飛秒激光在金屬微加工中的應用

張 奇，沈 磊，何 博*

(1.上海工程技術大學 高溫合金精密成型研究中心，上海 201620；2.上海工程技術大學 材料工程學院，上海 201620)

引 言

紅寶石激光器在20世紀60年代的成功研制[1],促進了激光器技術的快速發展。到20世紀80年代以后，隨著超短脈沖激光技術的飛速發展，人們成功研制出了脈沖時間寬度在幾百飛秒范圍內的飛秒級脈沖激光[2]。隨著鎖模技術、啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification，CPA)技術的發展和應用[3-4]，飛秒激光功率得到了提升，并在航空、航天、生物和醫學等領域得到了實際應用。

飛秒激光減材加工作為一項新型的減材加工技術，具有熱影響區小、激光重復頻率高和脈沖能量高等優勢[5-8]，可實現對多種材料高柔性、高精度、高效率的微細加工[9]，不但可以高精度無損傷地加工各種硬脆難加工材料，同時也使該類材料在復雜精密領域得到了廣泛的應用。在飛秒激光減材加工過程中，可以實現極小尺寸下材料的局部精密去除，并且擁有極高的靈活性[10]，在合理的參量組合下，可實現具有復雜、精細結構的零件加工。

1 飛秒激光加工機理

激光束輻照特定工件，激光能量和被加工物質之間產生熱效應作用及非熱效應作用。其中熱效應作用使材料表面產生熔化、蒸發現象，進而去除材料表面物質；而非熱效應作用則是由于金屬表面吸收激光能量使溫度快速升高,超過金屬的熔點和蒸發溫度使物質產生高度電離，導致金屬的燒蝕[11]。由于溫度不同，兩種機理下產生的加工分別被稱為熱加工和冷加工[12]。

飛秒激光去除物質的機理主要基于冷加工，能在金屬表面加工的同時，產生最小的熱影響區，因而是一項微納尺度內材料精密加工的新技術[13],其加工過程如圖1所示。考慮到激光參量(功率、波長、脈沖持續時間等)、金屬自身屬性等因素，將飛秒激光加工金屬的機理細分為熔化、熱汽化、庫倫爆炸、雪崩電離與多光子電離等幾種作用機理[14]，在實際加工中，通常是以雪崩電離與多光子電離為主要機理[15-16]。自由電子在吸收激光能量后產生較大的動能，與原子碰撞后產生多個自由電子，此過程不斷反復，形成雪崩電離現象，如圖2所示。飛秒激光輻照金屬表面時，雪崩電離和多光子效應使大量的金屬價帶電子轉變為高溫自由電子，當其積累到一定密度時，激光能量被材料大量吸收，形成的高溫高壓等離子體以噴射的形式被剝離母材表面，達到材料去除的目的[11，16]。

圖1 飛秒激光加工示意圖

圖2 雪崩電離示意圖

為了研究超短脈沖激光加工金屬材料過程中的溫度變化，ANISIMOV等人[17]在1974年提出雙溫模型(two temperature model,TTM)[2，18]，該模型主要研究金屬材料表面的電子溫度Te和晶格溫度Tl隨時間的演變:

(1)

(2)

式中,Ce和Cl分別為電子溫度熱容、晶格熱容；κe為電子熱導率；g為電子-晶格耦合常數；S(z,t)為單位體積內的激光熱源輻照的功率密度。

飛秒激光與銅作用時表面電子溫度和晶格溫度隨時間t的演化曲線如圖3所示。電子溫度在數百飛秒的時間內迅速升高，快速到達峰值12000K，而此期間的晶格溫度基本沒有上升。這就表明激光輻照金屬表面時，材料的去除主要是大量的激光能量被自由電子接收使其溫度升高而導致的。當輻射結束后，電子溫度與晶格溫度以耦合的方式達到平衡狀態[19]。

圖3 表面電子溫度和晶格溫度隨時間的演化曲線[19]

