PBT材料三維激光表面改性系統(tǒng)分析

王 萌，劉鐵根，趙瑪利，王 博，霍曉飛，許寶忠，張國順

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，光電信息技術科學教育部重點實驗室，天津 300072)

工程材料的選擇，需根據(jù)其設計要求考慮強度、韌性、脆性等指標，但該材料的表面性能，例如耐磨損性、抗腐蝕性、導電性等卻很難同時達到設計要求．表面改性的目的就是在不破壞材料本身內(nèi)部特性的前提下，通過某種加工手段獲得理想的表面性能．常用的表面改性技術有電鍍、擴散、濺射、離子注入、化學氣相沉積、電子束和激光束等[1-2]．其中，激光束表面改性技術由于其能量密度高、熱影響區(qū)小、工藝可控性強等優(yōu)點，近年來被越來越廣泛地采用．目前已經(jīng)成功應用在激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光沖擊硬化等方面[3-4]．

傳統(tǒng)的激光表面改性多應用于平面或軸，大部分都是利用機械結(jié)構或 XY振鏡的方式完成二維掃描，而對于三維曲面的改性相對研究較少[5-6]．但由于 Z軸的滾珠絲杠等機械傳統(tǒng)方式移動速度慢，加工時間長，而且由于機械結(jié)構的限制，很多復雜形狀往往難于加工[7-8]．筆者提出了一種完全通過光學變換的方法，使用動態(tài)聚焦鏡、振鏡與 f-θ 透鏡的組合，構建了高速三維掃描系統(tǒng)，用以完成三維表面改性實驗．為了體現(xiàn)激光改性的優(yōu)勢，其改性材料在選則上應該滿足機械強度高，剛度、熱穩(wěn)定性、絕緣性能良好，而且對1 064 nm波長的激光有很好的吸收，并且材料密度低，可通過激光照射后有效地形成凹坑密布的增附表面．聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)滿足實驗所需的各種要求，該材料是一種熱塑性聚酯，具有密度小、強度高、電絕緣性及隔熱性好、容易加工成型、高性價比等優(yōu)良特性，且該種材料目前有著廣泛的使用基礎，改性后具有很大的應用前景[9-11]．

1 激光改性系統(tǒng)光路設計

激光三維光學系統(tǒng)由 ND：YAG 半導體泵浦模塊、全反鏡、半反鏡、Q 開關、振鏡掃描系統(tǒng)、動態(tài)聚焦鏡和 f-θ,透鏡等組成，如圖 1所示．通過聲光調(diào)制的高峰值功率、準連續(xù)激光束經(jīng)過動態(tài)聚焦鏡調(diào)節(jié) Z軸，通過 XY掃描振鏡反射、f-θ,透鏡聚焦，最終匯聚到PBT材料表面．通過計算機控制Z軸動態(tài)聚焦鏡可以控制激光光束焦點在空間 Z方向上的一定范圍內(nèi)任意移動，通過控制二維掃描振鏡使激光焦點在改性材料表面的 X、Y軸方向上任意移動，二者配合就實現(xiàn)了空間任意曲面的掃描，f-θ,透鏡則起到了平場聚焦的作用[12-13]．

圖1 系統(tǒng)光路的組成Fig.1 Composition of system optical path

動態(tài)聚焦鏡是一組可通過計算機控制、時時改變焦距的光學系統(tǒng)，配合二維振鏡及 f-θ,透鏡，完成空間三維立體掃描．如圖 2所示，該系統(tǒng)是由一組正透鏡和一組負透鏡組合而成．平行的激光光束從負透鏡端入射，后發(fā)散，再通過正透鏡聚焦后出射，焦距的變化是通過2組透鏡相對位置的改變完成的，而這個改變的過程則是利用伺服電機帶動負透鏡在沿光軸方向上移動實現(xiàn)．

