齊立濤， 劉亞升， 樊愛春， 李 雪

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著小型化產(chǎn)品需求的增加，微細(xì)加工技術(shù)變得越來越重要[1]。在航空、航天、電子、制藥、食品、儀器和醫(yī)療器械等行業(yè)中，帶有微孔的零件不斷增多，孔徑越來越小,材料越來越廣泛，對(duì)微孔的精度和尺寸要求不斷提高[2]。微孔加工的方法主要有機(jī)械加工、電火花加工、超聲加工和激光加工等[3]。傳統(tǒng)的機(jī)械加工會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力且裂紋較多，電火花可加工任何導(dǎo)電材料，但加工微孔的電極制作和修復(fù)困難，且加工效率不高。激光加工屬于非接觸式加工，沒有刀具損傷且具有可加工材料廣泛、可控性好、大深徑比、效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

微孔需求的增加以及激光加工微孔的優(yōu)勢，使激光微孔加工的控形控性技術(shù)受到越來越多的重視。超快激光在微孔加工上具有明顯的優(yōu)勢，可加工出高質(zhì)量微孔。姜瀾等[4]利用超快激光在多種材料上加工出直徑小于10 μm的微孔。通過調(diào)整超快激光的能量密度在材料燒蝕閾值附近，甚至可獲得突破光學(xué)衍射極限的亞微米甚至納米級(jí)孔[5]。但超快激光加工系統(tǒng)成本和維護(hù)費(fèi)用較高，加工效率不高，超快激光在工業(yè)中大量應(yīng)用還存在一定的難度。

納秒紫外固體激光具有波長短、光子能量強(qiáng)，且激光能量能夠滿足激光對(duì)材料大批量生產(chǎn)的工藝要求，系統(tǒng)成本和維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。但納秒固體激光打孔產(chǎn)生的孔周邊熔融物沉積與超快激光打孔相比存在一定的差距[6]。如何減小納秒固體激光打孔的尺寸和熔融物在孔周邊及內(nèi)壁的沉積，是納秒激光打孔在工業(yè)中應(yīng)用的主要難題之一。紫外波長激光可使聚焦尺寸變小而加工出更小尺寸的微孔[7]，但仍受到激光加工系統(tǒng)聚焦尺寸的限制。利用酸洗和電解等后處理方法[8-10]可改善微孔的加工質(zhì)量，但此方法具有材料選擇性且不利于環(huán)保。此外，文獻(xiàn)[11-12]研究了在工件上、下表面分別預(yù)鋪設(shè)一層材料減少熔融物在孔周邊的沉積，改善了孔的加工質(zhì)量，但此方法需要進(jìn)行后處理工藝去除預(yù)鋪設(shè)的材料，增加了工藝的復(fù)雜性。上述研究分別針對(duì)激光打孔尺寸或者改善微孔加工質(zhì)量，但在如何減少激光打孔尺寸且同時(shí)提高加工質(zhì)量的研究較少。

筆者利用激光打孔時(shí)產(chǎn)生錐孔的特點(diǎn)，提出在工件表面增加一層蓋板來輔助打孔，實(shí)現(xiàn)一種低成本、高速、高精且無需后處理的激光打孔方式，減少孔的尺寸，以及提高孔的加工質(zhì)量。

1 蓋板輔助激光打孔的原理

在激光打孔的實(shí)驗(yàn)中，孔的形狀一般為錐形，孔的入口尺寸大，出口尺寸小。越接近孔的底部，孔的直徑越小，如圖1所示。激光打孔的過程中，入射的激光能量經(jīng)過孔內(nèi)壁的多次反射達(dá)到孔的底部，如圖2所示。在此過程中，由于光管效應(yīng)達(dá)到孔出口的激光能量逐漸減少[13]。通過在蓋板上加工微孔，降低到達(dá)工件表面的激光能量，減少燒蝕體積，以達(dá)到減小孔的加工尺寸的目的，如圖2b所示。此外，打孔的過程中使熔融物從蓋板上加工的輔助孔拋出，減少熔融物在工件上孔周邊的沉積，達(dá)到減少工件上孔周邊的熔融物沉積，改善加工質(zhì)量。

圖1 納秒紫外固體激光在SiC晶體打孔的SEM圖

圖2 激光在孔中的傳播和蓋板輔助激光打孔的示意

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中采用266 nm納秒固體激光器，激光單脈沖最大能量為1 mJ，重復(fù)頻率在1～100 Hz之間可調(diào)(實(shí)驗(yàn)中用50 Hz)，脈沖寬度為30 ns左右。激光光束為高斯光束，直徑為2～3 mm，通過直徑可調(diào)的光闌調(diào)整光束直徑大小。激光脈沖能量(Ep) 通過調(diào)整激光器電源的電流進(jìn)行改變，利用能量計(jì)進(jìn)行檢測。脈沖數(shù)量(N) 由專門光閘控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。激光經(jīng)過焦距為100 mm的凸平透鏡聚焦垂直照射到實(shí)驗(yàn)樣件表面，焦點(diǎn)大約為50 μm。實(shí)驗(yàn)樣件放在二維工作臺(tái)上進(jìn)行移動(dòng)，聚焦透鏡通過單獨(dú)的工作臺(tái)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)樣件放在專用夾具中進(jìn)行夾持，保持蓋板和實(shí)驗(yàn)樣件的緊密接觸[14]。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)樣件為不銹鋼薄片，厚度是0.05 mm。蓋板厚度分別是0.25和0.30 mm。采用不同的加工參數(shù)對(duì)無蓋板輔助樣件和蓋板輔助樣件進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)。所有的實(shí)驗(yàn)均是在空氣和室溫中進(jìn)行。打孔后，實(shí)驗(yàn)樣件用無水乙醇(或丙酮)超聲清洗30 min，樣件表面形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測，微孔尺寸通過SEM圖片和光學(xué)顯微鏡測得。

