飛秒激光微孔加工發展綜述

馬國慶,肖 強

(西安工業大學機電工程學院,陜西 西安 710021)

1 引 言

1991年,隨著鎖模鈦寶石激光器的出現,飛秒激光器越來越趨于實用化,關于飛秒激光領域的研究門檻越來越低[1]。1995年,P.P.Pronko首次將飛秒激光應用于微孔加工研究,通過與長脈沖激光加工微孔的實驗對比,證明了飛秒激光加工微孔具有重鑄層少、加工精度高等優勢[2]。除此之外,B.N.Chichkov等科研人員也進行了眾多飛秒激光打孔實驗,驗證了飛秒激光打孔具有高精度、高質量等優勢[3]。X.Zhu等人分別使用10 ns、50 ps、60 fs脈沖激光在金屬箔上進行打孔實驗,使用飛秒激光打孔所產生的燒蝕融化現象更少且孔更深。三種脈沖激光的加工孔的形貌如圖1所示[4]。

圖1 不同脈沖激光打孔結果圖

隨著航空航天、微電子、微機電系統、微光學等領域的不斷發展,飛秒激光微孔加工技術在航空發動機葉片氣膜孔加工、高靈敏器件的通孔制備、柔性電路板以及眾多硬脆材料加工方面有著廣闊的應用前景,已經成為當前研究重點。

2 秒激光與材料的相互作用機理

激光加工金屬的整個過程按照時間發生順序可以分為自由電子吸收激光能量、電子-聲子能量耦合與馳豫和材料的去除。首先,當激光照射在金屬材料表面時,由于金屬內電子的比熱容較小和劇烈的逆韌致輻射,電子在極短的時間內吸收了大量激光能量,電子溫度瞬間升高,并且通過電子與電子之間的相互碰撞,出現費米-狄拉克分布。此時,由于自由電子所具有的溫度遠高于晶格所具有的溫度,通過和熱電子碰撞獲取熱量的方式晶格的溫度逐漸上升,最終達到熱平衡狀態[5]。達到熱平衡態所需要的碰撞時間主要由電子-聲子碰撞馳豫時間決定。不同時間,激光與材料的作用過程不同,如圖2所示。

圖2 不同時間激光與材料作用過程圖

當激光的脈寬大于10-12s時,材料的溫度達到一定程度時,開始出現熔化、氣化等物理現象。當激光的脈寬達到飛秒量級時,整個激光作用過程時間極短,材料的溫度瞬時達到峰值,沒來得及熔化就直接轉化為等離子狀態,實現材料去除[6],因此飛秒激光的加工過程中沒有明顯的熔渣和碎屑,加工質量高。

飛秒激光與非金屬材料的相互作用原理和與金屬材料的相互作用原理完全不同,這是因為非金屬材料不具有大量自由電子。飛秒激光與非金屬材料作用時,作用區域瞬間聚集了極高的峰值能量,誘導劇烈的多光子吸收,產生了大量的種子電子,這些種子電子之間會發生相互碰撞傳遞能量,最終通過雪崩電離作用生產自由電子。使得材料表面生產了具有金屬特性的吸收等離子體。這些等離子體再通過與激光的相互作用,吸收激光光子能量,使得材料的溫度升高,最終出現融化、剝落等現象,實現材料的去除[7]。

3 飛秒激光微孔加工研究進展

3.1 秒激光微孔加工的理論研究

早在1974年,前蘇聯Anisimov等人以玻爾茲曼傳輸方程為基礎提出了著名的雙溫模型。該模型模擬了金屬材料電子溫度和晶格溫度的變化,得出了金屬材料中電子與晶格的溫度變化規律。雙溫模型模擬的能量傳遞過程如圖3所示[8]。

圖3 雙溫模型能量傳遞示意圖

自從雙溫模型提出后,眾多學者就不斷的對其缺點進行改進,Jiang L等人使用了改進的量子雙溫模型對其所做的實驗進行理論分析,分析發現在其余條件完全不變下,將一束激光分成兩束具有一定延時的脈沖序列可以有效的提高加工效率,增大小孔的深徑比,這種改進的量子雙溫模型很好地解決了經典雙溫模型忽略了量子效應的缺點[9]。

飛秒激光燒蝕金屬是一個復雜的過程,想要具體模擬出激光加工材料的過程,僅依靠雙溫模型是不夠的。雙溫模型可以模擬出激光能量在電子系統中的吸收、傳遞、轉換過程,但是其仍然存在一定的局限性。例如多脈沖激光加工金屬時,單脈沖雙溫模型的機理不適用也不能提供有效數值；雙溫模型也不能解釋微觀粒子的運動等。因此將其他模型與雙溫模型結合起來,形成新的模型模擬激光燒蝕金屬的過程成為了一個重要的研究方向。