圖2 動態(tài)聚焦鏡原理Fig.2 Principle of dynamic focus lens

高斯光束經(jīng)透鏡1L變換后的束腰光斑大小10ω′和位置1l′的表達式分別為

式中：ω10為入射激光高斯光束的束腰半徑；l1為透鏡 L1與束腰處的距離；F1為透鏡 L1的焦距；λ為入射光波長．

一般情況下，l1＞＞F1時有

可以得到

高斯光束經(jīng)過透鏡2L變換后的腰斑大小20ω′和位置2l′變?yōu)?/p>

式中：ω20為入射透鏡 L2激光高斯光束的束腰半徑；l2為透鏡L2與束腰處的距離；F2為透鏡L2的焦距．

考慮到實際光路中的尺寸要求，因此研究 l2在0～120,mm的范圍內(nèi)l2′、ω2′0與l2變化關系．為了直觀地表現(xiàn) 3者之間的變化關系，使用 Matlab軟件繪制、ω2′0與l2關系曲線如圖3所示．

圖3 l2′、ω2′0與l2關系曲線Fig.3 Relation curves betweenl2′，ω2′0 and l2

由圖 3(a)可見，出射高斯光束束腰位置2l′與正負透鏡的間距2l的關系曲線為非線性曲線，束腰位置隨間距的增大而增大．值得關注的是根據(jù)計算，2l在70～120,mm之間斜率的變化最大處為 5.4%，而且束腰位置2l′隨間距2l的大小變化非常顯著，當2l變化10,mm，2l′變化約為10,mm，基本呈線性增長．

分析圖3(b)，可以得出高斯光束束腰大小ω2′0與正負透鏡的間距 l2的關系曲線也是非線性曲線，束腰大小隨間距的增大而減小．其中，l2在 60～120,mm之間的關系曲線近似為線性，束腰大小ω2′0隨間距l(xiāng)2的大小變化較為顯著，當間距 l2從 60,mm 變化到120,mm時，束腰大小ω2′0從4.2,mm變化到3.2,mm，ω2′0的變化會引起高斯光束功率密度的變化，從而造成表面改性厚度不均勻．因此，為了使束腰大小變化減小，應該盡量縮小 l2的變化范圍．考慮實際應用的要求，選定間距 l2在70～90,mm之間為工作范圍[14]．

綜上分析，可以通過調(diào)整正負透鏡的間距達到調(diào)整出射高斯光束光斑大小和光斑位置的目的，從而可以實現(xiàn)焦點的動態(tài)變化．

焦點處光斑直徑為

而離焦后的光斑大小為

式中：f為f-θ 透鏡的焦距；z為離焦距離．

激光束的直徑 Di為 2.7,mm，通過動態(tài)聚焦鏡后，激光擴束倍率為 2.8倍．代入公式可計算得到焦點處的光斑大小 Df≈0.01,mm．

實驗所用的YAG激光器功率為50,W．因此，平均功率密度為 6 .4×107W/cm2．當調(diào)制頻率為1,k Hz、占空比為 1%、聲光調(diào)制衍射效率為 70%時峰值功率密度為 4 .5×109W/cm2．

當激光焦點偏離改性平面時，光斑直徑將變大，功率密度會下降，從而引起表面改性效果和均勻性變差．通過計算，當沿改性表面偏離焦點 5,mm 時，功率密度下降近一半，達不到改性所需的能量閾值，失去表面改性效果．在三維加工中，引入動態(tài)聚焦鏡的目的是使激光的焦點可以沿光軸方向動態(tài)變化，保證光斑尺寸近似不變，從而保證功率密度恒定，加工的精度不變．

2 激光表面改性實驗

通過高頻高能脈沖光束對 PBT材料照射，使得表面形成均勻或可控分布的微坑，從而能在很短的時間內(nèi)達到改性的目的[15]．改性后 PBT表面產(chǎn)生很多空穴，表面吸附作用增強，當將它浸入含銅離子或鎳離子的溶液中時，銅離子或鎳離子就會被吸附、沉淀，再經(jīng)過敏化處理，塑料表面的空穴中就嵌入了對無電解鍍銅有催化作用的銅或鎳，最后通過無電解鍍銅或無電解鍍鎳就能在塑料表面形成一層均勻的能導電的無電解鍍銅層．

為了測定激光的調(diào)制參數(shù)對 PBT材料改性的影響，設計如下實驗方案：

激光調(diào)制頻率Q 在1,kHz、3,kHz、5,kHz、10,kHz中變化，占空比D在 1%、10%、50%中變化；并在掃描電子顯微鏡(SEM)下分別以200倍、500倍、3,000倍觀察改性前后的表面形貌，共得到45張表面形貌照片.

