皮秒激光在精密加工技術中的應用研究

崔海生，楊振江，薛秀園

（1.重慶移通學院物理學院，重慶 401520；2.重慶市合川區生態環境監測站，重慶 401520）

0 引言

玻璃精密加工產品被越來越多的應用到各種各樣的智能顯示屏中。由于其具有高硬度與低斷裂韌度特性，對該材料的微加工異常困難。碳纖維增強塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)是由碳纖維作為增強體、樹脂作為基體固化成形的先進復合材料，因其強度高、耐高溫、抗腐蝕等特點，在航空航天、汽車等領域作為輕量化材料被大量使用[1]。CFRP增強體與基體性能的差異以及CFRP材料硬度高、韌性強等特性，采用傳統的機械加工方式出現如刀具易磨損、復合材料分層、纖維破碎及加工后性能變差等問題，嚴重制約CFRP的應用，CFRP的激光加工已成為目前研究的熱點[2]。

皮秒激光由于其超快時間特性和超高峰值功率特性，可實現清潔切割，實現對敏感材料和薄膜的圖形化，允許對寬帶隙的“困難”材料進行微加工，被廣泛應用在各種材料的精細加工中［3-5］，包括金屬、碳纖維、玻璃、藍寶石、半導體等，加工方式涵蓋了打孔、切割、選擇性去除、微結構制備等。

各種不同材料本身的熱力學性能差異，激光加工工藝、加工過程中對參數的控制等都會對加工效果帶來巨大的影響。如紫外皮秒激光對單晶硅材料進行切割，不同激光能量密度、光斑重合度、切縫寬度及切割次數對切縫表面形貌和切割深度會產生明顯的影響[6]。用1 064 nm皮秒激光切削陶瓷，掃描速度、掃描次數、掃描線間距等參數會影響陶瓷切削深度、寬度和表面粗糙度[7]。

Salama等[8]研究了激光制孔時的自限制效應，發現激光制孔的深度與切縫寬度正相關，并對單道和多道并行的掃描方式進行比較，結果表明在相同加工時間和能量的條件下后者對材料的去除效率更高，加工深度更深。Weber等[9]模擬分析了激光工藝不同對CFRP熱損傷的影響。Goeke等[10]研究了激光參數對CFRP材料切割熱影響區和切縫寬度的影響。Lau[11]用脈沖Nd：YAG激光對層板CFRP進行了實驗，發現切面有條紋，但與加工速度無關，任意速度加工，都存在條紋，加工表面都會覆蓋一層碳化層。

為進一步研究工藝參數對激光切割玻璃質量的影響規律，激光加工CFRP熱積累的影響，提高加工質量，本文研究了皮秒激光在玻璃上鉆取高質量的孔和切割薄玻璃。利用皮秒激光對CFRP進行燒蝕實驗，研究了工藝參數對CFRP熱積累的影響，得到最優的工藝參數，理想的實驗結果。通過優化參數來提高加工質量，從而為皮秒激光加工玻璃、CFRP學術研究與裝備制造業應用提供參考。

1 玻璃精密加工

玻璃精密加工越來越多地被用于許多設備中，尤其是當更多的手持設備要用大尺寸顯示器或需要安裝螺釘的特殊形狀的孔。由于玻璃的熱膨脹系數與硅模具相匹配，使得封裝更加可靠，玻璃的尺寸比FR4等封裝材料更穩定，因此玻璃插入器的硅或有機插入器的替代品具有極大的吸引力。

皮秒激光器的高峰值功率提供了在少熱或沒有熱量的情況下鉆取玻璃的可能。脈沖能量大于100 μJ可以非常有效地鉆取玻璃，配合控制激光重復率可以在沒有微裂紋的情況下鉆取孔。如圖1所示，使 用150 μJ、1 064 nm皮秒激光脈沖以500 kHz的重復率在1 mm厚的玻璃上鉆取直徑為1 mm的孔的掃描電鏡圖像。圖2所示，使用納秒激光、皮秒激光和金剛石鉆在1 mm厚的玻璃上鉆取直徑為1 mm的孔后，進行四點彎曲試驗，比較其斷裂強度。與無孔裸玻璃相比，皮秒激光鉆孔具有幾乎相同的斷裂強度，因此激光鉆孔不會削弱玻璃的結構。

