光纤激光器可望成为金属加工新技术

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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，这些金属包括铜 (Cu)、铍铜(BeCu)、磷青铜(Pbronze)、钼(Mo)、不锈钢(SS)、镍(Ni)、铝(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。