張衛(wèi)剛,李媛媛,董新飛,王 鵬,閆文娟
(1.西部金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710201;2.西安天力金屬復(fù)合材料有限公司,陜西 西安 710201)
根據(jù)輸出方式的不同,可將激光器分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。其中:連續(xù)激光器,可以在較長一段時間內(nèi)連續(xù)輸出激光,工作穩(wěn)定、熱效應(yīng)高,其輸出激光在穩(wěn)定運行時的任何時刻都保持連續(xù)不中斷。其一般用于金屬材料的連續(xù)高速切割、焊接,以及表面熱處理、激光熔敷等宏觀加工。脈沖激光器,是將激光以脈沖形式,按照一定的頻率、幅度、波形被調(diào)制后呈現(xiàn)周期性輸出,每一個光脈沖周期內(nèi)的最高功率即為脈沖光纖激光器的峰值輸出功率。以脈沖形式輸出激光,主要特點是峰值功率高、熱效應(yīng)小。特別適合于高精度打標、精密焊接、精密切割等微觀領(lǐng)域加工。激光峰值功率等于脈沖能量除以脈沖持續(xù)時間(即脈寬)。單脈沖能量一般比較固定,為了獲得高的峰值功率,主要是通過降低脈寬,即脈沖持續(xù)時間。因此,根據(jù)脈沖時間的差異,根據(jù)脈沖時間的差異,脈沖激光器分為納秒激光器、皮秒激光器、飛秒激光器乃至阿秒激光器。具體如表1所示。
表1 激光器的脈沖寬度量級
一般地,我們把脈沖寬度在納秒量級的稱為長脈沖激光,而把脈沖寬度在皮秒甚至飛秒量級的稱為超快激光。兩者的原理對比如圖1所示。其中:長脈沖激光是利用激光能量的熱堆積,使作用區(qū)域材料熔化乃至揮發(fā),過程中會產(chǎn)生大量的飛濺物與微裂紋,且激光持續(xù)時間越長,熱影響區(qū)越大。超快激光則是一種超短的脈沖激光,具有極短的作用時間和超高的峰值功率等特性,隨著脈沖能量急劇上升,高功率密度可以在極短的時間內(nèi)向材料注入巨大的能量,足以剝離外層電子,從而直接打斷材料分子鍵,使作用區(qū)域的材料瞬間電離,而且由于激光與材料相互作用的時間很短,離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了,不會給周圍的材料帶來熱影響,也不會出現(xiàn)加工面的熔融、裂縫現(xiàn)象,可以實現(xiàn)非熱熔性的“冷加工”,而且由于其具有高精度、高質(zhì)量、高分辨率的特性,因此,超快激光加工已經(jīng)成為各領(lǐng)域極端制造的最佳手段之一。
圖1 長脈沖激光和超快激光的加工原理對比圖
超快激光中,對材料能夠干凈地實現(xiàn)切割加工,并且不破壞周圍區(qū)域或形成粗糙的邊緣,主要用于精密加工。加工的材料包括玻璃、藍寶石、熱敏材料等。應(yīng)用的行業(yè)包括OLED、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)等精密行業(yè)。其中,飛秒的時間為10-15秒,脈沖時間很短,因此,飛秒激光也是目前工業(yè)精密加工領(lǐng)域最先進的激光技術(shù)。而阿秒的時間為10-18秒,脈沖時間極其短,2017年,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的托馬斯教授團隊將阿秒激光的脈沖時間縮短到了43阿秒,代表著目前這一領(lǐng)域的世界最高水平。由于阿秒激光的潛在應(yīng)用價值極其巨大,已被美國、歐洲、日本等列為未來10年激光科學(xué)發(fā)展最重要的發(fā)展方向之一,但目前阿秒激光主要還是應(yīng)用在前沿物理等科學(xué)研究領(lǐng)域。
當前,國外超快激光器公司發(fā)展呈現(xiàn)兩個格局:一是擁有自己的核心技術(shù),然后被激光行業(yè)的龍頭企業(yè)收購,投入大企業(yè)的懷抱;二是自身獨立發(fā)展。目前被大企業(yè)收購成為主流,主要在于超快激光企業(yè)一般都屬于初創(chuàng)企業(yè),規(guī)模不大,但激光行業(yè)龍頭企業(yè)關(guān)注到超快激光較快的增長和市場潛力,紛紛通過并購進入到超快激光行業(yè)。國內(nèi)的超快激光器目前處于發(fā)展初期,但是也誕生出了華日激光、貝林激光、安揚激光、中科微精等優(yōu)秀企業(yè)。如表2所示。從產(chǎn)品的布局來看,目前大部分企業(yè)都已經(jīng)具備皮秒激光的量產(chǎn)能力,逐漸提升皮秒激光器的功率,目前最高功率達到50W。飛秒激光器目前主要為國外廠家為主,特別是紫外飛秒激光器基本上處于被國外企業(yè)壟斷的局面,當然,國內(nèi)部分企業(yè)在紫外飛秒激光器研制方面取得了一定突破。
表2 國內(nèi)典型激光器企業(yè)
鎢是熔點最高的難熔金屬材料,具有耐高溫、高密度、高強度、防射線屏蔽等優(yōu)異功能,在航空、核電、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但也正由于鎢的熔點高、強度大,因此其加工難度也比較大,尤其是在很多高端儀器設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域,需要對鎢材進行微米級別的精密切割和打孔實驗。本文嘗試利用國內(nèi)領(lǐng)先的激光技術(shù)對鎢薄片材進行激光打孔實驗。本文使用國內(nèi)激光器領(lǐng)先企業(yè)武漢華日精密激光股份有限公司的測試平臺,所使用的試樣為西安瑞福萊鎢鉬有限公司生產(chǎn)的0.1mm高品質(zhì)純鎢薄片,如圖2所示。經(jīng)過反復(fù)嘗試優(yōu)化,我們最終優(yōu)化的激光參數(shù)為:波長為532nm,功率為1.73w,脈沖寬度為300飛秒,耗時0.13秒/孔。
圖2 西安瑞福萊鎢鉬有限公司0.1mm厚純鎢薄片
圖3 激光入口側(cè)直徑為16.6um±0.6um
圖4 激光出口側(cè)直徑為8.9um±0.6um
實驗結(jié)果顯示,利用飛秒激光器能夠?qū)︽u板材進行精密切割加工,且加工精度良好,激光加工的孔形較圓,正面孔的直徑為16.6um±0.6um,背面孔的直徑為8.9um±0.6um,上下面的錐度為8.4%。如圖3、圖4所示。