一种新的激光技术结合了精密工业微加工工作所需的高加工精度和产量。

生产尺寸仅为微米的孔和其他特征的能力只是微加工难题的一部分。用于电子产品生产的燃油喷射器喷嘴、微型模具、喷丝板和面罩等组件上的微小加工元件还必须具有干净的边缘和无毛刺的饰面才能正常工作。通常重要的是,加工过程不会将热量引入工件,这可能会改变材料的特性。

Four common laser drilling techniques.webp

激光技术长期以来一直能够以如此小规模加工金属。然而,“激光微加工”这个词是用粗刷子来描绘的。这些系统在成本、复杂性、稳健性和跟上工业生产要求的能力方面各不相同。

皮秒激光器是一种加工工具,已被证明可有效地以足够高的材料去除率精确地微加工金属。该激光器将精度较低的系统的易用性和吞吐量与实验室仪器的控制和精度相结合。RMPC Lasers Inc. 总裁 Chuck Ratermann 阐明了用于微加工金属的一些主要激光系统之间的一些差异。可以肯定的是,这些设备仅适用于特定的加工应用。但是,服务于医疗、电子甚至汽车行业的商店希望将自己与其他行业区分开来,他们很清楚激光微加工可以带来什么。

激光类型

三种激光类型通常用于微加工金属——纳秒、皮秒和飞秒激光。这些激光器是根据其光束脉冲的持续时间命名的。例如,飞秒激光器发射的每个脉冲持续飞秒(飞秒是百万分之一纳秒,或 10-15 秒)。除了重复率(每秒发射脉冲的数量)之外,光束脉冲持续时间是影响激光在工业微加工应用中的有效性的两个因素。

在这三种激光类型中,纳秒激光具有最长的光束脉冲持续时间。这在非常精确的应用中对金属进行微加工时会造成困难,因为长脉冲持续时间会在工件的该区域产生热影响区 (HAZ)。热量会使基材回火,这对于某些组件来说是不可接受的。在纳秒激光加工过程中,材料吸收光束、加热、熔化和蒸发。然而,一些熔化的材料会落回工件上。这被称为重铸,可能必须通过二次精加工操作将其移除,具体取决于应用。

相反,飞秒激光具有三种激光类型中最短的持续时间。在这种情况下,材料会吸收光束,将能量转移到打破元素键的晶格和快速的等离子体膨胀。因为没有熔融相,所以没有形成重铸。这种材料去除方法称为冷烧蚀。尽管飞秒激光器非常精确,但它们是复杂的系统,并且通常重复率低(通常只有几千赫兹),因此不适合工业工作。

皮秒激光器将纳秒激光器的简单性和高重复率与飞秒激光器的精度和“酷”操作相结合。这些激光器被认为是短脉冲激光器,飞秒激光器也是如此,这意味着没有材料熔化阶段。该材料立即变成等离子体,从而消除了 HAZ 问题。

例如,RMPC 的固态 RAPID 皮秒激光器的脉冲持续时间小于 15 皮秒。该系统是可控的,因此单个脉冲只能从零件表面去除 10 nm 的材料。短脉冲意味着能量局限于小深度。没有时间将热传导到工件材料中的事实使得激光可以有效地加工金属,如钢、不锈钢、铝、钼、黄铜和铜。这也使激光能够加工非金属,例如铁氟龙、金刚石、陶瓷和玻璃,而不会产生微裂纹或碎裂表面。

与冷消融相关的最小热和机械效应允许高重复率,这转化为高消融(材料去除)率。RAPID 激光器的重复频率为 500 kHz,这意味着对于 8 kW 激光器,钢材的烧蚀率可高达 1 mm³/min。

对于大多数微加工应用,使用 RAPID 皮秒激光器产生的光斑尺寸在 4 微米到 50 微米之间,具体取决于要加工的特征。在生产情况下,激光可以钻穿厚达 0.5 毫米的金属,或为深达 0.5 毫米的微型模具制造盲孔或空腔。它可用于微米范围内的表面结构化和去除组件上的薄涂层,而不会刺穿或损坏下面的基材。此外,激光可用于“珩磨”工件以获得更好的表面光洁度。

激光钻孔方法

有四种常用的金属激光微加工技术。这些是单次钻孔、冲击钻孔、环钻和螺旋钻孔。单发和冲击是两种最快的钻孔方法。由于这些方法使用原始激光束进行加工,因此它们创建的孔与激光束的光斑尺寸大致相同。这两种方法可以提供高达 10:1 的纵横比(孔的长度与直径之比)。然而,在开孔和螺旋钻孔中,光束光斑尺寸小于要加工的孔,并且操纵工件或光束来形成孔。后两种技术需要特殊的光束传输系统。

在简单的钻孔过程中,激光束穿透材料并以一个圆周运动切割孔。螺旋钻孔是环钻的一种变体,不会穿透材料。在这种情况下,光束遵循螺旋路径,通过许多螺旋通道逐渐烧蚀材料层。虽然这是最慢的激光加工方法,但它在光束入口和出口侧产生最精确的孔和清晰的边缘。它也是钻孔高纵横比的最佳选择,纵横比可高达 20:1。此外,钻孔光学器件允许光束产生正或负的壁锥度。

激光微加工系统的工件固定和定位可以是简单的也可以是复杂的,这取决于应用。例如,具有锥形和成角度孔的新型燃料喷射器喷嘴设计需要多轴定位(线性和旋转)来产生孔。其他复杂的系统可能会使用真空吸盘来处理扁平工件。但是,在某些情况下,基本 XY 可用于定位工件以进行激光加工。此外,双面胶带或框架可能足以固定薄工件。

激光建议

对于目前成功使用纳秒激光器的商店,Ratermann 先生不建议改用皮秒激光器。虽然皮秒激光比纳秒激光更精确,但成本也更高。

对于考虑添加皮秒激光器的商店,Ratermann 先生建议将零件样品发送给激光器供应商,以确定激光器可以提供的速度和质量。商店还可以考虑访问激光供应商,以确定基本的工件和光束操作方法或更复杂的设置是否最适合他们特定的金属微加工应用。

Tags: none

我有个想法