飛秒激光切割金屬的再掃描修復研究

飛秒激光切割金屬的再掃描修復研究

現(xiàn)代行業(yè)中的激光加工應用日益普遍，尤其是對金屬和其他材料進行精確的鉆孔和切割。加工方式主要分為定點沖擊和掃描加工2種形式:定點沖擊的主要應用為小孔加工,其主要研究目標是通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)以及其他條件減小孔徑,擴大深度和圓度,減少噴濺物和重鑄層及提高孔壁質(zhì)量1飛秒激光掃描銅箔實驗裝置如圖1所示。其中,飛秒激光器是美國光譜物理(SpectraPhysics)公司生產(chǎn)的摻鈦藍寶石固體飛秒激光放大器系統(tǒng),該激光器最大輸出功率為4W,脈沖寬度為120fs,重復頻率為1kHz,中心波長為800nm。激光從飛秒激光器發(fā)出后,通過圓形漸變?yōu)V光片調(diào)整激光能量,用焦距為50mm的透鏡聚焦,厚度為100μm的銅箔固定在X-Y-Z三維運動平臺上,X-Y-Z三維精密運動平臺由美國理波(NewportCorporation)公司生產(chǎn),其最小分辨率達5nm。飛秒激光掃描方案如圖2所示。由圖2可見:銅箔在1次掃描切割后,相對于聚焦光斑進給一段距離,然后進行再掃描加工。其中X方向提供激光切割掃描軌跡,Y方向控制聚焦光斑與銅箔的相對位置,Z方向提供進給深度。加工完成后,用掃描電子顯微鏡(捷克TESCAN公司,MIR3LMU)觀測銅箔斷面形貌,其最小分辨率為1.0nm,放大倍數(shù)為3.5~1000000,并使用光學表面輪廓儀(美國VEECO公司,WykoNT9100)測量表面粗糙度,其垂直縱向分辨率為0.1nm,光學橫向分辨率為400~600nm,測量倍數(shù)為2.5~200。文中表面粗糙度測量范圍均指截面正中部長×寬為64μm×48μm的區(qū)域。2結(jié)果與分析2.1配方的單脈沖能量對銅箔斷面表面粗糙度的影響當飛秒激光切割厚度為100μm的銅箔時,不同單脈沖能量對應的可單次切斷的最大速度及其表面粗糙度對應關系如圖3所示。由圖3可以看出:最大切斷速度隨著單脈沖能量的增加而增大,但由于激光重復脈沖頻率有限,速度的上升趨勢逐漸平緩。當單脈沖能量低于450μJ時,表面粗糙度隨著切割速度的增大而降低,此時切割速度對加工的影響占主導作用;當能量高于450μJ時,表面粗糙度隨著能量的增加而升高,此時由于切割速度提高緩慢,單脈沖能量對加工的影響占據(jù)主導作用。當單脈沖能量為450μJ時,最大切割速度為156μm/s,此時表面粗糙度最低,為694.64nm,表面輪廓儀測試結(jié)果見圖3。圖4所示為用掃描電鏡附帶的OxfordX-Max20能譜系統(tǒng)測試銅箔被加工斷面燒蝕區(qū)能譜。其中,激光源在斷面右側(cè),圖中標記點A處測得氧的質(zhì)量分數(shù)為2.60%,標記點B處測得的氧的質(zhì)量分數(shù)為4.65%。由圖4可知:燒蝕表面含有少量氧,證明高能量飛秒激光燒蝕金屬也存在少量的熱效應,且近光源處含氧量高于遠光源處,其原因是聚焦的激光在經(jīng)過材料吸收及散射后到達遠光源處時,能量降低,熱效應減弱。2.2表面粗糙度分析與虛弱激光再掃描工藝優(yōu)化2.2.1再掃描進給深度在飛秒激光加工金屬過程中,單脈沖能量和燒蝕時間對加工質(zhì)量和效率影響較大,能量越大,燒蝕時間越長,反應越劇烈,燒蝕質(zhì)量越差,但加工效率有一定提高。由于1次切斷的材料去除量較大,燒蝕反應較為劇烈,表面存在熱效應和顆粒氧化物,因此,表面質(zhì)量精度有限。使用弱激光再掃描表面修復的加工方法能夠有效地提高表面質(zhì)量。當飛秒激光再掃描時,相比第1次切斷加工,在垂直于切割面的方向設置1個小的進給深度,且調(diào)節(jié)再掃描激光單脈沖能量和掃描速度,以實現(xiàn)去除表面不規(guī)則顆粒氧化物的效果,并得出優(yōu)化的工藝參數(shù)。其中,本文再掃描工藝使用的銅箔均為1次切割后表面粗糙度為694nm的銅箔。激光加工進給深度直接影響激光與材料的作用量,對表面質(zhì)量影響很大,測試再掃描進給深度的優(yōu)化參數(shù)需要先選擇合適的加工條件。加工速度隨著能量增大而變快,但單脈沖能量從50μJ到500μJ提高了9倍,加工速度只從48μm/s到160μm/s提高約2.倍。而當速度相同時,單脈沖能量越大,加工質(zhì)量越差,因此,弱激光再掃描的實驗條件應在允許范圍內(nèi)降低加工能量。