2 數值模擬在飛秒激光加工中的應用

燒蝕過程是飛秒激光加工的主要過程，但是不同的激光強度對應的燒蝕機理不同，燒蝕深度和燒蝕時間也不同。因此，人們進行了大量的仿真模擬來研究飛秒激光燒蝕過程的復雜性。

通常，飛秒激光加工的熱影響區深度遠小于激光光斑直徑，只需要考慮表面法線方向(z方向)的溫度變化，因此在進行飛秒激光燒蝕過程的數值模擬時一般采用1維雙溫模型。WANG等人[20]建立1維雙溫模型模擬仿真了飛秒激光燒蝕銅的過程，并進行了實驗驗證，結果表明，在激光能量為0.8J/cm2～408J/cm2的條件下，仿真結果與實驗結果基本吻合。然而，在激光能量密度超出范圍時，燒蝕機制轉變為非熱機制，導致仿真結果與實驗數據不相符合。SAGHEBFAR等人[21]建立1維雙溫模型研究了多脈沖燒蝕過程，分析了脈沖間隔時間和脈沖個數對熱響應的影響規律，此外還分析了電子晶格耦合系數、脈沖持續時間和彈道電子輸運的不確定度對雙溫模型模擬結果的影響，結果表明，高溫條件下材料的光學性質的變化決定了超快激光加熱金屬試樣的熱響應，另外，研究結果還表明，隨著入射激光脈沖數量的增加，激光對材料的燒蝕閾值降低。LI等人[22]將燒蝕實驗結果和1維雙溫模型相結合研究飛秒激光燒蝕鋁板過程中的熱弛豫，結果表明，隨著飛秒激光能量密度的增加，飛秒激光燒蝕的熱弛豫過程延長，燒蝕強度得到一定程度的提高，加工材料的外觀質量得到改善。為準確預測燒蝕孔的形狀，LI等人[23]建立3維雙溫模型模擬了單脈沖飛秒激光燒蝕鋁薄膜的過程，成功預測單脈沖燒蝕半徑和深度，仿真結果如圖4所示。

圖4 不同激光能量密度下單脈沖燒蝕得到的燒蝕坑模擬結果[23]

在精細結構零件的激光加工中，表面粗糙度嚴重影響零件的表面質量，浪費材料且增加后期表面處理成本，可以通過數值模擬對激光加工表面形貌進行預測，進而優化工藝方案，提高精細零件的表面質量。ZHANG等人[24]通過建立激光加工的2維瞬態模型，模擬了激光加工過程中材料表面形貌的演變過程，結果表明，隨著熱輸入的增加，材料表面發生熔化，通過流動填補表面凹陷處，獲得較好的加工效果。SHAN等人[25]通過建立準靜態模型對激光加工的工藝參量進行預測，結果表明,在激光功率140W、離焦量2.5mm、掃描速率70mm/s、脈沖寬度140μs 時進行拋光，表面粗糙度Ra從2.08μm降到188.35nm。WANG等人[26]提出計算過渡表面的方法，建立4種不同的表面形貌模型進行激光輻照的數值模擬，發現不同的表面形貌對受激光輻照后的溫度變化影響很大，在激光加工過程中需根據材料的表面形貌選擇合適的加工參量以達到最好的加工效果。VADALI等人[27]建立了毛細管波的解析流體動力學模型和數值傳熱模型，并將其結合起來，預測了脈沖激光微加工產生的表面空間頻率及產生的粗糙度，預測的平均表面粗糙度與加工表面上測得值的誤差在12%以內。ZHOU等人[28]建立基于有限元方法的數值模型來模擬熔融石英上CO2激光燒蝕過程中的形貌演變和溫度分布(如圖5所示)，并對激光加工的工藝參量進行預測，預測結果與實驗結果基本一致，表面粗糙度Ra從1.899μm降到0.47μm。XU等人[29]利用實驗數據擬合得到單個脈沖燒蝕輪廓，通過對單個脈沖燒蝕輪廓的線性疊加來實現飛秒激光加工石英材料過程中的表面形貌演變模擬，從而根據模擬結果預測了：當激光功率為64.2mW、掃描速率為0.5mm/min、掃描間距為3μm時,可以獲得最佳加工質量，并進行了實驗，驗證了其可行性。

圖5 整個加工過程中的形貌演變和溫度曲線[28]

激光誘導周期性結構(laser-induced periodic surface structures,LIPSS)是飛秒激光加工金屬表面時常見的一種微結構[30]。近幾年，隨著人們對LIPSS的研究，出現了一些基于LIPSS的應用，例如表面標記[31]、生物相容性[32]等。但是人們對于LIPSS的形成機理認識不足，因此，人們通過模擬仿真研究其形成機理。DJOUDER等人[33]將時域有限差分(finite-difference time-domain，FDTD)方法和質點網格(particle in cell，PIC)法結合,進行了飛秒激光加工光滑銅表面形成LIPSS過程的模擬研究，結果表明，加工表面形成了兩種空間周期的LIPSS結構，分別為低空間頻率LIPSS和高空間頻率LIPSS微結構。KODAMA等人[34]利用FDTD法研究短脈沖激光輻照之前的表面粗糙度對LIPSS形成的影響，結果表明，隨著表面粗糙度的增加，材料表面形成具有大電場強度的區域也在增加，由于多次的電離和庫倫爆炸，導致這些區域的材料大量燒蝕，形成具有高縱橫比(深度/節距長度)的LIPSS。RUDENKO等人[35]結合雙溫模型、麥克斯韋方程組和流體力學模型建立了多物理模型，研究了在亞、近和大于閾值的多脈沖飛秒激光輻照下不銹鋼表面的演變過程，結果表明,當采用亞閾值通量時，表面產生納米級粗糙度，幾十納米深的亞表面形成納米腔；當采用近閾值通量時，亞表面處形成微孔洞，而增加脈沖有助于形成周期性表面結構，增強表面能量吸收并提高去除速率；而大于閾值的通量則主要通過熱燒蝕機制增加燒蝕深度。ABOUSALEH等人[36]利用大規模的分子動力學-雙溫模型(molecular dyna-mics-TTM,MD-TTM)研究了在散裂狀態下單脈沖激光輻照鉻靶材表面形成LIPSS的過程，仿真結果表明，納米級表面的形態特征是由散裂過程中產生的瞬態液體結構的演變與靶材表面區域的快速凝固共同決定的。

