水輔助激光無(wú)重鑄層鉆孔Al2O3陶瓷實(shí)驗(yàn)研究

周 翔，段 軍，陳 航，張 菲，白克強(qiáng)，韓小花

(華中科技大學(xué) 武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

引 言

Al2O3陶瓷是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料之一，在生物、電子等領(lǐng)域已成為不可或缺的材料[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械加工、電火花加工和超聲波加工Al2O3陶瓷等方法，都存在無(wú)法鉆微小孔、鉆孔效率低和工件磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[2]。自從激光器誕生以來(lái)，激光的種類(lèi)和利用激光進(jìn)行材料加工已經(jīng)獲得蓬勃發(fā)展[3]。激光應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到各種金屬和非金屬板材的加工，解決了許多傳統(tǒng)切削加工無(wú)法解決的問(wèn)題[4]。微孔激光加工技術(shù)是激光加工技術(shù)的一個(gè)新興和重要領(lǐng)域，隨著科技和社會(huì)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，一方面給激光鉆孔提出了各種各樣更高的要求；另一方面技術(shù)的進(jìn)步和先進(jìn)設(shè)備的出現(xiàn)也使得高效率、高質(zhì)量鉆孔成為可能[5]。目前微孔加工領(lǐng)域主要存在的問(wèn)題是：在加工微孔過(guò)程中，不僅要使材料易于加工，還應(yīng)努力提高微孔的鉆孔質(zhì)量，減少微孔錐度和消除重鑄層、微裂紋等問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼采用不活潑氣體輔助激光加工[6-7]、激光鉆孔樣品化學(xué)再腐蝕[8-9]和超短脈沖激光加工[10-11]等手段來(lái)去除重鑄層，但效果均不完美，未能完全消除重鑄層，主要原因在于上述手段不能完全避免熱效應(yīng)的存在，依然有熔融物重新附著于原材料表面。而水輔助激光鉆孔由于激光誘導(dǎo)液體空化作用、水的冷卻作用和水的流動(dòng)作用能夠在一定程度上降低光熱效應(yīng)和抑制去蝕材料的二次黏附。曾經(jīng)有學(xué)者[12-13]在納秒、毫秒等激光器下利用水輔助激光切割陶瓷，雖未能完全消除熱效應(yīng)和重鑄層，但加工質(zhì)量明顯優(yōu)于空氣中激光加工。

本文中在前人的基礎(chǔ)上采用水輔助超短脈沖激光對(duì)Al2O3陶瓷進(jìn)行鉆微孔研究，對(duì)比水和空氣介質(zhì)中鉆孔的直徑、微孔錐度和重鑄層厚度等質(zhì)量效果，研究水輔助激光鉆孔的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和研究?jī)?nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用Al2O3陶瓷3維尺寸為28mm×21mm×625μm，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.96，能帶寬度約為9.1eV，常用物理性能見(jiàn)表1。

Table 1 Physical parameters of soda-lime glass

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用的激光加工設(shè)備為多功能皮秒激光微加工系統(tǒng)，主要由多波段全固態(tài)皮秒激光器、微加工光路系統(tǒng)、精密機(jī)械系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。激光器是德國(guó)Edgewave公司生產(chǎn)的Nd∶YVO4皮秒激光器，輸出波長(zhǎng)1064nm，光束質(zhì)量因子M2≤1.3。激光輸出平均功率為0W～80W，脈沖寬度10ps，脈沖重復(fù)頻率為200kHz～20MHz，出口光斑直徑3.0mm，經(jīng)透鏡聚焦后的焦點(diǎn)光斑直徑約為20.0μm。使用振鏡掃描配合加工平臺(tái)X-Y-Z 3維運(yùn)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)70mm×70mm范圍內(nèi)任意復(fù)雜圖形快速加工，最高掃描速度為9600mm/s。加工系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of micro-machining system by picosecond laser

1.3 研究?jī)?nèi)容

實(shí)驗(yàn)研究激光主要參量(單脈沖能量和掃描次數(shù))對(duì)微孔直徑、錐度和重鑄層厚度影響規(guī)律以及皮秒激光在不同介質(zhì)中與Al2O3陶瓷的作用機(jī)理。鉆微孔目標(biāo)直徑D=200μm，鉆孔方式采取單層多次同心圓填充旋切鉆孔法，填充間距固定為10μm。激光聚焦平面位于Al2O3陶瓷表面上，焦點(diǎn)處有效光斑中心位于同心圓上。在空氣介質(zhì)中加工只需將Al2O3陶瓷樣品放在加工平臺(tái)上直接按設(shè)定參量進(jìn)行加工，而水輔助激光鉆孔則需要支撐和固定裝置將Al2O3陶瓷固定于水下。

