光纖激光器可望成為金屬加工新技術(shù)

光纖激光器可望成為金屬加工新技術(shù)
     目前，在包括汽車、造船和醫(yī)學(xué)在內(nèi)的許多工業(yè)部門，都在用激光器對較厚的金屬板材進(jìn)行切割、鉆孔、焊接和表面處理，這樣的激光器一般都可從市場上買到。但是，有許多正在出現(xiàn)的應(yīng)用項目則要求采用很薄的金屬，要求激光以非常高的精度對其加工，加工后的邊界要非常干凈。近幾年來，已經(jīng)出現(xiàn)了一些用于激光微加工的激光新技術(shù)。這些激光器具有很好的模式質(zhì)量和極高的聚焦能力—這是實現(xiàn)特征尺寸小和邊緣干凈的二個重要條件。

    在這項研究中，我們采用了不同類型的低功率激光器，它們的輸出駁船為355nm、532 nm、1064 nm和1.085微米，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了比較。我們關(guān)注的重點是：要在各種不同厚度、不同材料的金屬中切割出復(fù)雜的形狀來。

激光的優(yōu)點

     雖然現(xiàn)在加工金屬有各種技術(shù)，但是，與激光相比，他們?nèi)即嬖谥恍┤秉c。 例如，你可以用EDM(電火花加工)技術(shù)來有效地加工金屬，但是，該技術(shù)限制了在工件上所能得到的最小特征尺寸。而且，電極越小，成本越高，比激光容易破裂。電極更替的速度越頻繁，增加的費用就越多。

   蝕刻技術(shù)也常常用來加工金屬,而且，在某些情況下，這些技術(shù)還可能比較經(jīng)濟(jì)的，但是，該技術(shù)也有一些重要的缺陷。首先, 蝕刻加工需要多個步驟,而激光加工一次就可完成。 其次，在蝕刻之后，人們必須對付腐蝕性的化學(xué)藥品和所產(chǎn)生的有毒廢料。最后，蝕刻圖樣的縱橫比限制在1:1附近，而且，即使在這情況下，還可能有很深的凹槽和契形邊界出現(xiàn)。另外，機械鉆孔或刻槽也受到限制，孔的直徑被限制在250微米左右；盡管，現(xiàn)在100微米的鉆孔機已經(jīng)可以從市場上買到了,但價格較貴，壽命較短。

    用激光來切割金屬，使之成為復(fù)雜的形狀和圖樣，優(yōu)點很多。 如可消除鉆頭破裂和工具磨損問題。還有,用激光加工，可獲得更小的孔徑和更小的特征尺寸。激光打孔還可在角形或彎曲表面上進(jìn)行，可在硬性和軟性材料上進(jìn)行。還有,可對激光加工進(jìn)行編程，如需在短期內(nèi)鉆或刻數(shù)千個孔的話，利用所編程序，可大大提高加工速度。

     在這項研究中，我們對一些難加工的金屬薄片進(jìn)行了評估，這些金屬包括銅 (Cu)、鈹銅(BeCu)、磷青銅(Pbronze)、鉬(Mo)、不銹鋼(SS)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈦(Ti)、回火鋼(TS)，以及鍍在硬或軟材料襯底上的銦/錫/氧化物金屬薄膜等。所有這些金屬在主要領(lǐng)域或特殊領(lǐng)域應(yīng)用時，都要求具有光滑的邊界和小的特征尺寸。非常薄的薄膜，極為重要。 現(xiàn)在，集成電路越來越小，越來越密，介質(zhì)和導(dǎo)體的厚度也越來越薄。最有趣的應(yīng)用之一是具有各種圖案的薄膜(通常僅有數(shù)百埃厚)導(dǎo)電材料，如Cu、Au、Ag和ITO。這些金屬在薄膜形式下呈現(xiàn)著有趣的特性，在與激光的相互作用方面，薄膜金屬與體材料金屬略有不同。例如, 剝離“厚”金屬(厚度超過1微米)所需要的能量密度約在幾到幾十J/cm2量級，而同樣的金屬在薄膜條件下，僅需要0.幾J/cm2，就可以把它們從襯底上剝離掉。這些薄膜用途極廣，如觸摸屏幕、平板顯示、飛機駕駛員座艙和醫(yī)療器械等。這里，我們提到的只是少數(shù)幾個，更多的應(yīng)用還在開發(fā)研究之中。

    在每種情況中，我們均使用低功率激光器(小于100瓦,在大部份情況下,要小得多)。因此,我們把金屬厚度限制在20密耳(500微米)以下。在這項研究中，我們采用的是：Coherent公司的Avia 355nm，3瓦激光器，Photonics Industries公司的532nm,7瓦激光器，和Spectra Physics公司的1064nm,3瓦激光器。我們沒有使用CO2激光器或準(zhǔn)分子激光器。因為，對于我們研究的多數(shù)金屬來說，CO2激光的反射比較嚴(yán)重；若采用準(zhǔn)分子激光器的話，這類加工設(shè)備的商品化速度，可能會太慢。

     我們還用1.085微米波長、100瓦光纖激光器進(jìn)行了一些實驗，并對有關(guān)結(jié)果進(jìn)行了討論。二極管泵浦固體激光器在短波長具有很好的光束質(zhì)量，能聚焦成20微米或更小的光斑。因為，這比我們在試驗中要研究的形體尺寸小得多，所以我們需要多次地打孔或刻槽。我們將DXF文件下載下來，并把它加到光學(xué)加工軟件中去，同時，也將激光參數(shù)加進(jìn)去。結(jié)果，一個包含所有加工信息的加工文件就保存下來了。在將來需要參考和使用時，便可去訪問它。有一點特別重要：所有附圖(一張除外)都是用放大40倍的立體照相鏡頭直接拍攝激光加工后不經(jīng)清洗的高分辨照片。因此，在這里所給出的圖，都應(yīng)該認(rèn)為是“最差”的情況。此外，所有的圖都是用檢流計掃描光束得到的，不需要任何輔助氣體。