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追求高质高速的短脉冲激光微加工

2013-10-25 09:38
汉水狂客
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  ——要想在机械加工中实施高成本效率的解决方案,高质高速的微加工是非常重要的。使用激光器进行微加工在近些年已经有了稳步发展,预计到2015年激光微加工市场将达到7.52亿美元。随着近年来激光技术的迅猛发展,纳秒紫外半导体泵浦固体激光器的单脉冲能量和脉冲重复频率(PRF)有了长足的进步。对于任何激光微加工应用来说,如果想要获得材料去除最大化以及热损伤最小化,那么有效利用激光器的能量是至关重要的。

  使用最优化的能量密度 (J/cm2)对于短脉冲激光器的材料去除尤为重要。与长脉冲相比,短脉冲将使得热渗透深度更小,这意味着更小的残留热影响区(HAZ),从而得以进行严格控制下的精密微加工。这也是为什么许多业内人士在其质量要求最严格的应用中使用纳米短脉冲半导体泵浦固体激光器的原因了。

  与此同时,加工商总是希望得到更快的加工速度,而尽管短脉冲可以进行快速的加工处理,但是如果工艺优化不合适,那么将会导致相对较少的材料烧蚀(因为加热深度较浅)。当仅仅简单地增加脉冲能量以获得更快的加工处理时,有可能会影响到短脉冲在加工质量方面的优势。所以,我们应该考虑到短脉冲的加热体积较小,因而烧蚀阈值更小,这意味着在实施材料去除的时候,对相同的辐照区域(例如焦点光斑尺寸)而言,更短的脉冲需求的输入能量更少。考虑到这一点,我们应该灵活考虑激光器和加工过程,以及可行的脉冲能量在空间和时间上的分布方式,来确保同时获得高质量和高加工速度。

  为实现更高的加工速度,最直接的做法是增加能量密度,尤其是在激光能量较高时,但是这是一种效率低下的方法,而且有可能会降低加工的质量。图1和图2的数据清楚地说明了这一点。图1显示,在氧化铝陶瓷上进行深度为30微米的激光划片时,不同的划片速度所需要的能量密度。试验使用了Spectra-Physics Pulseo系列355-20调Q半导体泵浦固体激光器,短脉冲宽度小于23ns。数据显示,能量密度增加为3倍,只能让划片速度提升为2倍。数据清楚地表明这是一种能量密度的能级过量的低效加工。图2(a)和图2(b)的显微照片显示了过度的加热以及随之而来的热效应将带来更多的材料烧蚀,因而更高的能量密度下,划片的宽度更大。

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