3 結(jié)果與討論

3.1 有無蓋板輔助激光的打孔效果

納秒紫外固體激光在不銹鋼薄片上直接打孔和蓋板輔助打孔如圖4所示。圖4a中，激光直接在不銹鋼薄片上打孔時(shí)，微孔的形狀極不規(guī)則，微孔的周邊及孔內(nèi)存在大量的沉積熔融物。圖4b為蓋板輔助激光打孔的圖片，工件上加工出微孔的形狀比較規(guī)則，且微孔內(nèi)部基本無沉積熔融物，只在微孔的邊緣處有少量的沉積熔融物。蓋板上加工微孔入口處的形狀及熔融物狀態(tài)和激光直接打孔(圖4)相類似。上述結(jié)果表明，大部分熔融物都是通過蓋板上微孔入口處向外拋出，而工件上加工微孔的周邊比較清潔，孔的質(zhì)量較高。

圖4 激光直接打孔和蓋板輔助激光打孔的SEM圖

3.2 蓋板和工件之間間隙對(duì)打孔的影響

在蓋板和工件之間存在微小的間隙，應(yīng)盡量保持間隙最小。由于工件或蓋板的變形，引起間隙變大，易產(chǎn)生工件上微孔被熔融物堵塞或者熔融物大量沉積在工件上微孔周邊(圖5)，降低打孔的質(zhì)量。此外，隨著間隙變大，微孔形狀也變得不規(guī)則且出現(xiàn)雙微孔的加工特征，如圖5所示。上述現(xiàn)象是由于間隙的變大，激光束在蓋板和工件加工微孔內(nèi)的反射出現(xiàn)了中斷，熔融物殘留在蓋板和工件中間較多，使工件上微孔的加工質(zhì)量變差。同樣由于激光束反射的中斷，使得激光束作用范圍發(fā)生了改變，進(jìn)而形成了雙孔或者不規(guī)則的微孔。在實(shí)驗(yàn)中，盡量使間隙值最小，保證蓋板和工件的緊密接觸，防止激光束在孔內(nèi)反射的中斷而影響加工微孔的質(zhì)量。

圖5 工件上加工微孔的SEM圖

3.3 蓋板輔助激光打孔的尺寸

通過在蓋板上加工孔，降低到達(dá)工件表面的激光能量，減少燒蝕體積，進(jìn)而減小工件上孔的尺寸。激光直接打孔和蓋板輔助激光打孔時(shí)工件上孔的直徑與激光脈沖能量如圖6所示。實(shí)驗(yàn)采用激光脈沖能量從0.36到0.80 mJ。蓋板的厚度分別為0、0.25和 0.30 mm。從圖6可以看出，激光直接在不銹鋼薄板上打孔的直徑均大于蓋板輔助激光打孔的相應(yīng)尺寸。激光直接在不銹鋼薄板上打孔的出口直徑最小為49.25 μm，接近聚焦光斑的直徑。蓋板輔助激光打孔時(shí)工件上孔出口的直徑最小為14.39 μm，最小孔徑降低了70.78%。蓋板輔助激光打孔時(shí)工件上孔的出口和入口直徑值的變化較小，以實(shí)驗(yàn)中加工最小直徑的孔為例，蓋板厚度為0.25和0.30 mm時(shí)分別是8.18和5.93 μm；而激光直接在不銹鋼薄板上打孔時(shí)微孔出口和入口的變化值是69.15 μm。

圖6 激光打孔直徑與激光脈沖能量的關(guān)系

3.4 蓋板輔助激光打孔時(shí)孔的加工質(zhì)量

蓋板輔助激光打孔能夠提高孔的加工質(zhì)量，在不同加工條件下加工孔的圓度如圖7所示。在孔的入口處，蓋板輔助激光打孔的圓度優(yōu)于激光直接打孔；而在加工孔的出口處，孔的圓度基本相當(dāng)。圖8是在不銹鋼薄板上加工多個(gè)微孔的SEM圖片。從圖8可以看出，激光直接在不銹鋼薄板上加工微孔形狀很不規(guī)則，孔內(nèi)和孔入口周邊存在大量的熔融物，孔的圓度較差，且孔周邊存在一定的變形。從圖8可以看出，孔內(nèi)和孔入口基本無熔融物，孔的形狀較好。

圖7 不同加工條件下微孔的圓度

圖8 加工多孔時(shí)微孔入口的SEM圖

4 結(jié)束語

文中提出了一種利用蓋板輔助激光打孔的新方法。該方法主要利用激光打孔為錐形孔(入口大、出口小)的特點(diǎn)，采用蓋板上微孔出口尺寸較小，在工件表面加工出尺寸小且質(zhì)量較高的微孔，突破工業(yè)激光打孔時(shí)的尺寸限制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蓋板輔助激光打孔最小孔徑相對(duì)激光直接打孔降低了70.78%。蓋板輔助激光打孔的微孔質(zhì)量得到了提高，微孔周邊沉積的熔融物大量減少、微孔的形狀得到了較大改善。