與普通激光加工相比，飛秒激光加工機制更為復雜，目前飛秒激光加工模擬常用的仿真模型包括雙溫模型、流體力學模型等。但是，雙溫模型、流體力學模型等現有的模擬方法都存在相應的局限，例如，通過使用多個假設條件和擬合參量來建立雙溫模型和流體力學模型，可以認為目前尚未有一種廣為學術界接受的飛秒激光加工過程模型，將幾種模型結合建立高質量仿真模型將是飛秒激光仿真的發展趨勢。另外，飛秒激光與金屬相互作用過程的研究關系到量子領域，利用量子力學研究其過程也是飛秒激光模擬未來的發展方向。此外，人們對飛秒激光加工過程的模擬主要是針對單脈沖加工的研究，而在實際加工過程中，不止單個脈沖對材料進行作用，并且不同的脈沖個數決定了激光能量的吸收率，因此，進行多脈沖飛秒激光加工過程的模擬可以更好地完善模擬工作，更準確地模擬實際加工過程。

3 飛秒激光加工精度的影響因素

隨著飛秒激光技術在精密加工領域的廣泛應用，探索其加工誤差的形成機理，并進一步提升其加工精度，成為飛秒激光的研究重點。

3.1 激光能量密度對加工精度的影響

當激光束輻照金屬材料表面時，激光能量被金屬表面接收。當激光能量密度較大時，金屬表面接收能量也越多，表面溫度快速升高，材料以蒸發或消融的方式去除。當激光能量密度達到材料表面發生燒蝕的臨界值(燒蝕閾值)時，隨激光能量密度的繼續增長，去除的材料增加，使表面粗糙度減小。YANG等人[37]采用功率為70W的1064nm納秒激光器對鈦合金進行加工研究，分析了不同能量密度對表面粗糙度的影響規律，結果表明，隨著能量密度的增加，加工表面粗糙度減少，當能量密度在3.46J/cm2的條件下鈦合金表面粗糙度Ra減少43%。但是，當能量密度過高時，材料去除量增大，表面粗糙度又會增加。YANG等人[38]利用515nm的飛秒激光(能量密度分別為32.8J/cm2，74.4J/cm2，109.4J/cm2)對Ti6Al4V表面進行了加工研究，結果表明,隨著能量密度的增加，Ti6Al4V表面粗糙度增大，當能量密度在32.8J/cm2的條件下加工表面粗糙度從1.656μm減少到1.381μm。PERRY等人[39]利用YAG激光器(能量密度為1.02J/cm2～1.80J/cm2)對微銑削的Ti6Al4V樣品表面進行了加工研究，結果表明，能量密度在1.178J/cm2～1.342J/cm2的范圍時加工獲得的表面粗糙度最低，由加工前的0.206μm降低到0.070μm。LIANG等人[40]對鈦合金進行加工研究也發現表面粗糙度隨激光能量密度增加呈拋物線的趨勢。因此，材料的表面粗糙度隨激光的能量密度的變化并不是呈線性變化，而是存在一個優化的激光能量密度區間。

3.2 激光離焦量對加工精度的影響

飛秒激光加工過程中激光束焦點到材料表面的距離稱為激光離焦量。當激光離焦量越小時，光斑中心的功率密度越高，材料表面單位面積接收的能量越多，導致材料去除過多，降低了加工精度。但是激光離焦量過大時，導致光斑中心的功率密度降低，材料表面單位面積接收的能量少，材料的去除量不足，甚至起不到加工的作用。因此，存在一個最佳的激光離焦量使得加工后的表面粗糙度最小[41]。SHAN等人[25]利用光纖激光器(激光功率為140W、掃描速率為50mm/s)對模具鋼表面進行加工研究(離焦量1.0mm～4.0mm)，結果表明，離焦量為1.8mm～2.8mm時獲得最佳的加工效果。ZHU[12]也研究了不同離焦量對加工表面質量的影響，同樣發現存在一個最佳區間使獲得的拋光效果相對最好。圖6所示為激光波長1064nm，重復頻率66kHz、激光功率0.15W、掃描間距3μm、掃描速率1.5m/s的實驗條件下離焦量-表面粗糙度關系[41]。