圖1 掃描電鏡圖像

圖2 斷裂強度

1.1 皮秒激光分離化學強化玻璃

玻璃可通過表面處理工藝進行化學強化，該工藝將玻璃浸入含有鉀鹽的槽中，使玻璃表面的鈉離子被槽液中的鉀離子取代。鉀離子沉積在較小的鈉離子留下的空隙中，這些鈉離子遷移到鉀鹽溶液中。這種離子的置換導致玻璃表面處于壓縮狀態，而心部處于補償張力狀態。市場上有許多化學強化玻璃，玻璃需要切割成所需形狀。機械分離是不合適的，因為玻璃內部的應力意味著它容易破碎，裂紋不會以直線方向擴展。圖3所示為在厚度為0.7 mm化學強化玻璃中，以500 kHz的激光重復率將150 μJ、1 064 nm的皮秒激光脈沖聚焦到玻璃內部1～2 μm的點形成的內部刻痕線，以450 mm/s的階段速度進行3次焊道，速度為150 mm/s，可以看到，側壁非常干凈，邊緣鋒利。

圖3 化學強化玻璃分離效果

1.2 皮秒激光切割薄（＜200 μm）玻璃

為進一步減小顯示器的尺寸和重量，顯示器內部的LCD或觸摸屏層需使用小于200 μm的薄玻璃。這種薄玻璃對激光照射非常敏感，紫外線波長是切割/加工的最佳選擇。采用改進的光學吸收和更小的聚焦點，紫外線波長可以有效防止微裂紋的出現。圖4所示為一個50 μm厚玻璃劃片的示例，使用1 MHz、1 064 nm皮秒激光脈沖以125 mm/s的速度產生半深劃片的效果。

圖4 劃片效果

皮秒激光脈沖的作用時間很短，意味著在材料對激光脈沖的熱沖擊作出反應之前必須被加工，如圖5所示。

圖5 激光脈沖能量對激光打孔質量的影響

實驗發現，通過保持激光注量接近激光，可以產生非常高質量的特征消融閾值，然而，隨著激光脈沖能量的增加，熔化/重鑄的數量也增加了。由于較大的熱沖擊，脈沖能量較高，因此，低脈沖能量，比如說小于20 μJ，高重復率1 MHz，有利于微加工。相反，在厚度大于0.5 mm的材料，要求激光脈沖能量大于100 μJ，并通過控制激光重復率才可以對玻璃進行高質量的加工。

2 加工碳纖維增強塑料

用皮秒激光加工CFRP，它能輸出8 ps脈沖，平均輸出功率高達1.1 kW，脈沖重復率為300 kHz，最大脈沖能量約為3.7 MJ。在這樣高的平均功率下，蓄熱效應成為主要問題。CFRP是一種非常不均勻的材料，由嵌入聚合物基體中的碳纖維組成。這兩種成分表現出明顯的熱性能不匹配，這可能導致激光加工過程中熱基體的損傷。當燒蝕過程發生在激光束傳播方向時，由于碳纖維的高導熱性，熱損傷主要沿碳纖維擴散到材料中。用高速成像方法觀察基體損傷的生長，在熱影響區，基體材料被蒸發留下空白碳纖維，稱為基體蒸發區[6]。文中描述了在激光加工過程中CFRP損傷的最小可能程度。根據該模型，吸收強度必須超過108W/cm2，以確保沿碳纖維熱傳導方向引起的熱損傷程度小于10 μm。利用超短脈沖激光器可以很方便地獲得如此高的強度。然而，即使使用超短脈沖，在許多情況下仍然可以觀察到熱損傷的形成。這種基體損傷是激光脈沖之間的熱積累效應的結果，稱為脈沖積累。脈沖積累效應是脈沖激光處理CFRP熱損傷的主要原因之一。Blatchford[12]、Moskovits[13]給出了描述脈沖積累的分析近似值，其中給出了隨著時間的變化，溫度升高與材料特性、工件上一點入射的脈沖總數NPulses、重復率和脈沖能量的函數關系式，每個激光脈沖都有助于加工材料的加熱，如果脈沖之間的時間延遲不足以使材料冷卻到其初始溫度，熱量就會聚集。

蓄熱效應是由于使用多通道消融處理策略時連續掃描。這種熱積累效應在本文中稱為掃描積累。在這種情況下，能量輸入的數量由材料上應用的掃描次數給出，能量輸入之間的時間延遲由一個位置上連續掃描之間的時間間隔給出。用1 064 nm波長的連續波激光實驗證明了這種效應的影響，結果表明，如果連續掃描之間的時間間隔ΔtScans太短，熱損傷會顯著增加。其中fScans是連續掃描的重復率，lcontour是輪廓長度，tScan是給定長度輪廓的處理時間，tPos是定位時間，vPos是掃描儀系統的定位速度，lPos是定位軌跡的長度，tpause是暫停時間。例如去處理另外一個零件，對于一定的進給速度、材料厚度d、切口寬度b和平均激光功率pav，結合以上參數，激光束切割材料所需的最小掃描次數Nmin可通過能量估算得出。