S.Tao等人在雙溫模型的基礎上結合熱傳導模型,研究了在微孔加工過程中等離子體對于加工質量的影響,證明了由于產生的等離子體溫度不高,對孔壁并不會產生燒蝕[10]。Povarnitsyn M E 使用分子動力學模型結合雙溫模型對飛秒激光燒蝕金屬鋁進行理論研究,該模型可以精確模擬燒蝕過程中氣液混合現象和亞穩態液體金屬內成核現象[11]。陳冰等人也在雙溫模型的基礎上結合分子動力學模型,對飛秒激光加工CuZr合金的過程進行模擬,模擬條件如圖4所示[12]。模擬完成后得出結論:CuZr合金在加工過程中原子的加熱速度要比普通金屬慢,并且發現模擬材料的主要燒蝕機制是機械破損,飛秒激光能量的增加會導致蝕除深度增加。

圖4 模擬條件圖

在理論研究方面,目前所有的模型還不足以完全準確地模擬飛秒激光的完整加工過程。我們還需要做更多的研究,可以將未來的研究方向分為兩個,一是在經典的雙溫模型基礎上進行不斷的改進,加入更多的具有物理意義的表達式來完善雙溫模型。二是將雙溫模型與其他模型相結合,不局限與兩個模型相結合,研究探索以雙溫模型為基礎與多個模型結合的可能性,來解釋飛秒激光復雜的作用過程。

3.2 飛秒激光微孔加工方式的研究

F.Dausinger等人在飛秒激光打孔的研究中,首次將激光打孔方式分為四種,分別是:單脈沖打孔、多脈沖打孔、環形掃描打孔和螺旋線掃描打孔,如圖5所示[13]。

圖5 飛秒激光打孔方式

單脈沖打孔和多脈沖打孔過程中,飛秒激光光束與被加工材料的相對位置固定,激光脈沖能量直接作用于材料,對材料進行燒蝕完成加工。其中單脈沖打孔只有一個脈沖作用于材料,多脈沖打孔則是使用多個連續的激光脈沖作用于材料。

S.Baudach研究了不同脈沖數對于打孔效果的影響,在相同的激光參數下分別使用1、5、100個激光脈沖沖擊聚甲基丙烯酸甲酯材料,結果如圖6所示[14]。

圖6 不同脈沖打孔

根據實驗結果可以發現單脈沖打孔去除量有限,適合加工較薄材料或深度較小的盲孔,多用于飛秒激光去除材料的機理研究。而多脈沖打孔通過多個激光脈沖重復作用在同一點,可以實現相對較厚材料的加工。由于飛秒激光極短的脈沖寬度和突破衍射極限性,在理論上可以加工出的最小孔徑等于光束聚焦后的直徑。多脈沖打孔法是各種加工方法中可以加工出孔徑最小的方法。郭釗等人使用多脈沖打孔法在柔性電路板FPC上進行打孔,驗證了飛秒激光在FPC材料上打孔的可行性,獲得最小可達2.90 μm的微孔結構,如圖7所示[15]。

圖7 多脈沖打孔法在FPC上加工出2.90 μm的微孔

多脈沖打孔法所加工出來的微孔雖然孔徑可以達到十微米以下的級別,但其微孔的表面質量不高,并且打孔效率仍然有待提升。在工業生產中,直徑更大的微孔的應用也十分廣泛,例如航空發動機葉片氣膜孔與汽車發動機上的噴油嘴所需要的微孔直徑一般在100 μm左右[16]。螺旋鉆孔法的出現為解決這一問題提供了新的思路。

F.Dausinger首次提出了螺旋鉆孔法,使用飛秒激光沿著螺旋線軌跡反復加工,此方法可以加工出直徑較大的微孔,排屑方便,散熱快,可以有效免重鑄層的產生。王硯麗等人也研究了脈沖沖擊打孔和螺旋打孔對孔質量的影響,脈沖沖擊打孔方式制備的孔存在很厚的重鑄層[17]。使用螺旋鉆孔法制備的孔無明顯重鑄層,且圓度、錐度、表面粗糙度均優于脈沖沖擊法所制備的孔。由此可見采用螺旋鉆孔法可以有效的改善孔的質量。目前,螺旋鉆孔法仍然是獲得高質量微孔的主要方法之一。使用螺旋鉆孔法獲得微孔形貌如圖8所示。

圖8 螺旋鉆孔法獲得的微孔形貌

針對葉片氣膜孔等更加復雜的微孔,螺旋鉆孔法已經不能夠滿足要求。需要在螺旋鉆孔法的基礎上研究新的工藝來提高微孔質量。王峰提出了一種利用三光楔掃描的飛秒激光加工裝置,進行了采油機噴油嘴倒追孔加工工藝研究,實驗通過三塊光楔來控制飛秒激光的運動軌跡,采用“螺旋掃描-步步層進”的方式進行掃描,即將需要加工的微結構一層一層的去除。使用這種方法所加工出的倒追孔可以滿足歐V排放法的規定。實驗所用的激光加工系統結構如圖9所示[18]。

圖9 激光加工系統結構

通過在螺旋鉆孔法的基礎上改良工藝的方法可以滿足較為復雜的微孔加工需求。但是隨之而來的是加工設備復雜性的增加,另外還有一個問題是加工效率仍然需要提高。

除過上述的改變激光脈沖和激光掃描軌跡的思路,還有一些學者研究了在加工過程中引入液體輔助加工、使用飛秒激光改性材料輔助刻蝕等方法。例如邢松齡等人使用飛秒激光對石英玻璃進行打孔。他們采用了常規的自上而下的打孔方法和自下而上的液體輔助加工方法[19]。兩種加工方法如圖10所示。

