超快激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

劉猛軍

上海首坤智能科技有限公司 上海 201906

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對工業(yè)也提出了更高的要求，把超快激光應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，對提升工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率有很大的關(guān)系，可以使得生產(chǎn)出來的產(chǎn)品的品質(zhì)更加的優(yōu)質(zhì)，主要的原因就是超快激光輸出的脈沖波光束的質(zhì)量比較的穩(wěn)定，可以在短時間內(nèi)把能量集聚起來，而且還不收脈沖重復(fù)頻率和平均功率影響，超快激光被廣泛地應(yīng)用到航空、制造業(yè)、科研等工業(yè)領(lǐng)域。

1 超快激光技術(shù)概述

超快激光主要包括飛秒激光（脈沖的寬度）和皮秒激光（脈沖的寬度），峰值功率的密度也很高，最大的功率可以達(dá)到108W，而且脈沖作用的時間也比較的短，超快激光的原理不是通過光熱效應(yīng)，而是電子態(tài)直接吸收，之后再把能量傳到材料的晶格來破壞結(jié)合鍵，最后以等離子體的方式噴發(fā)出去。因為超快激光的獨特的性質(zhì)，所以被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中一些精密和微細(xì)中。

把超快激光這一技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域有著很多的優(yōu)勢，首先就是超快激光可適用于多種材料，主要的原因就是超快激光可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生較高的峰值功率，以便把所有的能量集中的釋放到指定的區(qū)域，這樣能量足以讓各種材料發(fā)生電離其次就是在經(jīng)過超快激光技術(shù)處理過的材料沒有損傷，主要的原因就是因為超快激光作用的時間比較短，雖然散發(fā)出來的能量會議等離子體的形式被外界環(huán)境帶走，使得熱量沒有辦法在材料的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，進(jìn)而有效地避免了因為熱傳導(dǎo)二引發(fā)的熱熔融損傷和應(yīng)力損傷，以此來實現(xiàn)真正意義上的冷加工；最后就是把超快激光應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域可以實現(xiàn)微米級加工精度，和之前的長脈沖激光不同，超快激光的燒蝕閾值是非常的精準(zhǔn)的，通過對超快脈沖的能量進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲梢酝黄乒馐苌錁O限，對產(chǎn)品進(jìn)行微米級加工精度。最后就是利用超快激光來對工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行加工，可以有效解決工業(yè)領(lǐng)域在進(jìn)行高質(zhì)量制造瓶頸難題[1]。

飛秒激光雖然脈沖寬度比較的短，但是其峰值功率還是極高的在對產(chǎn)品進(jìn)行加工的時候，由于飛秒激光中的單個激光脈沖時間小于1ps，在脈沖結(jié)束之后材料中的自由電子和晶格在短時間內(nèi)沒有辦法達(dá)到能量守恒，使得沖擊波不能在晶格之間轉(zhuǎn)化成熱量。進(jìn)而使得一些聚焦到超細(xì)微空間區(qū)域的激光的能量在短時間內(nèi)使得材料電離，導(dǎo)致材料的中的分子鍵遭到破壞，使材料從固體轉(zhuǎn)化為氣體或者等離子，在達(dá)到去除材料目的的同時，也不會對周圍的材料造成不好的影響。從激光和材料作用的原理的角度來看，把飛秒激光加工應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域可實現(xiàn)高精度的材料加工，是提高工業(yè)水平的最佳方式之一。

和飛秒激光相比較，在使用皮秒激光進(jìn)行加工的過程中存在著非平衡消融和熱平衡消融過程，通過設(shè)置合理的參數(shù)，脈寬在10皮秒左右的激光可以得到和飛秒激光類似的高質(zhì)量微孔，提升加工的效率，對于工業(yè)工程化推廣和應(yīng)用具有實際意義。