隨著短脈沖激光源在提高可用平均功率方面的不斷進步，熱積累的研究中對于決定采用什么樣的工藝策略變得更加重要。

實驗裝置：激光器的最大平均輸出功率為1.1 kW，采用300 kHz的恒定脈沖重復率，相當于3.7 MJ的最大脈沖能量。激光以1 064 nm波長發射，光束質量系數M2＜1.4，脈沖持續時間約為8 ps。將快速掃描系統與焦距為340 mm的f-theta聚焦透鏡結合使用，在樣品的CFRP表面上提供30 m/s的激光束最大進給速度。光束在聚焦透鏡上的直徑約為5 mm，因此焦距約為125 μm。瑞利長度計算約為8.5 mm。在上述脈沖能量和脈沖持續時間下，入射強度為7.5×1012W/cm2，對工件的作用強度達60 J/cm2。

使用的CFRP樣品是一種單組分樹脂RTM 6基體的Toray T700S-12K碳纖維。碳纖維按方向排列成不同的層[0/90，-45+45，90/0，0/90，-45/+45，90/0]。碳纖維布中碳纖維的體積分數為50%。

通過在直徑為50 mm的圓形路徑上燒蝕樣品進行處理，在多道工序中獲得輪廓長度lcontour=157mm，對于該輪廓，連續掃描之間的時間間隔ΔtScans僅取決于進給速度，因為輪廓長度是恒定的，期間沒有實現暫停，也不需要定位時間。實驗中，平均激光功率、激光束的進給速度及其在工件上的掃描次數各不相同。對處理后的樣品進行切割和拋光，以獲得燒蝕槽的橫截面[14]。用光學顯微鏡分析每個樣品的兩個橫截面，以測量每組加工參數帶來的熱損傷。

用燒蝕法燒蝕的一系列樣品的橫截面平均激光功率為1.1 kW，激光束進給速度為30 m/s，如圖6（a）～（c）所示。在本系列中，工件上的激光束掃描次數從50次增加到200次。MEZ（基體蒸發區）可以與未受影響的CFRP明顯區分。僅在碳纖維垂直于凹槽方向的層中測量，因為這是熱影響區最大的區域（由于沿纖維軸的熱傳導較大）。如果第一層碳纖維沒有如圖6（a）、6（b）所示完全穿透，則僅在凹槽頂部50%處測量MEZ，樣品表面的基質層被排除在測量范圍之外。如圖6（a）～（c）所示，在每個凹槽的左側和右側測量多個MEZ值作為紅色虛線，并取其平均值。

圖6燒蝕法燒蝕的橫截面

圖7（a）所示為15次連續掃描后，在不同進給速度下，以1.1 kW的平均激光輸出功率燒蝕CFRP時產生的MEZ。在30 m/s的最大進給速度下，MEZ的橫向范圍小于10 μm，而在4.3 m/s的進給速度下，MEZ的范圍約為110 μm。從圖中可以看出，進給速度從30 m/s降低到20 m/s，施加的脈沖數NPluses從1.25增加到1.87，已經導致MEZ增加。MEZ的范圍由產生的溫度超過基體材料蒸發溫度的區域給出。為了限制脈沖積累效應的影響，應通過選擇一個高的饋送率來減少一個點施加的脈沖數，直至連續激光脈沖完全分離。

圖7 1.1 kW平均激光功率下MEZ與進給速度間的函數圖

從圖7（b）可以看出，較高的進給速度和較小的掃描次數可減小脈沖積累效應對MEZ的影響。掃描積累也是該過程中影響MEZ形成的一個重要因素，這種效應會導致基體材料的燃燒，從而引起巨大的熱損傷。實驗發現，掃描積累的特征值有臨界掃描次數，超過臨界掃描次數，MEZ的范圍開始迅速增加。MEZ和臨界掃描次數與進給速度和平均激光功率之間有較強的依賴性。

3 結束語

本文主要研究了皮秒激光在精密加工技術中的應用。玻璃加工過程中，加熱太快，很容易破裂或加工質量不符合要求，用皮秒激光加工玻璃就可以有效解決上述困難。CFRP精加工過程中存在的主要問題是熱積累效應。本文研究了脈沖積累和掃描積累引起的熱積累。結果表明通過選取合適的進給速度和掃描次數，可以避免脈沖積累帶來的有害熱積累，大大減少熱損傷。掃描積累效應的特征值有臨界掃描次數，超過臨界掃描次數，MEZ的范圍開始迅速增加。