微孔錐度是陶瓷微孔在材料厚度方向上的傾角θ，如圖2所示。錐度T計(jì)算公式如下：

(1)

式中，θ為傾角，單位是°；Dent和Dext分別為正、反面孔徑，單位均是μm；t為Al2O3陶瓷厚度，單位是μm。

Fig.2 Test method for micro taper

重鑄層主要由于材料熔化重新冷卻固化在內(nèi)壁上，如圖3所示。計(jì)算公式如下：

(2)

Fig.3 Measurement method of recast-layer thickness

式中，ζHAZ是重鑄層厚度，單位是μm；DHAZ是包括重鑄層在內(nèi)微孔直徑，單位是μm；D0是材料完全去除時(shí)微孔直徑，單位是μm。

2 激光與水的相互作用

激光束在水中傳輸時(shí)，水對(duì)激光的吸收作用與散射作用同時(shí)存在。激光束能量的衰減主要是純凈水與水中雜質(zhì)對(duì)激光的吸收引起，對(duì)激光束的擴(kuò)散影響不大。激光在純凈水中的傳輸特性如圖4所示。在水輔助激光鉆孔過(guò)程中，水能夠吸收一部分激光能量并降低加工效率。水吸收的激光能量可以由Beer-Lambert定律[14]計(jì)算得到，如下式所示：

(3)

式中，I0(λ)是入射前激光初始輻照度；Ix(λ)是在液體中傳輸路程為x后的激光輻照度；L是激光在水中的吸收長(zhǎng)度，即激光被完全吸收穿過(guò)的溶液長(zhǎng)度。

Fig.4 Relationship between absorption and wavelength in pure water

因此可以很容易看出,波長(zhǎng)λ=1064nm激光對(duì)應(yīng)純凈水吸收長(zhǎng)度L≈15mm。水深h=1mm時(shí)，吸收率δ≈h/L=6.7%；水深h=2mm時(shí),吸收率δ≈13.3%。而散射作用主要使激光束擴(kuò)散、光斑變大，對(duì)激光束能量衰減影響較弱。深度為x處的激光光斑大小S計(jì)算公式[15]如下：

S(x)=S0exp(ρ〈σs〉x)(4)

式中，ρ〈σs〉是水質(zhì)參量，S0是初始光斑直徑，σs是平均散射截面。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文中對(duì)空氣和水不同介質(zhì)中激光加工參量對(duì)陶瓷微孔的錐度和密封性影響規(guī)律進(jìn)行了研究，主要的研究參量是激光單脈沖能量和掃描次數(shù)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的參量變化范圍如下：激光單脈沖能量為75.0μJ～150.0μJ；空氣介質(zhì)中的掃描次數(shù)為50次～200次；水介質(zhì)中的掃描次數(shù)為400次～1000次。脈沖重復(fù)頻率恒定為200kHz；掃描速率恒定為200mm/s；水輔助時(shí)陶瓷表面離水面深度為2mm。微孔直徑和錐度的數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

Fig.5 Effect of laser parameters on hole diameter and taper of alumina ceramics

a—hole diameter in air b—hole diameter in water c—taper in air d—taper in water

圖6中是皮秒激光分別在空氣和水介質(zhì)中對(duì)陶瓷鉆微孔樣品的光學(xué)顯微鏡剖面微觀形貌圖。圖6a～圖6d是在空氣介質(zhì)中激光單脈沖能量范圍在75μJ～150μJ，增量為25μJ，掃描次數(shù)50次所獲得的微孔，在微孔頂部有明顯的熱影響區(qū)，存在較大的錐度。圖6e～圖6h是水介質(zhì)中激光單脈沖能量范圍在75μJ～150μJ，增量為25μJ，掃描次數(shù)600次所獲得的微孔。隨著單脈沖能量的增加，水輔助鉆孔的孔型逐漸向圓柱狀轉(zhuǎn)變，錐度明顯小于空氣中激光鉆孔，并且空氣中激光鉆孔在微孔頂部有明顯的熱影響區(qū)，水輔助激光鉆孔則沒(méi)出現(xiàn)熱影響區(qū)，內(nèi)壁顏色與陶瓷原表面相同。

Fig.6 Micrograph of holea～d—drilling in air e～h—drilling in water

空氣介質(zhì)中皮秒激光鉆孔內(nèi)壁重鑄層厚度變化范圍為3.5μm～8.0μm，重鑄層厚度隨著單脈沖能量和掃描次數(shù)增加而增加，在單脈沖能量為75μJ和掃描次數(shù)為50次時(shí)重鑄層厚度為3.5μm。圖7是掃描電鏡分別對(duì)空氣和水介質(zhì)中的激光鉆孔樣品進(jìn)行微觀形貌觀察。所選用的激光參量如下：激光單脈沖能量為100μJ，空氣介質(zhì)中掃描次數(shù)為50次，水介質(zhì)中掃描次數(shù)為600次。在空氣介質(zhì)中激光鉆的微孔可以明顯地發(fā)現(xiàn),孔內(nèi)壁表面附著一層細(xì)小顆粒，即為在激光鉆孔過(guò)程中熔融物重新凝結(jié)而形成的重鑄層，顆粒細(xì)小，與陶瓷原表面相比重鑄層有泛白傾向，但無(wú)微裂紋產(chǎn)生，如圖7a和圖7b所示。

