水輔助激光無重鑄層鉆孔Al2O3陶瓷實驗研究

周 翔，段 軍，陳 航，張 菲，白克強，韓小花

(華中科技大學 武漢光電國家實驗室，武漢 430074)

引 言

Al2O3陶瓷是目前世界上應用最為廣泛的陶瓷材料之一，在生物、電子等領域已成為不可或缺的材料[1]。傳統的機械加工、電火花加工和超聲波加工Al2O3陶瓷等方法，都存在無法鉆微小孔、鉆孔效率低和工件磨損嚴重等問題[2]。自從激光器誕生以來，激光的種類和利用激光進行材料加工已經獲得蓬勃發展[3]。激光應用領域逐步擴大到各種金屬和非金屬板材的加工，解決了許多傳統切削加工無法解決的問題[4]。微孔激光加工技術是激光加工技術的一個新興和重要領域，隨著科技和社會生產的迅速發展，一方面給激光鉆孔提出了各種各樣更高的要求；另一方面技術的進步和先進設備的出現也使得高效率、高質量鉆孔成為可能[5]。目前微孔加工領域主要存在的問題是：在加工微孔過程中，不僅要使材料易于加工，還應努力提高微孔的鉆孔質量，減少微孔錐度和消除重鑄層、微裂紋等問題。

目前，國內外學者相繼采用不活潑氣體輔助激光加工[6-7]、激光鉆孔樣品化學再腐蝕[8-9]和超短脈沖激光加工[10-11]等手段來去除重鑄層，但效果均不完美，未能完全消除重鑄層，主要原因在于上述手段不能完全避免熱效應的存在，依然有熔融物重新附著于原材料表面。而水輔助激光鉆孔由于激光誘導液體空化作用、水的冷卻作用和水的流動作用能夠在一定程度上降低光熱效應和抑制去蝕材料的二次黏附。曾經有學者[12-13]在納秒、毫秒等激光器下利用水輔助激光切割陶瓷，雖未能完全消除熱效應和重鑄層，但加工質量明顯優于空氣中激光加工。

本文中在前人的基礎上采用水輔助超短脈沖激光對Al2O3陶瓷進行鉆微孔研究，對比水和空氣介質中鉆孔的直徑、微孔錐度和重鑄層厚度等質量效果，研究水輔助激光鉆孔的影響機理。

1 實驗材料、設備和研究內容

1.1 實驗材料

實驗中所用Al2O3陶瓷3維尺寸為28mm×21mm×625μm，Al2O3的質量分數為0.96，能帶寬度約為9.1eV，常用物理性能見表1。

Table 1 Physical parameters of soda-lime glass

1.2 實驗設備

實驗中采用的激光加工設備為多功能皮秒激光微加工系統，主要由多波段全固態皮秒激光器、微加工光路系統、精密機械系統、定位系統和計算機控制系統構成。激光器是德國Edgewave公司生產的Nd∶YVO4皮秒激光器，輸出波長1064nm，光束質量因子M2≤1.3。激光輸出平均功率為0W～80W，脈沖寬度10ps，脈沖重復頻率為200kHz～20MHz，出口光斑直徑3.0mm，經透鏡聚焦后的焦點光斑直徑約為20.0μm。使用振鏡掃描配合加工平臺X-Y-Z 3維運動方式，可實現對70mm×70mm范圍內任意復雜圖形快速加工，最高掃描速度為9600mm/s。加工系統示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of micro-machining system by picosecond laser

1.3 研究內容

實驗研究激光主要參量(單脈沖能量和掃描次數)對微孔直徑、錐度和重鑄層厚度影響規律以及皮秒激光在不同介質中與Al2O3陶瓷的作用機理。鉆微孔目標直徑D=200μm，鉆孔方式采取單層多次同心圓填充旋切鉆孔法，填充間距固定為10μm。激光聚焦平面位于Al2O3陶瓷表面上，焦點處有效光斑中心位于同心圓上。在空氣介質中加工只需將Al2O3陶瓷樣品放在加工平臺上直接按設定參量進行加工，而水輔助激光鉆孔則需要支撐和固定裝置將Al2O3陶瓷固定于水下。

微孔錐度是陶瓷微孔在材料厚度方向上的傾角θ，如圖2所示。錐度T計算公式如下：

(1)

式中，θ為傾角，單位是°；Dent和Dext分別為正、反面孔徑，單位均是μm；t為Al2O3陶瓷厚度，單位是μm。

Fig.2 Test method for micro taper

重鑄層主要由于材料熔化重新冷卻固化在內壁上，如圖3所示。計算公式如下：

(2)

