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光纤激光器可望成为金属加工新技术

关键字: 技术项目 新工艺

目前,在包括汽车、造船和医学在内的许多工业部门,都在用激光器对较厚的金属板材进行切割、钻孔、焊接和表面处理,这样的激光器一般都可从市场上买到。但是,有许多正在出现的应用项目则要求采用很薄的金属,要求激光以非常高的精度对其加工,加工后的边界要非常干净。近几年来,已经出现了一些用于激光微加工的激光新技术。这些激光器具有很好的模式质量和极高的聚焦能力—这是实现特征尺寸小和边缘干净的二个重要条件。

  在这项研究中,我们采用了不同类型的低功率激光器,它们的输出驳船为355nm、532 nm、1064 nm和1.085微米,并对实验结果进行了比较。我们关注的重点是:要在各种不同厚度、不同材料的金属中切割出复杂的形状来。

    激光的优点

  虽然现在加工金属有各种技术,但是,与激光相比,他们全都存在着一些缺点。 例如,你可以用EDM(电火花加工)技术来有效地加工金属,但是,该技术限制了在工件上所能得到的最小特征尺寸。而且,电极越小,成本越高,比激光容易破裂。电极更替的速度越频繁,增加的费用就越多。

  蚀刻技术也常常用来加工金属,而且,在某些情况下,这些技术还可能比较经济的,但是,该技术也有一些重要的缺陷。首先, 蚀刻加工需要多个步骤,而激光加工一次就可完成。 其次,在蚀刻之后,人们必须对付腐蚀性的化学药品和所产生的有毒废料。最后,蚀刻图样的纵横比限制在1:1附近,而且,即使在这情况下,还可能有很深的凹槽和契形边界出现。另外,机械钻孔或刻槽也受到限制,孔的直径被限制在250微米左右;尽管,现在100微米的钻孔机已经可以从市场上买到了,但价格较贵,寿命较短。

  用激光来切割金属,使之成为复杂的形状和图样,优点很多。 如可消除钻头破裂和工具磨损问题。还有,用激光加工,可获得更小的孔径和更小的特征尺寸。激光打孔还可在角形或弯曲表面上进行,可在硬性和软性材料上进行。还有,可对激光加工进行编程,如需在短期内钻或刻数千个孔的话,利用所编程序,可大大提高加工速度。

  在这项研究中,我们对一些难加工的金属薄片进行了评估,这些金属包括 (Cu)、铍铜(BeCu)、磷青铜(Pbronze)、钼(Mo)、不锈钢(SS)、镍(Ni)、(Al)、钛(Ti)、回火钢(TS),以及镀在硬或软材料衬底上的铟/锡/氧化物金属薄膜等。所有这些金属在主要领域或特殊领域应用时,都要求具有光滑的边界和小的特征尺寸。非常薄的薄膜,极为重要。 现在,集成电路越来越小,越来越密,介质和导体的厚度也越来越薄。最有趣的应用之一是具有各种图案的薄膜(通常仅有数百埃厚)导电材料,如Cu、Au、Ag和ITO。这些金属在薄膜形式下呈现着有趣的特性,在与激光的相互作用方面,薄膜金属与体材料金属略有不同。例如, 剥离“厚”金属(厚度超过1微米)所需要的能量密度约在几到几十J/cm2量级,而同样的金属在薄膜条件下,仅需要0.几J/cm2,就可以把它们从衬底上剥离掉。这些薄膜用途极广,如触摸屏幕、平板显示、飞机驾驶员座舱和医疗器械等。这里,我们提到的只是少数几个,更多的应用还在开发研究之中。

  在每种情况中,我们均使用低功率激光器(小于100瓦,在大部份情况下,要小得多)。因此,我们把金属厚度限制在20密耳(500微米)以下。在这项研究中,我们采用的是: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。我们没有使用CO2激光器或准分子激光器。因为,对于我们研究的多数金属来说,CO2激光的反射比较严重;若采用准分子激光器的话,这类加工设备的商品化速度,可能会太慢。

  我们还用1.085微米波长、100瓦光纤激光器进行了一些实验,并对有关结果进行了讨论。二极管泵浦固体激光器在短波长具有很好的光束质量,能聚焦成20微米或更小的光斑。因为,这比我们在试验中要研究的形体尺寸小得多,所以我们需要多次地打孔或刻槽。我们将DXF文件下载下来,并把它加到光学加工软件中去,同时,也将激光参数加进去。结果,一个包含所有加工信息的加工文件就保存下来了。在将来需要参考和使用时,便可去访问它。有一点特别重要:所有附图(一张除外)都是用放大40倍的立体照相镜头直接拍摄激光加工后不经清洗的高分辨照片。因此,在这里所给出的图,都应该认为是“最差”的情况。此外,所有的图都是用检流计扫描光束得到的,不需要任何辅助气体。

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