Fig.7 Scanning electron microscope picture of the drilled samplea,b—in air c,d—in water

水介質(zhì)中皮秒激光鉆孔在低單脈沖能量和低掃描次數(shù)下，微孔表面無(wú)重鑄層、微裂紋和發(fā)黑變質(zhì)區(qū)，孔壁清潔度高、無(wú)激光燒蝕痕跡，如圖7c和圖7d所示。在水介質(zhì)中進(jìn)行激光鉆孔加工時(shí)，由于水的比熱容遠(yuǎn)大于陶瓷材料，因此水的冷卻作用使得陶瓷材料表面溫度很難達(dá)到其熔點(diǎn)，陶瓷難以發(fā)生相變，因此無(wú)發(fā)黑變質(zhì)和微裂紋現(xiàn)象。水輔助激光鉆孔參量與重鑄層厚度關(guān)系為：當(dāng)單脈沖能量Q≤100μJ時(shí)，在掃描次數(shù)為400次～1000次范圍內(nèi)無(wú)重鑄層產(chǎn)生；當(dāng)單脈沖能量Q=125μJ時(shí)，在掃描次數(shù)為，在掃描次數(shù)為800次～1000次范圍內(nèi)出現(xiàn)重鑄層，最大厚度為0.82μm；當(dāng)單脈沖能量Q=150μJ，在掃描次數(shù)為600次～1000次范圍內(nèi)出現(xiàn)重鑄層，最大厚度為1.15μm。

水輔助激光鉆孔過(guò)程中，主要存在水的冷卻作用、空泡作用和運(yùn)輸作用。水的高比熱容能夠傳遞和吸收激光能量，能夠初步降低熱影響區(qū)和減少重鑄層。空泡作用是皮秒激光加工時(shí)由于超高的峰值功率密度，超過(guò)物質(zhì)擊穿閾值產(chǎn)生液體空化，形成大量空泡，潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波使熔融物能與基體脫離。同時(shí)水的存在會(huì)阻礙熔融物無(wú)法二次黏附在基體表面，同時(shí)微孔內(nèi)外壓強(qiáng)差，使得水不斷流動(dòng)將殘?jiān)统鎏沾煽淄?，從而降低微孔錐度和去除重鑄層。

4 結(jié) 論

本文中采用水輔助脈寬10ps的激光加工系統(tǒng)和同心圓填充旋切鉆孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Al2O3陶瓷無(wú)重鑄層激光鉆孔，并對(duì)微孔的孔徑、錐度、重鑄層厚度和微觀形貌觀察。

(1)水輔助激光鉆孔時(shí)，孔徑、錐度和重鑄層厚度隨激光參量的變化規(guī)律與空氣中直接鉆孔的變化趨勢(shì)基本一致，但水輔助鉆孔的孔徑比空氣中鉆孔大，錐度和重鑄層厚度比空氣中鉆孔小，在低單脈沖能量和低掃描速度下，能夠?qū)崿F(xiàn)完全無(wú)重鑄層。

(2)水輔助激光鉆孔時(shí)，孔徑的擴(kuò)大主要是由于水對(duì)激光束的散射作用引起的。本文中激光光斑直徑因水中懸浮物擴(kuò)大約為35μm，增大率約為75%，對(duì)應(yīng)的水質(zhì)參量約為0.28。

(3)水輔助激光鉆孔在合適的參量能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)重鑄層，小錐度高質(zhì)量鉆孔，具體參量是：脈沖重復(fù)頻率200kHz，單脈沖能量125μJ和掃描次數(shù)600次，能夠?qū)崿F(xiàn)錐度為1.04°無(wú)重鑄層激光鉆孔。

(4)水輔助激光鉆孔時(shí)，由于水的冷卻作用使得陶瓷表面溫度難以達(dá)到其熔點(diǎn)，表面基本看不到激光鉆孔痕跡。皮秒激光鉆孔過(guò)程中由于具有高功率密度激光，會(huì)引起液體空化現(xiàn)象，空泡潰滅對(duì)孔壁產(chǎn)生強(qiáng)沖擊作用，使得重鑄層脫離基體，并且通過(guò)水的流動(dòng)作用將懸浮物運(yùn)出微孔內(nèi)部，從而徹底實(shí)現(xiàn)無(wú)重鑄層鉆孔。

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