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超短脉冲激光器:针对“热”应用的高精度微切割

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-06-09 0:05:59 * 浏览: 9
对于高精度应用,使用固定加工头进行微切割是一种潜在的加工方法,在某些应用中可以代替扫描振镜的冷烧蚀。该加工方法可以通过锥角补偿,加工气体供给或工件处理来进一步优化。简介超短脉冲(USP)激光器现已从研究实验室缓慢地转移到工业微加工中。皮秒和飞秒脉冲宽度允许材料蒸发而不会液化。通过冷烧蚀,可以实现玻璃,金属,陶瓷和聚合物的逐层去除。钟表行业正在使用此技术进行精细雕刻。扫描振镜不会对复合材料的切割和钻孔造成任何热影响区(HAZ),从而提高了表面和边缘的质量(见图1)。图1:通过冷烧蚀进行的USP激光微加工。左:聚合物芯片系统实验室中约200微米,m宽的微通道。右:高品质铜质手表指针,显示出明显的锥角(宽度0.7mm)。消除热效应的超短激光脉冲切开狭缝的边界时会产生锥角,部分原因是那里的激光能量密度(每单位面积的能量)相对较低,部分原因是材料重新沉积在那里。对于这些应用,使用固定的处理头,处理气体喷嘴和高精度轴是有利的。但是,与扫描振镜相比,轴的加速度和速度微不足道。因此,在固定处理头的应用中,激光所引入的热量会更多。即使部分熔化的材料也不能完全排除这种现象。尽管如此,仍然可以保持工件的质量。与固体激光器和CO2激光器相比,热激光切割,超短脉冲确保了所引入的热量在时间和空间上都是可控的。因此,对工件仍然没有热影响。具有固定加工头的USP激光微切割就像在微米范围内的热处理一样。尖锥角和良好的边缘质量与扫描振镜的冷烧蚀加工方法相比,如果可以正确采用固定的加工头微切削工艺,则可以形成较陡的锥角,同时保持良好的边缘质量。经过优化的喷嘴可以提供处理气体并去除高压下切开的材料。除了激光参数外,喷嘴的几何形状和位置以及处理气体的类型和压力也会显着影响切割效果。另一个重要的方面是开发合适的工件固定夹具,它也支持可靠的固定和材料的自由切割(图2)。要将设计图导入激光系统进行处理,必须考虑激光切入和退出的位置。当涉及到高精度,工艺开发和质量控制时,需要适当的测量设备才能可靠地测量几微米的公差和低于1微米的表面粗糙度值。图2:与扫描振镜冷烧蚀加工方法相比,固定加工头的微切割可以产生更高的精度和更陡的锥角。左:直径约5毫米的齿轮。右图:为了获得良好的质量,必须为喷嘴(顶部)提供处理气体并正确地固定工件。固定光学器件可以对金属,硅和陶瓷等材料进行微切割(图3)。为了提高成本效率和生产率,可以考虑使用并行处理头。通快大功率超短脉冲激光器TruMicro支持这种光谱方法(图4)。图3:固定的光学微切割陶瓷。左:直径约5mm的零件是钟表行业中使用的测试几何形状。右图:也可以用这种方法切割蓝宝石和硅。用于提高零件质量的后续处理方法各种后续处理可能能够进一步提高工件的质量。在电火花线切割加工和微铣削的情况下,可以考虑进行热处理以获得目标强度,硬度或退火材料。为了优化粗糙表面,必要时可以使用一些化学机械后处理方法sed。激光切割工件,有时会通过电化学涂层达到所需的表面。钟表业是应用固定的光学微切割或钻孔加工方法(例如红宝石微轴承,手表手柄或其他元件)的最重要领域之一。图4:TruMicro5000皮秒和飞秒系列激光器可以提供100瓦的平均功率和高达250微焦耳的脉冲能量。超短脉冲的脉冲宽度结合其他参数有助于减少和消除热影响区(HAZ)。设计用于钻小孔的孔加工头在加工过程中,我们通常需要获得陡峭的90度锥角。对于小孔的钻孔,可以使用所谓的孔加工头完成。当涉及更复杂几何形状的微切割时,这种方法也变得越来越有优势。从热管理的角度来看,这种加工方法类似于机械轴固定加工头的微切割。但是,仍需要进行一些开发工作来改进现有的孔加工头,以使其更人性化并适合更复杂的工业微切割应用。一个有趣且具有挑战性的选择是通过倾斜的锥角补偿工件夹具,尤其是在切出整个工件时。