水射流導(dǎo)向激光技術(shù)①

談耀麟編譯

(中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

激光最常應(yīng)用的技術(shù)之一是激光加工。對(duì)于熔點(diǎn)高、硬度大、性質(zhì)脆的材料采用激光加工有其優(yōu)越性。它是利用能量密度極高的激光束照射到工件上,使材料瞬間熔化或汽化,同時(shí)在沖擊波的作用下將熔融材料微粒吹開,從而對(duì)工件進(jìn)行切割、鉆孔等加工作業(yè)。這種傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)因?yàn)橛袑?duì)工件的切割面周圍產(chǎn)生熱損傷及與熔屑微粒沾污問題,所以在堅(jiān)硬材料和金屬薄片精密微加工中的應(yīng)用受到限制。1993年,瑞士科學(xué)家Beruold Richerghagen在《應(yīng)用物理》雜志上首先提出了水射流導(dǎo)向激光技術(shù)(water jet-guided laser technology),亦稱水導(dǎo)激光技術(shù)或微水刀激光技術(shù)(Laser Mierojet,LMJ),嗣后瑞士Synova公司B.carron等人與美國(guó)Synova公司A.Schreiner共同在2011年“國(guó)際科技大會(huì)”(Jntertech 2011 Conference)上發(fā)表論文：《水射流導(dǎo)向激光技術(shù)切割堅(jiān)硬材料》(Hard material cuting using water jet-guided laser technology),介紹了水導(dǎo)激光技術(shù)對(duì)不同堅(jiān)硬材料的切割加工。目前,水導(dǎo)激光技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門包括半導(dǎo)體、太陽能、電子、醫(yī)學(xué)、刀具加工、超硬材料加工、高亮度發(fā)光二極管、鐘表以及汽車工業(yè),等等。

1 水導(dǎo)激光原理

水導(dǎo)激光的基本原理是把大功率脈沖激光束結(jié)合到水射流之中,如圖1所示。大功率激光器的激光束通過光纖電纜傳輸?shù)焦舛阮^上,由此通過透冒(透窗)聚焦到置于扁形的水腔底部的噴嘴。與此同時(shí)把純凈的去離子脫氧過濾水以5至60MPa壓力注入水箱內(nèi)。水壓大小取決于噴嘴直徑,較大的噴嘴直徑只需較低的水壓。噴嘴直徑一般為20至150μm。從噴嘴射出的柱狀水射流借助水與空氣之間的界面上的完全內(nèi)反射給激光導(dǎo)向。激光束照射到工件上對(duì)工件材料以熔融和汽化方式起燒蝕作用。

圖1 水導(dǎo)激光原理

2 激光源

水導(dǎo)激光技術(shù)采用的激光源為1064波長(zhǎng)以脈沖或光量開關(guān)工作的各種摻釹釔鋁石榴石激光器(Nd：YAG(aser)。此外,閃光泵浦激光器和二極管泵浦紅外激光器也都用過。近些年來新型激光器如圓盤激光器和光纖激光器已成功得到推廣應(yīng)用。以1064nm上下波長(zhǎng)工作的紅外激光器則是微加工薄金屬片的首選激光器,因?yàn)樗鸬臒嵊绊憛^(qū)較小。

以532nm和515nm波長(zhǎng)工作的倍頻光量開關(guān)二極管泵浦固體激光器(Frequency-doabled Q-switched DPSS)和圓盤激光器由于它們與水吸收光譜有極好的兼容性已成為所有其它水導(dǎo)激光技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)激光源。對(duì)激光波長(zhǎng)的唯一限制在于它必須與水傳輸光譜兼容,在光譜的綠區(qū)中顯示為最小。在波長(zhǎng)為532nm上下,水射流中的吸收系數(shù)α為最低(α=4E-4cm-1)。在波長(zhǎng)為1064nm上下,吸收系數(shù)約大500倍(α=0.2cm-1),波長(zhǎng)為532nm時(shí),在2.5cm長(zhǎng)的水射流內(nèi)光傳輸高達(dá)99.9%。波長(zhǎng)為1064nm時(shí),則達(dá)到60%。也就是說在波長(zhǎng)532nm時(shí),光吸收可忽略不計(jì)。在波長(zhǎng)為1064nm時(shí),光在水中的吸收不是問題,只要平均功率保持在大約200W以下即可。

3 水導(dǎo)激光技術(shù)的特點(diǎn)