圖6 離焦量對加工表面質量的影響[41]

3.3 激光光束入射角對加工精度的影響

在飛秒激光加工過程中，激光束與金屬表面的法線之間的角度被稱為激光光束入射角。當激光束垂直工件表面入射即入射角為0°時，激光脈沖功能等效于對材料打孔，這會使材料表面波峰和波谷的波動增大進而增加表面粗糙度。當激光束傾斜入射時，表面波峰接收大部分激光能量，減小了對波谷的燒蝕，因此激光入射角大時可獲得較平滑的加工形貌[42]。

隨著激光入射角的增大，飛秒激光加工效率會降低，這是由于當激光束傾斜入射時，激光光斑由垂直入射的圓光斑變為扁圓光斑，光斑面積增加導致了單脈沖的能量密度降低。PIMENOV等人[43]通過在加工過程中改變入射角來控制產生的粗糙度，研究發現入射角的增加伴隨著入射激光通量和消融速率的降低。OSTHOLT等人[44]研究了不同激光入射角的加工效果，結果表明,以一定角度入射形成的橢圓相互作用面積比圓相互作用面積小，激光能量密度降低，因此，在加工過程中需要調整激光功率以適應不同的激光入射角，從而獲得最佳粗糙度；同時橢圓相互作用區域與掃描路徑不對稱，使得實際燒蝕材料區域與掃描路徑發生偏移，從而影響加工精度。圖7所示為修正掃描路徑下不同激光入射角加工的表面形貌[44]。

圖7 不同激光入射角加工表面形貌[44]

3.4 激光光束掃描速率對加工精度的影響

在激光能量密度和激光重疊頻率不變的情況下，金屬表面的激光輻照時間由激光掃描速率決定，從而影響了金屬表面在單位面積和時間內接收的光能，影響加工精度[42]。

激光掃描速率小，金屬表面輻照時間長，使得吸收的激光能量增加，去除的金屬增多，粗糙度增加；當掃描速率過大時，金屬表面輻照時間過少，相鄰光斑的重疊率減小，導致表面一些區域沒有吸收能量，材料去除量不足，沒有實現材料的加工。SHAN等人[25]采用不同的掃描速率(20mm/s～120mm/s)加工后，發現表面粗糙度隨掃描速率的變化呈先減小后增大的趨勢，在掃描速率為70mm/s～80mm/s時獲得最佳的加工效果。圖8所示為激光波長1064nm、重復頻率200kHz、激光功率0.15W、掃描間距0.02mm、離焦量為0.5mm的實驗條件下掃描速率-表面粗糙度關系[12]。JULIANA等人[45]以不同的掃描速率(100mm/s，200mm/s，300mm/s，400mm/s)進行加工時也得到同樣的結論，在掃描速率為300mm/s時獲得最小的表面粗糙度。因此，存在一個最佳的激光掃描速率使加工后的表面粗糙度最小。

圖8 掃描速率對加工表面質量的影響[12]

3.5 激光掃描方法對加工精度的影響

激光掃描方法的不同決定了激光光斑重疊率的大小，從而決定材料表面吸收能量的多少，最終決定激光加工的精度。

當激光光束以單向逐行的方式進行掃描時，會使材料表面形成高低起伏的現象，使得沿掃描路徑方向的粗糙度低，而垂直于掃描路徑的粗糙度大。CHEN等人[46]在采用了4種不同的掃描方式進行加工后，認為在第2次掃描時,將掃描路徑偏移一定的距離可以覆蓋前一次的掃描路徑，從而消除不同掃描行之間的起伏。GLOOR等人[47]也采取幾種不同的掃描方法進行加工，結果表明，可以通過減小掃描間距或者增大輻照光斑面積來減小材料表面的起伏，但是會降低加工效率。此外，一個方向掃描一次后將以一定角度旋轉制件后再掃描可以獲得更好的加工效果。總之，增加掃描次數和掃描路徑的復雜程度，會使材料表面吸收的能量更均勻，所得到的制件加工表面粗糙度更低，加工質量更好[46-47]。

4 結束語

隨著基于激光的加工技術如增材制造的發展，將飛秒激光與增材制造技術結合，制備3-D打印無法制備的復雜、精細結構金屬件，可能是增材制造的下一個研究熱點。但是從整體來看，飛秒激光作為一項新技術，還沒有達到可以大規模工業應用的階段，飛秒激光加工技術從實驗室走向工業應用還需要很長的時間。綜上所述，飛秒激光加工的效率與精度影響因素眾多，要真正在金屬加工領域精準大規模應用這一精細技術，尚需對飛秒激光及其與不同特性金屬材料間的交互作用進行更為深入系統的研究。