根據(jù)加工經(jīng)驗,能量低于100μJ將使金屬加工變得困難,因此,再掃描激光單脈沖能量設定為100μJ,平均掃描速度為100μm/s。根據(jù)實驗條件,通過光學聚焦理論的計算,得圖5所示的MATLAB模擬得到的單脈沖能量為100μJ時,飛秒激光聚焦后光斑在Y-Z截面上可加工區(qū)域的輪廓。由圖5可以看出:激光聚焦中心處光斑直徑約為20μm,在傳播方向的長度約為2700μm,且聚焦后能量呈高斯對稱分布。銅箔厚度僅為100μm,因此,很容易將銅箔置于激光聚焦中心位置進行掃描加工。由于聚焦中心光斑直徑約為20μm,因此,進給深度依次取5μm至40μm中的8個數(shù)據(jù)點較為合適,所對應的表面粗糙度變化曲線如圖6所示。由圖6可知:當進給深度低于20μm時,表面粗糙度為300nm左右,表面質(zhì)量與加工前的質(zhì)量相比有大幅提高,且與理論計算得到的聚焦中心光斑直徑相對應。當進給深度大于20μm時,表面粗糙度隨著進給深度提高大幅增加,這是由于進給深度大于光斑直徑,使再掃描去除的材料過厚,燒蝕不完全。當進給深度為10μm時,粗糙度最低,約為250nm,此時,進給深度與光斑半徑較接近,材料表面的激光能量密度較為合適。因此,再掃描進給深度取10μm較為適宜。2.2.2表面粗糙度m/s,k再掃描速度影響飛秒激光與材料的燒蝕時間,對加工質(zhì)量有很大影響。實驗條件如下:再掃描激光單脈沖能量為100μJ,進給深度為優(yōu)化值為10μm,掃描1次,掃描速度依次取20μm/s至300μm/s中的個數(shù)據(jù)點所對應的表面粗糙度,如圖7所示。由圖可知:當再掃描速度大于100μm/s時,表面粗糙度隨著掃描速度的增加而提高,這是由于速度的增加導致激光與被加工表面氧化物的燒蝕時間過短,表面顆粒未能完全去除,且激光脈沖間隔增加將導致相鄰脈沖之間未加工的區(qū)域增加;當二次掃描速度低于100μm/時,表面粗糙度隨著掃描速度的降低而小幅提高,這是由于燒蝕時間過長,造成微弱的過度燒蝕。速度為100μm/s左右粗糙度最低,約為220nm,因此,驗證得到再掃描速度較優(yōu)值為100μm/s。2.2.3各類變化曲線在飛秒激光加工中,單脈沖能量為非常重要的參數(shù),它能直接影響去除效率和加工精度。實驗條件如下:再掃描速度為優(yōu)化值100μm/s,進給深度為優(yōu)化值10μm,掃描1次,單脈沖能量依次取50μJ至400μ中的8個數(shù)據(jù)點所對應的表面粗糙度,其變化曲線如圖8所示。由圖8可知:隨著再掃描單脈沖能量的提高,表面粗糙度整體增大。這是由于燒蝕反應隨著能量升高而變劇烈,弱激光再掃描修復加工后,表面質(zhì)量比一次切斷表面質(zhì)量要高。且當單脈沖能量低于100μJ時,表面粗糙度不再隨著能量降低而降低,因為當單脈沖能量過低,達不到材料燒蝕閾值時,不能去除材料,起不到表面修復作用。當再掃描單脈沖能量為50~100μJ時,粗糙度最低,約為240nm,因此,驗證得到再掃描單脈沖能量較優(yōu),為50~100μJ。圖9所示為不同再掃描單脈沖能量對應的SEM像。從圖9可以看出:隨著能量降低,顆粒物減少,表面平整度越好;當單脈沖能量為100μJ時,雖然整體表面質(zhì)量最高,但左側(cè)小范圍出現(xiàn)褶皺,這是由于激光源在右側(cè),激光能量經(jīng)過表面的反射和吸收后,到達左側(cè)的激光能量較弱,未能有效加工。2.2.4粗糙度表面粗糙度nm再掃描次數(shù)是影響激光加工的重要工藝參數(shù),選擇已驗證的優(yōu)化參數(shù)如下:再掃描速度為100μm/s,進給深度為10μm,單脈沖能量為100μJ,并分別掃描3次和4次,測得的表面粗糙度分別為122.36nm和133.55nm,對應的表面燒蝕形貌如圖10所示。由圖10可見:再掃描多次能有效提高加工表面質(zhì)量,掃描4次與3次相比,掃描4次所得的金屬表面粗糙度出現(xiàn)飽和,表面質(zhì)量未繼續(xù)提高,往復次數(shù)過多反而增加燒蝕時間,降低加工效率。3弱激光再掃描表面粗糙度和表面質(zhì)量的確定1)隨著單脈沖能量和燒蝕時間增加,飛秒激光對金屬燒蝕的熱效應增強。飛秒激光單次切割金屬箔片,由于材料具有一定厚度,在一定的掃描速度下,所需單脈沖能量較大,燒蝕反應較為劇烈,被切斷表面存在顆粒氧化物,質(zhì)量較差,實驗中當單脈沖能量為450μJ時,厚度為100μm銅箔的最大單次切斷速度約為156μm/s,此時獲得的表面質(zhì)量最高,測得表面粗糙度為694nm。2)弱激光再掃描的改進加工方式能