對占空比相同的3組照片進行分析，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)制頻率越高，脈沖密度增加，凹坑和空穴的深度和密度均增大，改性效果增強．但是如果調(diào)制頻率太高，如超過 30,kHz，激光的連續(xù)性顯著于脈沖性，改性效果會大幅下降．

對調(diào)制頻率相同的5組照片進行分析，可以發(fā)現(xiàn)占空比越小，單脈沖能量越大，凹坑和空穴的深度增大，改性效果越好，參考前期調(diào)制頻率和占空比對比實驗，占空比數(shù)值在 1%到 10%變化時，激光脈沖調(diào)制效果理想，脈沖分布緊湊，可以有效地增加表面附著力[16]．經(jīng)過對 45張實驗照片分析并篩選出如圖 4所示的4張照片．

圖4 不同參數(shù)激光照射后的PBT表面照片F(xiàn)ig.4 Pictures of PBT surface after laser radiation at different parameters

其中，200倍的照片選取的是激光照射塑料表面的邊緣部分，左邊平滑的部分是未經(jīng)激光照射的，右邊粗糙的部分是經(jīng)激光改性后的結(jié)果．由照片可以清晰地看出激光照射前后塑料表面形貌發(fā)生了顯著變化．

傳統(tǒng)化學粗化是將材料全部浸入到濃硫酸等溶液中進行腐蝕，從而達到表面多穴粗糙的效果，材料表面的凹坑、空穴數(shù)量約為 5.0×105孔/cm2．而通過對激光改性后樣品的電鏡照片進行圖像分析可計算出，激光表面改性后PBT材料表面的凹坑、空穴數(shù)量約為 6.0×105孔/cm2[17]．此外，相比于傳統(tǒng)化學粗化，激光表面改性還有兩大優(yōu)勢：一是速度快，目前該三維系統(tǒng)改性線速度可達 4,000,mm/s，加工一個500,mm2PBT材料僅需7,s的時間，而傳統(tǒng)化學粗化通常需要數(shù)小時的時間；此外，傳統(tǒng)化學粗化由于需要將材料全部浸入溶液，材料表面整體均被粗化，無法實現(xiàn)選擇性的化學電鍍，因此應用范圍受限，而激光改性過程中，激光束的照射由計算機精確控制，可以只對需要鍍銅或鍍鎳的部分進行照射并改性，隨后通過無電解鍍銅或鍍鎳工藝在塑料表面實現(xiàn)定制的導電鍍層，從而實現(xiàn)導體和絕緣體在PBT材料表面共存的狀態(tài)．圖 5為激光三維表面改性 PBT樣品照片，其中淺色部分為激光改性后區(qū)域．

圖5 激光三維改性后的PBT樣品照片F(xiàn)ig.5 Picture of PBT sample after 3D laser modification

3 結(jié) 語

針對三維高速激光束改性領域，提出了一種激光三維表面改性系統(tǒng)的設計方案，并對光學系統(tǒng)中的動態(tài)聚焦鏡技術進行了理論分析．通過此系統(tǒng)對 PBT表面進行改性，實驗結(jié)果通過電鏡分析，并與傳統(tǒng)化學粗化工藝做對比，得到了激光光束參數(shù)變化對改性結(jié)果影響的規(guī)律．實驗表明，激光光束調(diào)制頻率在3～5,kHz之間、占空比為 1%～10%時，PBT表面改性效果最佳．

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