2 超快激光和金屬作用的物理過程

超快激光對金屬進(jìn)行加工的過程實質(zhì)上就是能量傳遞的過程，金屬作為吸收激光釋放出來的能量脈沖的主要載體，主要的吸收方式就是電子對光子的線型共振吸收、雙光子對光子的線型共振吸收、高階光子對光子的線型共振吸收這3種方式，通過把金屬中的電子激發(fā)到高能態(tài)，之后在超快激光脈沖的高強(qiáng)度作用下，會使得金屬中的自由電子出現(xiàn)光子電離和雪崩，在經(jīng)過這兩個階段之后會使得自由電子獲得較高的能量，并處在激發(fā)的狀態(tài)中。在對金屬進(jìn)行加工的過程中，自由電子可在1飛秒內(nèi)出現(xiàn)相位發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時，雖然會破壞極化但是卻不會破壞自由電子的能量分布，之后經(jīng)過一段時間之后，金屬內(nèi)的自由電子會達(dá)到平衡狀態(tài)，而且此時的溫度要比周圍晶格的溫度高得多，而且自由電子也會向四周輻射聲子向晶格傳遞能量，在經(jīng)過1ps后，電子和聲子之間會發(fā)生耦合，電子在通過發(fā)射聲子之后的溫度也開始下降，金屬內(nèi)的能量也逐漸趨于平衡。當(dāng)電子和聲子之間達(dá)到平衡狀態(tài)后，電子就會出現(xiàn)漂移，在晶格和晶格之間出現(xiàn)耦合，之后熱量也會向周圍擴(kuò)散，當(dāng)材料中的沉積能量達(dá)到熔點溫度后，就會使得金屬靶材轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵詈缶蜁巡牧先コＴ谑褂贸旒す膺M(jìn)行加工的過程中，通常都會使用脈寬比較短的激光，所以激光和物體的作用的時間是十分有限的，這樣就會導(dǎo)致材料在還沒有融化的時候就會因為內(nèi)部的溫度過高而直接轉(zhuǎn)化為等離子態(tài)，最后從靶材上飛濺出去。在對產(chǎn)品進(jìn)行加工過程中，不會產(chǎn)生熱擴(kuò)散的情況，所以加工的表面比較清潔，在加工完成之后也不會產(chǎn)生碎屑，所以超快激光還是比較適合金屬材料的微細(xì)加工的[2]。

3 超快激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在工業(yè)的微加工領(lǐng)域，已經(jīng)開始大規(guī)模的應(yīng)用超快激光器（皮秒、分秒等），當(dāng)前超快激光主要應(yīng)用的領(lǐng)域有脆性的玻璃和陶瓷以及一些復(fù)合性的薄膜材料，如3C行業(yè)中的LCD屏異形切割、對攝像頭中藍(lán)寶石蓋板的切割、對攝像頭中的玻璃蓋板進(jìn)行切割、對玻璃和陶瓷基板的切割等。此外，超快激光還被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)中一些微細(xì)加工、航空航天、增材制造等領(lǐng)域。主要的原因就是因為在工業(yè)中應(yīng)用超快激光可以最大限度地減少激光在對材料進(jìn)行施工的過程中對周圍的影響區(qū)域，而且不管是高導(dǎo)熱金屬材料，還是低熱阻聚合物，或者是脆性透明材料，都可以用超快激光進(jìn)行精確地?zé)g，進(jìn)而使得材料可以實現(xiàn)超高清潔性精度加工。基于超快激光這種優(yōu)良的微加工特性，超快激光在工業(yè)的表面加工領(lǐng)域工主要被用于表面鉆孔、畫線、切割、焊接及表面微構(gòu)型等。