圖10 常規加工和水輔助加工

相比普通的加工方法,液體輔助法可以有效地提高微孔的表面質量。這種方法也存在這它的局限性。過高的激光能量會產生更強的燒蝕,會導致微孔內壁的粗糙度增加,阻礙水流的進入。在加工深孔時,需要克服的重力作用也越來越大,水流不能繼續上升,對后續加工起不到排屑的作用,因此水流只能保證加工前段光路的完整性,此方法只適用于加工較淺的微孔結構。

飛秒激光改性輔助化學刻蝕法就是利用飛秒激光在加工材料內部掃描出目標微孔的形狀,然后通過一定濃度的腐蝕劑對掃描區域進行腐蝕,最終得到目標結構。Marcinkevicius等人首次在石英玻璃中制備三維中空微通道的實驗中證明了飛秒激光改性輔助化學刻蝕法的可行性[20]。飛秒激光改性輔助化學刻蝕法制成的中空直線型微孔,經常會出現孔口的尺寸大于中央尺寸的問題,這是因為化學腐蝕的過程總是從入口通道開始進行的,入口處化學腐蝕的時間會遠大于微孔中央的腐蝕時間。這種辦法的總加工長度有限并且化學腐蝕的效率過低。Ho等人的實驗結果表明通過4個小時的化學腐蝕最終獲得了2 cm的微孔[21]。此外,長距離、復雜結構的微通道腐蝕后的橫截面均一性難以保障。如何來解決這些問題還需要繼續進行深入的研究。

3.3 飛秒激光參數因素的研究

科研人員通過對飛秒激光的激光功率、加工速度、重復頻率、脈寬、聚焦狀態等加工參數以及加工環境的不斷研究,使飛秒激光的打孔效果得到了顯著的改善。G.Kamlage等人通過實驗研究了激光重復頻率對微孔質量的影響[22]。實驗表明,在空氣環境中,飛秒激光的重復頻率增大,微孔的出口直徑也隨之增大。其實驗所加工的微孔如圖11所示。

圖11 G.Kamlage實驗所得微孔圖

Michelle L等人使用飛秒激光加工微型齒輪時發現,激光掃描速度和進給距離對于加工質量有著重要影響,選擇快速掃描和較小的進給能夠有效提高微加工的質量,可以有效地避免等離子屏蔽對加工質量造成的影響[23]。R.Le.Harzic等人研究了激光能量密度對于加工的影響,實驗發現,使用高能量密度的飛秒激光加工,會出現熱影響區,導致重鑄層生產[24]。中國科學院大學張若衡等人研究了飛秒激光螺旋線面加工SiC復合材料時光板重疊率、線重疊率、加工功率、加工步進等因素對微孔質量產生的影響[25]。指出了光板重疊率和線重疊率越高,微孔深度越深；加工功率越大,加工孔深度隨之增加但氧化損失加劇；低步進獲得的通孔質量較高但是加工效率低。在實際的加工過程中應當采用較高的光板重疊率和線重疊率,在保證質量的情況下,盡量選擇較大的加工步進以提高加工效率。SiC復合材料在光斑重疊率為98 %的飛秒激光下加工的微孔如圖12所示。

圖12 光斑重疊率為98 %的飛秒激光下加工微孔的入口和出口

飛秒激光可加工的材料范圍廣,對于不同的材料最優的加工參數也不盡相同。這就要求對有加工需求的材料進行大量的實驗研究,選出最優的加工參數。飛秒激光與物質的作用是一個復雜的過程,在研究不同加工參數對飛秒激光微孔加工的影響時,研究多種加工參數對加工效果的復合作用是研究的趨勢之一,單一的研究某一參數,得到的幾種最優參數組合在一起時,加工的效果可能并不是最理想的。

4 總 結

綜上所述,飛秒激光由于具有超短脈沖,超強功率,高聚焦能力等普通激光不具備的優勢,可以加工出高精度、高質量的微孔結構。但是整體來看,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,飛秒激光孔加工技術從實驗室走向工業應用還需要很長的時間,飛秒激光孔加工技術還存在一些問題同時也包含著很多新的發展趨勢:

(1)理論研究仍然需要不斷完善,目前的研究主要集中在改進雙溫模型和根據雙溫模型結合其他模型來模擬加工過程,并且這些理論目前也只能解釋涉及較小尺度的微孔燒蝕。對于深微孔,仍然需要去探索新的理論。

(2)相對于使用螺旋鉆孔法加工直徑較大的微孔,在使用多脈沖打孔法加工直徑數微米的較小微孔方面的研究并不成熟。多脈沖打孔由于激光光束不需要移動,因此在加工較小微孔方面具有重要的應用價值。

(3)使用多種加工方法結合的復合加工往往可以有更好的加工效果,在研究飛秒激光的同時,也應該去探索這項加工技術與其他技術結合的可能性,例如超聲輔助飛秒激光微加工等。