水導(dǎo)激光技術(shù)的性能異于傳統(tǒng)的無水導(dǎo)激光。首先,由于水射流是圓柱狀的,而且被導(dǎo)向的激光束是平行的,因此切割面是高度平行的,不產(chǎn)生坡度。工作距離(與水射流的穩(wěn)定長(zhǎng)度一致)可以是若干厘米長(zhǎng),取決于噴嘴的直徑。使用最大的噴嘴直徑時(shí)工作距離可超過10厘米。這樣長(zhǎng)的工作距離不需要昂貴的聚焦控制光學(xué)器件。其二,水導(dǎo)激光防止了對(duì)材料的熱損傷。因?yàn)樵诩す饷}沖之間,切割邊緣得到冷卻。其三,污染物大為減少,因?yàn)樗淞鳟a(chǎn)生很大功能,有效地去除激光燒蝕作用產(chǎn)生的熔融物。在切割薄片的過程中由于有一層薄水膜覆蓋在薄片表面上而避免了顆粒物沉積的沾污。已經(jīng)被水射流冷卻的顆粒物不會(huì)粘附在薄片表面。水射流作用在薄片上的機(jī)械力可忽略(＜0.1N),因?yàn)樯淞髦睆胶苄?而且水壓不高。這種切割過程不會(huì)產(chǎn)生碎屑或微裂紋。相比之下,傳統(tǒng)激光切割中用的輔助氣體射流施加的力約為1N,比水導(dǎo)激光的大10倍。水導(dǎo)激光技術(shù)消耗的水很少,平均約為1.5升/小時(shí)。

4 水導(dǎo)激光技術(shù)應(yīng)用舉例

4.1 低溫共燒陶瓷的切割加工

低溫共燒陶瓷(LTCC)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且微密的生瓷帶,用作電路基板材料,與多層基板技術(shù)相比有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),用于制作新一代移動(dòng)通信中的表面組裝型元器件具有很大優(yōu)越性。

用水導(dǎo)激光技術(shù)加工低溫共燒陶瓷可達(dá)到極小的碎屑,而且熱影響區(qū)(HAZ)小于10μm。通常切縫為50μm,精度在3標(biāo)準(zhǔn)差為+/-20μm。使用的是功率50W,波長(zhǎng)532nm的綠光Nd：YAG激光器,頻率為15k Hz。與CO2激光器相比,水導(dǎo)激光技術(shù)加工不產(chǎn)生微裂紋,因而可用于較小尺寸基板的加工以及較嚴(yán)格的鉆孔排列方式。由于現(xiàn)有CO2激光器和光纖激光器的應(yīng)用局限性在于其熱影響區(qū)范圍大從而加速促進(jìn)了水導(dǎo)激光技術(shù)的推廣應(yīng)用。

4.2 微形簧片的加工

微形簧片廣泛用于電子、電器等工業(yè)與民用產(chǎn)品。用水導(dǎo)激光技術(shù)可以從150μm厚的退火不銹鋼片上切制微形簧片,如圖2所示。

圖2 微形不銹鋼簧片

采用的是光量開關(guān)Nd：YAG二極管泵浦固體激光器與水射流相結(jié)合。激光器工作波長(zhǎng)為1064nm,激光重復(fù)率為0.5k Hz,脈寬為60μs,平均功率為5.5 W。水射流用的噴嘴直徑為40μm,水壓力40MPa。單個(gè)工序的加工速度為3mm/s。從圖2可看出簧片結(jié)構(gòu)十分對(duì)稱,片寬只有40μm。加工后無需進(jìn)行潔凈處理。簧片內(nèi)的殘余應(yīng)力引起的扭曲問題可通過改進(jìn)切割工藝措施來解決。

4.3 鈹銅合金片的切割

鈹銅合金片具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率等特性,是制造微電機(jī)電刷、手機(jī)、微形開關(guān)、控溫器以及各種電器接插件的重要材料。用水導(dǎo)激光技術(shù)可實(shí)行100μm厚鈹銅合金片的切割。采用的是以532μm波長(zhǎng)工作的光量開關(guān)倍頻Nd：YAG二極管泵浦固體激光器與水射流相結(jié)合。水射流噴嘴直徑為40μm,水射流直徑為36μm,水壓為40MPa。激光重復(fù)率為8k Hz,平均功率為20W。單工序速度為1mm/s,足以切割這種鈹銅合金片。