3.1 高強(qiáng)度材料微細(xì)加工

在對一些高強(qiáng)度的材料進(jìn)行加工的過程中，一般的機(jī)械是不能很好地完成的，主要的原因就是因為機(jī)械刀的輕度達(dá)不到加工的要求，在對材料進(jìn)行加工的過程中，如果采用蝕刻的方法，雖然可以對材料進(jìn)行加工，但是加工速度過低，很難滿足市場的需求。而通過使用超快激光來對一些高強(qiáng)度的材料進(jìn)行微細(xì)的加工，就可以很好地滿足加工需要，而且還能有效地提升加工的效率。當(dāng)前在我國的工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛的使用紫外激光等技術(shù)來對金屬材料的微電子和航空發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域來進(jìn)行加工了，和之前的那種加工方式相比超快激光更具明顯的優(yōu)勢，不僅可以更好地滿足對精度和效果的要求，而且在加工的過程中還能有效的控制加工的區(qū)域進(jìn)行。比如，在使用脈沖激光對材料進(jìn)行加工的時候，對材料產(chǎn)生的熱損傷在一段時間之后就會消失，而且還能有效地降低對熱區(qū)域的影響。

3.2 對在航空發(fā)動機(jī)中的渦輪葉片氣膜孔加工

渦輪葉片作為航空發(fā)動機(jī)最為核心部件，渦輪葉片的設(shè)計制造水平和工作性能對航空發(fā)動機(jī)的使用壽命有著很大的關(guān)系。當(dāng)前，國外，最為先進(jìn)的渦輪前燃?xì)鉁囟确秶堰_(dá)1811～2144，除了研發(fā)先進(jìn)氣冷結(jié)構(gòu)外，還可以在高溫合金熱端部件表面噴涂熱障涂層，熱障涂層一般情況下是由金屬黏結(jié)底層和外部的陶瓷面組成。在對渦輪葉片進(jìn)行加工的時候可以采用熱障涂層技術(shù)和先進(jìn)冷卻技術(shù)，這樣可以使得渦輪葉片在具備金屬的高韌性和高塑性的同時還能具備陶瓷的耐高溫和耐腐蝕的特點。

渦輪葉片氣膜冷卻主要是在航空發(fā)動機(jī)熱端部件的表面輪廓上設(shè)計大量孔，小孔的直徑在0.1～0.8mm，孔的深度在3mm以上，把部件內(nèi)部釋放的冷空氣，通過微小孔內(nèi)對流在部件表面形成薄層冷氣膜，進(jìn)而實現(xiàn)隔離高溫燃?xì)饬鳎源藖磉_(dá)到保護(hù)部件的目的。葉片氣膜孔的孔徑比較小而且數(shù)量多，在對其進(jìn)行加工的時候一定要保證質(zhì)量，當(dāng)前主要采用電火花和長脈沖激光以及電液束流等方式來對孔進(jìn)行加工，但是由于熱障涂層不導(dǎo)電，所以電加工工藝沒有辦法進(jìn)行加工。以前的那種長脈沖激光在對渦輪葉片進(jìn)行加工的時候很容易會引起涂層表面脫落和裂紋的出現(xiàn)，而且電液束流加工的效率比較的低，在工作的過程中很難的控制孔的形狀，還有就是電解液有一定的腐蝕性，不易加工異型孔，雖然電液束流-電化學(xué)和激光-電火花等一些復(fù)合加工方式可以進(jìn)行二次加工，但是卻不能很好地保證孔的一致性。所以，對帶熱障涂層的單晶渦輪葉片異形孔進(jìn)行加工就成為行業(yè)中的一個難題。

最后，利用超快激光（皮秒、飛秒等）技術(shù)來完成帶熱障涂層單晶渦輪葉片氣膜孔高質(zhì)量一次性制孔工藝，進(jìn)而實現(xiàn)涂層不會出現(xiàn)掉塊和裂紋，而且氣膜孔的幾何尺寸和位置度也符合技術(shù)要求，以此來為帶熱障涂層單晶渦輪葉片氣膜孔的加工制造提供更加新穎的手段[3]。