Fig.3 Measurement method of recast-layer thickness

式中，ζHAZ是重鑄層厚度，單位是μm；DHAZ是包括重鑄層在內微孔直徑，單位是μm；D0是材料完全去除時微孔直徑，單位是μm。

2 激光與水的相互作用

激光束在水中傳輸時，水對激光的吸收作用與散射作用同時存在。激光束能量的衰減主要是純凈水與水中雜質對激光的吸收引起，對激光束的擴散影響不大。激光在純凈水中的傳輸特性如圖4所示。在水輔助激光鉆孔過程中，水能夠吸收一部分激光能量并降低加工效率。水吸收的激光能量可以由Beer-Lambert定律[14]計算得到，如下式所示：

(3)

式中，I0(λ)是入射前激光初始輻照度；Ix(λ)是在液體中傳輸路程為x后的激光輻照度；L是激光在水中的吸收長度，即激光被完全吸收穿過的溶液長度。

Fig.4 Relationship between absorption and wavelength in pure water

因此可以很容易看出,波長λ=1064nm激光對應純凈水吸收長度L≈15mm。水深h=1mm時，吸收率δ≈h/L=6.7%；水深h=2mm時,吸收率δ≈13.3%。而散射作用主要使激光束擴散、光斑變大，對激光束能量衰減影響較弱。深度為x處的激光光斑大小S計算公式[15]如下：

S(x)=S0exp(ρ〈σs〉x)(4)

式中，ρ〈σs〉是水質參量，S0是初始光斑直徑，σs是平均散射截面。

3 實驗結果分析

本文中對空氣和水不同介質中激光加工參量對陶瓷微孔的錐度和密封性影響規律進行了研究，主要的研究參量是激光單脈沖能量和掃描次數。實驗中設定的參量變化范圍如下：激光單脈沖能量為75.0μJ～150.0μJ；空氣介質中的掃描次數為50次～200次；水介質中的掃描次數為400次～1000次。脈沖重復頻率恒定為200kHz；掃描速率恒定為200mm/s；水輔助時陶瓷表面離水面深度為2mm。微孔直徑和錐度的數據曲線如圖5所示。

Fig.5 Effect of laser parameters on hole diameter and taper of alumina ceramics

a—hole diameter in air b—hole diameter in water c—taper in air d—taper in water

圖6中是皮秒激光分別在空氣和水介質中對陶瓷鉆微孔樣品的光學顯微鏡剖面微觀形貌圖。圖6a～圖6d是在空氣介質中激光單脈沖能量范圍在75μJ～150μJ，增量為25μJ，掃描次數50次所獲得的微孔，在微孔頂部有明顯的熱影響區，存在較大的錐度。圖6e～圖6h是水介質中激光單脈沖能量范圍在75μJ～150μJ，增量為25μJ，掃描次數600次所獲得的微孔。隨著單脈沖能量的增加，水輔助鉆孔的孔型逐漸向圓柱狀轉變，錐度明顯小于空氣中激光鉆孔，并且空氣中激光鉆孔在微孔頂部有明顯的熱影響區，水輔助激光鉆孔則沒出現熱影響區，內壁顏色與陶瓷原表面相同。

Fig.6 Micrograph of holea～d—drilling in air e～h—drilling in water

空氣介質中皮秒激光鉆孔內壁重鑄層厚度變化范圍為3.5μm～8.0μm，重鑄層厚度隨著單脈沖能量和掃描次數增加而增加，在單脈沖能量為75μJ和掃描次數為50次時重鑄層厚度為3.5μm。圖7是掃描電鏡分別對空氣和水介質中的激光鉆孔樣品進行微觀形貌觀察。所選用的激光參量如下：激光單脈沖能量為100μJ，空氣介質中掃描次數為50次，水介質中掃描次數為600次。在空氣介質中激光鉆的微孔可以明顯地發現,孔內壁表面附著一層細小顆粒，即為在激光鉆孔過程中熔融物重新凝結而形成的重鑄層，顆粒細小，與陶瓷原表面相比重鑄層有泛白傾向，但無微裂紋產生，如圖7a和圖7b所示。

Fig.7 Scanning electron microscope picture of the drilled samplea,b—in air c,d—in water

水介質中皮秒激光鉆孔在低單脈沖能量和低掃描次數下，微孔表面無重鑄層、微裂紋和發黑變質區，孔壁清潔度高、無激光燒蝕痕跡，如圖7c和圖7d所示。在水介質中進行激光鉆孔加工時，由于水的比熱容遠大于陶瓷材料，因此水的冷卻作用使得陶瓷材料表面溫度很難達到其熔點，陶瓷難以發生相變，因此無發黑變質和微裂紋現象。水輔助激光鉆孔參量與重鑄層厚度關系為：當單脈沖能量Q≤100μJ時，在掃描次數為400次～1000次范圍內無重鑄層產生；當單脈沖能量Q=125μJ時，在掃描次數為，在掃描次數為800次～1000次范圍內出現重鑄層，最大厚度為0.82μm；當單脈沖能量Q=150μJ，在掃描次數為600次～1000次范圍內出現重鑄層，最大厚度為1.15μm。

