探析飛秒激光切割金屬的表面粗糙度

宋 磊

（中國電子科技集團公司第十二研究所，北京 100015）

1 飛秒激光切割的現狀

激光技術在現代工業中占據重要的地位，在很多精密操作過程中都少不了激光操作。激光加工主要分為兩種，一種是定點沖擊，另外一種是掃描加工。定點沖擊是利用小孔進行加工，主要的研究的目的是通過調節激光的參數以及鉆孔的大小來進行工作的實現。掃描加工則是進行精密的特定形狀的微結構的加工，主要的目的是提高加工的準確度，在這兩種傳統的激光加工過程中，被加工的物件的表面精度限制著物件的性能。因此現在所出現的飛秒激光切割是在此基礎上所研究出來的一種節約成本、高質量的激光切割技術。飛秒激光切割的技術在目前來講十分成熟，利用飛秒激光切割技術加工金屬或其他介質的過程中，利用其短暫的脈沖寬度和峰值功率，對物件的燒蝕過程做冷處理。飛秒切割技術消耗的材料少，時間短，精度高，具有很高的工作效率。

2 實驗過程

飛秒激光器是美國的光譜物理公司生產的一種摻鈦藍寶石的固體飛秒激光系統，這種激光系統的輸出功率穩定在4 W，脈沖的寬度一般是123 fs，重復頻率是1 kHz，中心的波長是800 nm。激光從飛秒激光器發出，經過圓形的漸變濾鏡盤來調整激光的能量，然后用焦距為50 mm的濾鏡聚焦，將一塊厚度為100 μm的銅箔固定在X－Y－Z三維運動平臺上，在經過第一次掃描后，相對光斑的位置進行再一次的掃描，這次的掃描的目的是進行修復加工。在X－Y－Z三維運動平臺上，X代表是激光切割的水平軌跡路線，Y代表的是聚焦光斑和銅箔移動的位置變換。Z代表的是進給深度。在實驗結束后，應利用電子顯微鏡進行觀察銅箔，在這里，作者使用的是掃描電子顯微鏡（捷克TESCAN公司，MIR3 LMU）觀察銅箔表面的大致形貌，再用光學表面輪廓儀測量銅箔的表面粗糙程度。因為使用的是100 μm厚的銅箔，所以使用的測量倍數在2.5～200之間，測量的范圍則是64 μm×48 μm的區域。

3 實驗結果探究

3.1 飛秒激光切割技術對金屬的斷面影響分析

在飛秒激光切割技術切割銅箔的過程中發現，隨著單脈沖能量的增加，切割的速度也在不斷增加，最終會達到一種穩定值，當單脈沖能量低于450 μJ時，切割速度是主要的影響因素，但當脈沖能量高于450 μJ時，表面粗糙度隨著能量的增加而增加，因此在具體的操作過程中，應根據具體的需要而進行相應的調整。并且在操作的過程中，燒蝕的表面含有部分氯氣，會影響激光操作的過程。

3.2 弱激光再掃描技術對金屬的表面粗糙度的影響探究

在飛秒激光切割技術的操作過程中，單脈沖能量和燒蝕時間對加工的質量影響明顯，能量越大，燒蝕時間長，反應劇烈，質量較差，工作效率高。在第一次的切割之后，金屬切面的殘留氧化物很多，在此時進行若激光再掃描表面修復技術將會大大提高工作質量和效率。在第一次加工的基礎上進行垂直于切割面的進給深度，并且調節單脈沖能量的大小和掃描速度，保證工作能夠以正常速度運行。此操作是為了消除表面殘留氧化物的操作。在進行進給深度加工過程中進給的深度也會影響金屬表面的粗糙度。在操作時選擇合適的單脈沖能量大小和燒蝕的時間，速度相同，單脈沖能量越大，工作效率越低，因此選擇合適的單脈沖能量和速度可以增加工作效率，根據相關的經驗，在此次實驗中設置單脈沖能量是 100 μJ，平均掃描速度是 100 μm/s。根據已有的條件進行光學聚焦理論的計算發現激光聚焦中心的直徑和進給深度的直徑相似時，這時才會出現對粗糙度最小的金屬表面，過大或者過小會導致燒蝕時間的長或短會影響粗糙度的變化。

3.3 掃描次數對金屬的表面粗糙度的影響探究

再掃描技術是激光操作的重要組成部分，根據不同的金屬和相關的參數設置相對合理的在掃描次數。在此次操作中，選取的銅箔進行第三次掃描后表面粗糙度是122.56nm，然而第四次掃描則是133.5nm，因此可知，過多的掃描會導致燒蝕時間的增加，進而導致粗糙度的增加，從而降低工作的效率。

4 結語

由前面的一系列的操作得出的相關結論是在隨著單脈沖能量的不斷增加燒蝕間也隨之增加的條件下，飛秒激光對金屬燒蝕的熱效應逐漸增加，因此在掃描加工法的過程中，脈沖能量逐漸增大，導致金屬表面的燒蝕越加嚴重，產生氧化物導致表面粗糙度較高。采用弱激光再次掃描技術有助于改善金屬的表面質量，在上述的探究過程中即可以看出來此技術的重要作用。因此飛秒激光切割技術具有良好的前景，打破了原有技術的局限性，簡化了激光技術的應用。