皮秒激光旋切加工微孔試驗研究

孫樹峰， 廖惠鵬， 吳旭浩， 章 斌

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

引 言

近年來，在微流體器件制造、電子封裝等領域對高深徑比、高質量微孔加工的需求越來越多[1-5]。微孔一般指直徑小于300μm的孔，在精密加工領域，尤其對微孔的尺寸及質量提出了很高的要求。傳統打孔方法包括機械鉆孔、電火花打孔和電子束打孔等都存在一定的局限性[6]，采用激光加工技術被認為是實現高效精密制孔的一個有效途徑[7]，超短脈沖(皮秒、飛秒)激光加工時能夠有效減小長脈沖激光產生的熱影響等問題，其中飛秒激光的“冷加工”效應能夠獲得更好的加工質量[8]，但造價昂貴的飛秒激光器目前很難實現大規模工業化應用，而性價比相對較高的皮秒激光在微加工行業已得到較為廣泛的應用[7-10]。本試驗中所用的皮秒激光脈沖寬度為200ps，遠高于熱量在電子-晶格中的弛豫時間(10ps)，在打孔過程中由于熱積累會導致熱燒蝕，為提高所加工微孔的質量，需研究旋切速率和激光參量等因素對加工質量的影響。

本試驗中采取的旋切打孔法通過實現激光束與加工材料的相對旋轉運動，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。在激光束相對工件持續旋轉掃描運動的過程中，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，在激光旋切打孔過程中，高速旋轉可以降低激光脈沖重疊率，從而減少激光加工過程中所產生的熱積累，避免嚴重的熱影響。同時，皮秒激光相對較小(幾百微焦到幾個毫焦)的單脈沖能量能夠在打孔過程中降低所產生的等離子體濃度，相對較少的等離子體在高速旋轉的光斑再次到達同一加工點之前更容易消散，這就從濃度和時間兩個維度降低了等離子體對激光的屏蔽作用，加工出高質量的微孔[11]。

1 試驗過程

1.1 實驗設備

自主搭建的皮秒激光旋切法微孔加工設備如圖1所示。該設備的激光器采用Dynasaw系列YPS200型皮秒激光器，激光波長為1064nm；平均功率不小于6W；脈沖寬度不大于200ps；脈沖頻率為50kHz。激光通過光學系統的擴束、光闌過濾提高光束質量后經過45°反射鏡反射使光束入射聚焦鏡，通過工控機控制驅動聚焦鏡上下移動的z軸來改變聚焦光斑的位置。將所加工的工件放置在旋轉工作臺上，旋轉工作臺由高轉速電機驅動，置于x-y兩軸水平滑臺上，通過工控機控制工件與激光聚焦光斑的相對位置和高速旋轉軸的轉速。

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

1.2 試驗條件

本試驗加工材料為0.2mm厚SUS 304不銹鋼(06Cr19Ni10)薄板，其物質組成成分如表1所示。試驗過程中采用旋切法進行微孔加工，所加工的工件固定在高速旋轉臺上，通過控制固定在z軸上的聚焦鏡來改變激光聚焦光斑與加工工件的相對位置，通過控制水平滑臺，改變激光束與轉臺旋轉軸心的距離來控制所加工微孔的直徑大小，如圖2所示[12]。設激光束的聚焦半徑為r，高速轉臺相對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

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

2 試驗結果與分析討論

2.1 旋切速率對微孔加工質量的影響

皮秒激光旋切微孔加工過程中光斑掃描軌跡如圖3所示。

旋切速率對微孔加工的質量有較大的影響。一方面，如果旋轉速率太快，兩個相鄰脈沖激光光斑的重疊率太小，材料對激光能量的累積吸收不充分，導致材料的去除率太低，影響加工效率;另一方面，旋切速率過慢時，會導致相鄰的兩個脈沖激光光斑的重疊率太大，激光在同一加工點累積的脈沖過多，使得激光能量作用材料所產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吸收下一個激光脈沖的能量，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。而且材料氣化所產生的蒸氣和等離子體的熱量累積造成孔腔內的溫度升高達到材料的熔點，由于材料間的熱傳導作用使內壁產生熱影響區，從而使成孔質量下降[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,旋轉速率為v，則一個圓周上的光斑個數如下所示:

(2)

滿足這樣的光斑重疊率要求的旋切轉速如下所示:

v=ω/δ(3)

一般地，在旋切法加工微孔的過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，獲得內壁光滑度較好的小孔，同時能夠擁有較高的小孔再現性。加工時間為15s、激光功率設置為100%(即對應功率6W)、焦點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，旋切轉速對微孔孔徑有一定影響，當轉速低于1400r/min時，隨著轉速的增加，激光脈沖重疊率降低可以減少金屬蒸氣和等離子體對激光能量的屏蔽作用，有利于材料的去除，從而導致加工微孔的孔徑增加。當轉速超過1400r/min后，隨著轉速的提高，脈沖重疊率進一步減小，未切穿的孔槽內激光脈沖能量累積更少，熔融材料相對較少，從而導致孔徑略微減小，孔的錐度也相對減小。

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

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系

在激光打孔的過程中，材料主要以熔化和氣化形式去除，孔內材料的不斷蒸發使得孔深增加，孔壁材料的熔化和孔內蒸氣壓力攜帶熔化物質向外飛濺使得孔徑增大[15]，因此激光功率會對微孔孔徑與孔壁質量造成一定影響。試驗結果如圖6所示，設置激光功率低于60%時，在設定參量的條件下，微孔出口部分材料的去除不完全，沒能將微孔徹底打穿，當設置激光功率達到60%時，微孔被打穿后，金屬蒸氣從出口噴出同時帶走部分熔融金屬使出口孔徑增大，隨著功率的繼續增加，孔徑略微增加，錐度略微降低，當功率提高到80%之后微孔錐度穩定在12°左右。這種孔徑變化趨勢是因為激光能量的變化會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，下排為對應的微孔等高線圖。從圖7a中可以看出，設置激光功率為60%時，呈高斯分布的激光能量邊緣部分較弱，對切口邊緣部分材料去除不完全，導致切口邊緣粗糙，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，即聚焦光斑作用在材料上的有效尺寸增加，對微孔內壁邊緣切口處材料去除更徹底，圖7c中，激光功率為100%時孔的邊緣更光滑，邊緣質量得到明顯的改善。

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

2.3 離焦量與孔徑的關系

激光的離焦量是指激光聚焦光斑焦點處偏離加工材料表面的距離，如圖8所示，設激光束焦點位置與加工材料表面的距離為f，當激光束焦點在材料表面位置之下，即f<0mm時稱為負離焦，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。所得的結果如圖9所示。當f<0mm時，即負離焦條件下加工，隨著負離焦量的增加，孔的入口直徑增大，而出口直徑則隨著負離焦的增加而減小，這是由于離焦量大于材料厚度0.2mm之后激光束焦點位于微孔出口平面之下，此時一部分材料吸收激光能量導致液態物質多，氣態物質相對少，孔內蒸氣壓力較低導致排除孔內的材料較少從而使出口孔徑較小，當負離焦量超過0.6mm后，離焦處的激光能量密度下降也會造成孔徑的下降。當f>0mm時，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度，其計算公式為：

(5)

式中，λ為激光波長，其大小為1064nm;M2為激光的光束質量因子；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 論

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

(2)設置激光功率低于60%時，在設定參量的條件下，不能將孔切穿；當設置激光功率高于60%時，隨著功率的增加孔徑略微增加，錐度略微降低；當功率提高到80%之后,微孔錐度穩定在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量。

(3)離焦量對孔的錐度影響較大，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時可以獲得錐度較小的微孔，繼續增大離焦量可以進一步較小錐度，但較大的離焦量又會降低加工面處激光的能量密度，影響加工效率和加工質量。

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