3.3 孔加工

要知道激光的特性就是沿直線進(jìn)行傳播，所以激光制孔也是激光最早被工業(yè)領(lǐng)域的一個加工技術(shù)，也是當(dāng)前激光加工工作的主要領(lǐng)域。因為隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得以前的那種加工方式以及不能很好地滿足當(dāng)前工藝的要求了，而要想制造出微米級的深孔，來滿足制造拉絲模具的需求，使用一般的機(jī)械加工方法幾乎是不可能完成的。但是，通過使用超快激光來進(jìn)行打孔，可以很好地滿足制造拉絲模具的需求，因為激光光束在短時間內(nèi)可以把能量集聚到某一點上，之后再把光斑縮小到微米級，使得激光可以獲得較高的激光能量密度。而且使用這一技術(shù)不管是對什么樣的材料進(jìn)行打孔，在打孔的過程中都不會對工具造成損耗，而且制孔的速度也比較的快，所獲得的經(jīng)濟(jì)效益較高。當(dāng)前，激光制孔技術(shù)也越來越成熟，已經(jīng)可以在不同材料上進(jìn)行工作了，而且還能夠獲得高強(qiáng)度、高密度的群孔。特別是在航空發(fā)動機(jī)葉片和燃燒室氣膜孔的制造中，在對其進(jìn)行加工的過程中不會出現(xiàn)裂紋，而且也不需要在激光加工后再鑄層，極大地提升了航空中零件的精確度。

3.4 光聚合物內(nèi)部三維成型

由于光聚合材料有著光敏的特性，所以通過使用超快激光技術(shù)來進(jìn)行加工，可以在光聚合材料的內(nèi)部完成高分辨率的三維加工。這一方法主要就是通過運用雙光子聚合原理，來對激光進(jìn)行聚焦，進(jìn)而實現(xiàn)雙光子吸收效應(yīng)，使得所作用的材料的內(nèi)部出現(xiàn)固化的現(xiàn)象，最后在材料的表面制備出三維微結(jié)構(gòu)。通常情況下，光聚合物材料都是放在可見光波段下，而且光聚合物材料也都是處于透明狀態(tài)，通過運用超快激光技術(shù)進(jìn)行加工處理，可以讓材料的表面結(jié)構(gòu)保持光滑的前提下，在其內(nèi)部創(chuàng)造出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，超快激光這一術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了光子晶體和微光學(xué)元件中，而且由于獲得元件的化學(xué)性質(zhì)比較的特殊，可以制造出精度的光學(xué)器件，在實現(xiàn)了光學(xué)水平的提升的同時，還能促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。

3.5 微結(jié)構(gòu)加工

在工業(yè)生產(chǎn)過程中通過使用超快激光技術(shù)，可以對一些微結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的加工，在滿足產(chǎn)品性能和質(zhì)量的同時，還能提升工業(yè)的制造水平，使得工業(yè)可以朝著精度更高的方向發(fā)展。當(dāng)前，通過運用超快激光可以更好地在鈦薄膜上進(jìn)行制造微孔結(jié)構(gòu)，通過使用激光微細(xì)加工來對鎳合金進(jìn)行加工，在一定程度上可以實現(xiàn)微懸臂梁的加工工作，在對懸臂梁的加工參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化之后，可以更好地滿足質(zhì)量和密度的要求；通過使用超快激光技術(shù)可以鉆通互連器件，進(jìn)而得到更多的多層微細(xì)結(jié)構(gòu)和光學(xué)組件等比較精細(xì)的結(jié)構(gòu)[4]。

4 結(jié)束語

綜上所述，把超快激光這一技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中，對提升工業(yè)的水平和效率有著較大的作用，可以更好地滿足對一些零件進(jìn)行高精度加工的要求，使得工業(yè)中的制造業(yè)水平可以得到大幅度的提升，進(jìn)而更好地滿足當(dāng)前社會對各種工業(yè)產(chǎn)品的需求。所以，為了更好地推動工業(yè)的發(fā)展，使得制造出來的產(chǎn)品的精度和質(zhì)量更高，工業(yè)部門就要提升對超快激光技術(shù)的應(yīng)用效率，以此來推動我國工業(yè)的發(fā)展。