離焦量的增加，孔的入口直徑增大，而出口直徑則隨著負(fù)離焦的增加而減小，這是由于離焦量大于材料厚度0.2mm之后激光束焦點(diǎn)位于微孔出口平面之下，此時(shí)一部分材料吸收激光能量導(dǎo)致液態(tài)物質(zhì)多，氣態(tài)物質(zhì)相對(duì)少，孔內(nèi)蒸氣壓力較低導(dǎo)致排除孔內(nèi)的材料較少?gòu)亩钩隹诳讖捷^小，當(dāng)負(fù)離焦量超過(guò)0.6mm后，離焦處的激光能量密度下降也會(huì)造成孔徑的下降。當(dāng)f>0mm時(shí)，即正離焦條件下加工，其光束傳播截面如圖10所示。

Fig.9 Relationship between defocus and micro pore diameter

Fig.10 Propagation cross section of Gaussian beam

圖10中wf表示離焦量為f處的激光光斑半徑，ZR表示激光束的瑞利長(zhǎng)度，其計(jì)算公式為：

(5)

式中，λ為激光波長(zhǎng)，其大小為1064nm;M2為激光的光束質(zhì)量因子；微孔入口處激光束離焦量為f1,出口處離焦量f2=f1+0.2mm。由(5)式可得wf1

3 結(jié) 論

(1)脈沖寬度為200ps的皮秒激光對(duì)金屬加工存在一定程度的熱影響，通過(guò)優(yōu)化工藝參量能夠在一定程度上減小熱影響，高轉(zhuǎn)速能夠降低高重復(fù)頻率脈沖激光加工造成的熱積累現(xiàn)象，并且一定程度上有助于減小孔的錐度。

(2)設(shè)置激光功率低于60%時(shí)，在設(shè)定參量的條件下，不能將孔切穿；當(dāng)設(shè)置激光功率高于60%時(shí)，隨著功率的增加孔徑略微增加，錐度略微降低；當(dāng)功率提高到80%之后,微孔錐度穩(wěn)定在12°左右，增加激光功率能夠提高微孔加工的效率，將激光功率提高到80%以上在一定程度上能夠改善孔壁出口邊緣的加工質(zhì)量。

(3)離焦量對(duì)孔的錐度影響較大，采用正離焦加工微孔能夠有效減小孔的錐度，在離焦量為+0.4mm時(shí)可以獲得錐度較小的微孔，繼續(xù)增大離焦量可以進(jìn)一步較小錐度，但較大的離焦量又會(huì)降低加工面處激光的能量密度，影響加工效率和加工質(zhì)量。

[1] RUBBIA C, FERMI E. Corrosion news[J]. Materials and Corrosion, 2013, 64(11): 10-39.

[2] AN R. Femtosecond laser fabrication of elements of glass microfluidic chips[D]. Beijing: Peking University, 2006 :11-13(in Chinese).

[3] XIN F L .Study on high quality laser drilling technology[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2006:5-8 (in Chinese).

[4] LI Sh L, YE Y K.Development of femtosecond laser direct writing waveguides in transparent optical materials[J]. Laser Technology, 2012,36(6):783-787(in Chinese).

[5] DAI Y T, CUI J L, XU G,etal.Influence of laser parameters on etching performance during 157nm laser micromachining[J]. Laser Technology,2011,35(1):36-38(in Chinese).

[6] XIA B, JIANG L, WANG S M,etal. Femtosecond laserdrilling of micro-holes[J]. Journal of Chinese Lasers, 2013, 40(2):0201001 (in Chinese).

[7] WANG G B. The status quo and prospect of optical manufacturing science and technology [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(21):157-169 (in Chinese).

[8] MAO S S, QUERE F, GUIZARD S,etal. Dynamics of femtosecond laser interactions with dielectrics[J]. Applied Physics, 2004, A79(7):1695-1709.

[9] JI L F, LING Ch, LI Q R,etal. Picosecond laser engineering application research status and development analysis [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(5): 115-126 (in Chinese).

[10] GANG X. Current status and prospect of picosecond laser applications in micro nano fabrication [J]. Science and Technology Vision, 2016(23):419(in Chinese).

[11] WANG Y L. Study on laser rotary drilling technology [D]. Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2012：9-11(in Chin-ese).

[12] AO L, GUAN Sh W, WANG X,etal. Laser focusing and hole drilling [J]. Physics Experimentation, 2014,32(12): 6-9 (in Chin-ese).

[13] YAN X G, GAO W B, YANG Sh,etal. Effects of laser pulse and workpiece parameters on the quality of laser micro hole processing[J]. Applied Laser, 1994, 14(3): 127-130 (in Chinese).

[14] WELF W, ARNOLD G. Device for drilling and forremoving material using laser beam：US 7842901 [P]. 2010-11-30.

[15] GUAN Zh Zh. Handbook of laser processing technology[M]. Beijing: China Metrology Publishing House,2007: 82-86 (in Chin-ese).

[16] ANISIMOV S I, KAPELIOVICH B L, PERELMAN T L,etal. Electron emission from metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses[J]. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1974, 39(2):375-377.

[17] LOW D K Y. Spatter and taper control in laser percussion drilling[D]. Manchester，UK: University of Manchester Institute of Science and Technology(UMIST), 2001：7-8.