水輔助激光鉆孔過程中，主要存在水的冷卻作用、空泡作用和運輸作用。水的高比熱容能夠傳遞和吸收激光能量，能夠初步降低熱影響區和減少重鑄層。空泡作用是皮秒激光加工時由于超高的峰值功率密度，超過物質擊穿閾值產生液體空化，形成大量空泡，潰滅時產生的沖擊波使熔融物能與基體脫離。同時水的存在會阻礙熔融物無法二次黏附在基體表面，同時微孔內外壓強差，使得水不斷流動將殘渣送出陶瓷孔外，從而降低微孔錐度和去除重鑄層。

4 結 論

本文中采用水輔助脈寬10ps的激光加工系統和同心圓填充旋切鉆孔技術，實現了Al2O3陶瓷無重鑄層激光鉆孔，并對微孔的孔徑、錐度、重鑄層厚度和微觀形貌觀察。

(1)水輔助激光鉆孔時，孔徑、錐度和重鑄層厚度隨激光參量的變化規律與空氣中直接鉆孔的變化趨勢基本一致，但水輔助鉆孔的孔徑比空氣中鉆孔大，錐度和重鑄層厚度比空氣中鉆孔小，在低單脈沖能量和低掃描速度下，能夠實現完全無重鑄層。

(2)水輔助激光鉆孔時，孔徑的擴大主要是由于水對激光束的散射作用引起的。本文中激光光斑直徑因水中懸浮物擴大約為35μm，增大率約為75%，對應的水質參量約為0.28。

(3)水輔助激光鉆孔在合適的參量能夠實現無重鑄層，小錐度高質量鉆孔，具體參量是：脈沖重復頻率200kHz，單脈沖能量125μJ和掃描次數600次，能夠實現錐度為1.04°無重鑄層激光鉆孔。

(4)水輔助激光鉆孔時，由于水的冷卻作用使得陶瓷表面溫度難以達到其熔點，表面基本看不到激光鉆孔痕跡。皮秒激光鉆孔過程中由于具有高功率密度激光，會引起液體空化現象，空泡潰滅對孔壁產生強沖擊作用，使得重鑄層脫離基體，并且通過水的流動作用將懸浮物運出微孔內部，從而徹底實現無重鑄層鉆孔。

[1] ZHU M X, XU X, LI Y M,etal. Research status on metal-toughed alumina ceramics[J]. Chinese Ceramics, 2012, 148(12): 10-13(in Chinese).

[2] ZHANG F L, FENG D J, SHI J C,etal. Rotary ultrasonic machining technology of ceramic material [J]. Electromachining & Mould, 2001(1): 1-5(in Chinese).

[3] QI L T. Ultra-short pulsed laser microfabrication technology[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2012: 22-25(in Chin-ese).

[4] SCHULZ W, EPPELT U, POPRAWE R. Review on laser drilling Ⅰ. Fundamentals, modeling, and simulation[J]. Journal of Laser Applications, 2013, 25(1): 12006.

[5] ZHANG F, DUAN J, ZENG X,etal. UV laser microprocessing and post chemical etching on ultrathin Al2O3ceramic substrate[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2011, 31(9): 1631-1639.

[6] ADELMANN B, HELLMANN R. Rapid micro hole laser drilling in ceramic substrates using single mode fiber laser[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 221(1): 80-86.

[7] HSU J, LIN W, CHANG Y,etal. Continuous-wave laser drilling assisted by intermittent gas jets[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 79(1/4): 449-459.

[8] ZHANG F. Study on UV laser microprocessing technology and mechanism for electronic materials [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2012: 87-102(in Chinese).

[9] ZHANG G, LIANG Y. Study on laser drilling alumina ceramic of recast layer research[J]. Journal of ShenYang Institute of Technology, 2001, 20(2): 1-4(in Chinese).

[10] LI C, LEE S, NIKUMB S. Femtosecond laser drilling of alumina wafers[J]. Journal of Electronic Materials, 2009, 38(9): 20116-20121.

[11] WANG X C, ZHENG H Y, CHU P L,etal. Femtosecond laser drilling of alumina ceramic substrates[J]. Applied Physics, 2010, A101(2): 271-278.

[12] KONG L R, ZHANG F, DUAN J,etal. Research of water-assisted laser etching of alumina ceramics [J]. Laser Technology, 2014, 38(3): 330-334(in Chinese).

[13] TSAI C, LI C. Investigation of underwater laser drilling for brittle substrates[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(6): 2838-2846.

[14] KRUUSING A. Underwater and water-assisted laser processing: Part 1—general features, steam cleaning and shock processing[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2004, 41(2): 307-327.

[15] LIU Y Zh, ZHU Y T, ZHU G X,etal. Study of underwater spot spread of collimated laser beam[J]. Chinese Journal of Lasers, 2001, 28(7): 617-620(in Chinese).