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最新消息| 用皮秒激光脈沖加工銅和不銹鋼——提高材料去除率的優化工藝 | 2022-04-26 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.163.com/dy/article/H567FC0C0531549P.html" 江蘇激光聯盟導讀：考慮到在使用皮秒脈沖激光源進行加工時，金屬中的燒蝕閾值非常低，因此必須小心管理所施加的激光注量，以最大限度地提高材料去除效率，同時將有害熱影響降至最低。銅和不銹鋼的爆裂加工是一種靈活且經濟高效的方法，可以替代其他技術，空間波束成形和超高速波束掃描可優化這些工藝。多年來，超短脈沖激光可以加工出各種各樣的高質量材料。通過適當優化的工藝，這種激光器可以創造出具有極高質量的特征，而不會產生與熱有關的缺陷，例如金屬中的邊緣毛刺和或熔融材料，以及玻璃中的碎屑或裂紋。工藝優化的一個關鍵方面是在工件上產生最佳的注量，該注量高到足以有效去除材料，同時又低到足以避免周圍材料中的熱損傷。今天的激光器提供不斷增加的脈沖能量和平均功率，將允許更高的材料處理量。然而，隨著功率和能量的增加，在確定合適的設備和策略以高效加工高質量和高產量的材料方面面臨著更大的挑戰。雖然皮秒激光器通常用于加工玻璃和藍寶石等材料，但它們也越來越多地用于加工金屬和半導體等材料。為了避免可能導致熱損傷的過高注量水平，可以增加光束尺寸或簡單地在更高的脈沖重復頻率（PRF）下操作。然而，這兩種情況都需要提高掃描速度，以避免累積加熱，并且在某些情況下需要AOM偏轉器或多邊形掃描儀等設備，從而增加系統復雜性和成本。圖1不同亞脈沖數和亞脈沖分離時間下銅的燒蝕速率。或者，可以在時域中劃分激光強度，例如通過將單個高能脈沖分割為多個低能脈沖，每個低能脈沖產生更接近最佳的注量水平。對于這種類型的“突發”處理，光譜物理公司的IceFyre皮秒激光平臺表現出色，因為它通過時間移位皮秒技術實現了高度可裁剪的脈沖輸出。IceFyre1064-50激光器在1064nm波長下提供大于200μJ的脈沖能量和大于50W的平均功率。在突發模式操作中，時間間隔、突發包絡內的脈沖數和突發包絡的形狀可以廣泛變化，同時保持最大輸出功率，這是競爭產品中的獨特能力。銅和不銹鋼是兩種廣泛應用于各種重要行業的金屬。銅具有優異的導電性，在各種電子應用中用作導電介質，如PCB和柔性PCB制造以及先進的電子封裝。此外，銅具有優異的導熱性，不僅在宏觀應用中用作冷卻介質，而且在熱電冷卻器（TEC）和冷卻LED等小規模應用中也用作冷卻介質。圖2隨著亞脈沖個數的變化和亞脈沖分離時間的延長，不銹鋼的消融速率也隨之變化。不銹鋼由于具有高強度、耐腐蝕性和抗菌性，在許多行業都很有價值。在汽車制造業中，噴油器噴嘴的激光鉆孔是一個巨大且不斷增長的應用領域，尤其是對于超快激光器。它還廣泛用于醫療設備制造，激光用于切割、鉆孔和標記。此外，用于工業印刷和復雜紋理壓花的不銹鋼模具的激光加工具有巨大且不斷增長的應用空間。銅和不銹鋼都具有相對較低的燒蝕閾值，因此將單個脈沖分割為多個脈沖應該是有益的。不銹鋼是一種具有挑戰性的加工材料，具有良好的質量和高的產量。與銅相比，它的導熱系數非常低，當使用高平均功率激光器進行加工時，會導致不良的熱效應，如邊緣毛刺和過度熔化導致的粗糙表面質量。然而，在IceFyre皮秒激光器和適當的注量控制下，可以獲得卓越的質量。圖3a顯示了用掃描白光干涉儀生成的不銹鋼銑槽的三維輪廓。加工表面非常光滑，粗糙度參數Ra低于原鏡面拋光表面。圖3b顯示了銑削特征的二維線條輪廓，并清楚地說明了沒有任何邊緣毛刺。這種高質量的機械加工非常適合用于壓花和印刷應用的金屬模具制造，這是一個巨大且不斷增長的超快激光器市場。圖3用IceFyre1064-50激光加工不銹鋼時，光學輪廓儀圖像顯示粗糙度降低(左)和沒有毛刺(右)(來源:NewportSpectra-Physics)利用高倍光學顯微鏡進一步揭示了不銹鋼加工表面的高質量。從圖4a中可以看出，在超短皮秒脈沖激光加工中，晶體晶界被揭示出來，這說明了使用皮秒激光源可以實現精細加工。用更高的放大率觀察(圖4b)，我們看到激光誘導的周期性表面結構也產生了。這些納米尺度的特性是在某些材料中使用皮秒和飛秒脈沖激光產生的，可以被設計成具有超親水性和超疏水性的功能表面。圖4光學顯微鏡圖像顯示，不銹鋼的皮秒加工可以顯示晶粒結構（左）以及生成納米級周期性表面結構（右），這些結構可用于各種表面功能化應用。在突發模式下加工時的吞吐量方面，兩種金屬的最高燒蝕率都是通過最短的測試脈沖分離時間（10ns）實現的。對于這個10ns的短脈沖內脈沖分離時間，圖5中繪制了銅和不銹鋼的燒蝕率與脈沖內子脈沖數的函數關系。從圖5可以看出，在脈沖小于20個脈沖時，銅的燒蝕速率高于不銹鋼。然而，超過20次脈沖后，銅的速率趨于平穩，而不銹鋼的速率仍在上升。圖5脈沖間隔時間為10ns時，不同脈沖數下不銹鋼和銅的燒蝕速率。考慮到在使用皮秒脈沖激光源進行加工時，金屬中的燒蝕閾值非常低，因此必須小心管理應用的激光注量，以最大限度地提高材料去除效率，同時將有害熱影響降至最低。盡管空間波束成形和超高速波束掃描允許進行此類優化，但這些方法通常成本高、復雜且不靈活。另外，SpectralPhysics的IceFyre激光器允許在時域內進行簡單的脈沖強度調整，這種方法已被證明能夠提高銅和不銹鋼的材料去除率。此外，IceFyre激光器已經證明，它可以在不銹鋼中創造非常高的質量特征，而不銹鋼傳統上是一種具有挑戰性的加工材料。來源：PhotonicsViews-2019-Bovatsek-BurstMachiningofCopperandStainlessSteelwithPicosecondLasers，DOI:10.1002phvs.201900008 關鍵字標籤：www.sparklingclinic.com/ |
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