圖3 鈹銅合金片切割效果

圖3所示為100μm厚鈹銅合金片上切割出的復(fù)雜形狀元件,不產(chǎn)生熱影響區(qū),也無毛刺。

4.4 聚晶金剛石插入式刀頭的加工

聚晶金剛石刀具具有使用壽命長(zhǎng),加工的工件表面質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車等工業(yè)。水導(dǎo)激光技術(shù)加工聚晶金剛石(PCD)的質(zhì)量?jī)?yōu)于用傳統(tǒng)的光學(xué)激光裝置。傳統(tǒng)激光裝置加工聚晶金剛石插入式刀頭時(shí),噴濺到刀頭上的殘屑會(huì)引起嚴(yán)重的熱應(yīng)力,而且加工的刀形和尺寸有限。水導(dǎo)激光加工時(shí)的切縫只有30至40μm,因而加工后所需的后續(xù)加工量較少,在某些情況下可完全不用后續(xù)加工。

4.5 立方氮化硼的切割

立方氮化硼(cBN)刀具可車削硬度大于45～55 HRC的淬硬鋼或銑削灰口鑄鐵等。在刀具制造中為了提高刀具的使用壽命,立方氮化硼的應(yīng)用已得到廣泛的認(rèn)可。水導(dǎo)激光技術(shù)能夠以20～50mm/s的速率高質(zhì)量切割立方氮化硼。

4.6 燃油噴射器的加工

燃油噴射器是用來引導(dǎo)并優(yōu)化燃油流入燃燒室的裝置。燃油在高壓下通過噴嘴壓出成為霧狀,當(dāng)燃油噴霧混合了適當(dāng)比例進(jìn)入的空氣,則燃燒過程近乎完全,能產(chǎn)生很高的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率。一般根據(jù)所需的燃油流量流速和流出壓力來選擇燃油噴嘴的直徑和深度,其直徑通常為180～260μm,厚度為120～220μm,公差±2μm,要求很高的加工精度。其工作環(huán)境要求采用堅(jiān)硬的材料來制作,要具有極高的耐磨性和耐腐蝕性,例如不銹鋼、高鉻馬氏體不銹鋼或AISI 440C等。用水導(dǎo)激光技術(shù)在不同材料樣塊上進(jìn)行一系列不同直徑的鉆孔試驗(yàn),孔徑公差可達(dá)到±2μm。試驗(yàn)采用的是長(zhǎng)脈沖二極管泵浦紅外激光器,它比短波激光導(dǎo)致的熱影響區(qū)小,而且這種小直徑深孔可一道工序完成,孔壁質(zhì)量也就提高了。為了獲得最佳切割質(zhì)量,對(duì)脈沖頻率、脈沖長(zhǎng)度與平均功率都應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。所用水射流噴嘴的直徑為30μm,水壓為35至45MPa,產(chǎn)生的水射流直徑約為26μm。為了達(dá)到最佳切削質(zhì)量,對(duì)水壓也要優(yōu)化。

圖4 燃油噴射器上的孔

圖5 電火花加工的孔

圖6 水導(dǎo)激光加工的孔

從圖4可看出水射流激光加工的燃油噴射器上噴射孔的加工質(zhì)量。圖5為采用電火花加工(EDM)法鉆出的孔；圖6為采用水導(dǎo)激光技術(shù)鉆出的孔,兩相對(duì)比,后者顯然達(dá)到優(yōu)異的孔壁表面質(zhì)量。

4.7 碳化鎢硬合金與銅鎢合金的切割

碳化鎢硬合金廣泛用于制作各種機(jī)加工刀具、地質(zhì)勘探鉆頭等。銅鎢合金則用作真空開關(guān)和高壓斷路器中的觸頭材料。這兩種合金用傳統(tǒng)的電火花加工法難于加工,而且也不易研磨加工。水導(dǎo)激光技術(shù)切割這種材料的厚度可達(dá)6mm,而且可加工出各種曲線形狀,加工速度為1.5mm/min。所采用的激光器是波長(zhǎng)為532nm、功率為50～100W、頻率為9～25k Hz的Nd：YAG二極管泵浦固體激光器。

綜合以上所述,水導(dǎo)激光技術(shù)用于堅(jiān)硬刀具材料的切割與加工十分理想,但要取得最佳效果需要調(diào)整激光的參數(shù)和水射流的參數(shù),使之達(dá)到最優(yōu)化。除上述應(yīng)用舉例之外,水導(dǎo)激光技術(shù)還可應(yīng)用于更廣闊的工業(yè)領(lǐng)域,如模板以及有機(jī)電激光顯示屏的切割,等等,值得研究探索。

參考文獻(xiàn)：

A.Schreiner,B.Carron,M.Gobet and A.Pauchard.“Hard material eutting using water jot-guided laser technology”DIAMOND TOOLING JOURNAL 3·11