激光束微加工是微加工應(yīng)用的一種重要方法。但它存在一些缺點(diǎn)，如熱應(yīng)力、尺寸不受控制、毛刺和飛濺。研究人員不斷尋求復(fù)合加工工藝，以提高產(chǎn)品質(zhì)量特性。在過去的十年中，研究人員研究了基于激光復(fù)合的工藝機(jī)制，并確定了不同的策略從各方面提高其性能。
01
激光加工
激光束加工是一種熱工藝、它使用聚焦光束能量進(jìn)行微納加工應(yīng)用。在這個(gè)過程中，當(dāng)基板吸收熱能時(shí)，強(qiáng)烈的激光束輻射會發(fā)生材料燒蝕。當(dāng)聚焦光束產(chǎn)生的能量量大于材料閾值時(shí)，它會將材料轉(zhuǎn)化為熔融、汽化和化學(xué)降解狀態(tài)。燒蝕導(dǎo)致材料去除，導(dǎo)致微米或亞微米級的幾何形狀和表面改性。激光與材料相互作用如圖1所示。
圖1 脈沖激光與材料相互作用的機(jī)理。
02
基于激光復(fù)合的微加工工藝
本節(jié)中介紹了在外部能源的幫助下進(jìn)行激光加工的研究。振動、外部磁場、電場以及氣體和水等流體形式的能量都有助于激光微加工提高制造零件的質(zhì)量和特性。
2.1振動輔助激光微加工
在激光加工中，沉積和凝固的材料層是不可取的，它阻止了激光束與新材料之間的相互作用，并限制了長寬比和表面質(zhì)量。需要通過化學(xué)蝕刻或拋光來減少再沉積。振動輔助加工表現(xiàn)出更好的加工表面，它需要通過超聲波振動為工件提供輔助，并提高再沉積和加工效率。原理圖如圖2所示。
圖2.振動輔助原理示意圖。
2.2磁場輔助激光微加工
為了改進(jìn)激光束加工，研究人員正在磁場輔助激光加工領(lǐng)域?qū)ふ覚C(jī)會。由永磁體產(chǎn)生外部磁場，并應(yīng)用于提高激光束加工工藝的效率。外部磁場產(chǎn)生洛倫磁力，從而提高電子速率，提高等離子密度，并改善工藝性能。磁場輔助的激光加工在反射材料中進(jìn)行了試驗(yàn)，但仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。圖3顯示了靜態(tài)和動態(tài)磁場下的激光加工工藝。
有研究人員系統(tǒng)探索了磁場輔助激光對鎂合金進(jìn)行盲孔和通孔的探測，并且發(fā)現(xiàn)磁場增加了入口直徑，同時(shí)減少了盲孔深度。通過增強(qiáng)磁場強(qiáng)度，改善了熱影響的平均晶粒尺寸，實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化。
圖3.(a)靜態(tài)；(b)動態(tài)下激光加工工藝。
2.3電場輔助的激光微加工
研究人員還探索了電場輔助激光加工的可能性。研究了激光與電場的相互作用現(xiàn)象。外加電場主要是在激光和材料相互作用區(qū)產(chǎn)生具有正極端和負(fù)極端環(huán)境的外部電場，從而提高加工性能(如圖4所示)。
Chao等人就對高反材料進(jìn)行了電場輔助激光沖擊鉆孔試驗(yàn)，已經(jīng)測量了電場的影響和不同電極構(gòu)型的影響，包括穿透深度以及入口直徑。
圖4.電場輔助激光加工示意圖。
2.4水輔助激光微加工
對激光微加工后的孔和通道等微型部件進(jìn)行了檢查，觀察到了表面質(zhì)量的熱缺陷。觀察到的常見熱缺陷包括熱影響區(qū)、重鑄層、碎屑和裂紋。較長的脈沖寬度會產(chǎn)生熱效應(yīng)，但飛秒和皮秒脈沖等短脈沖寬度的加工系統(tǒng)成本較高。因此，采用了水輔助激光微加工技術(shù)，以減少燒蝕過程中加工區(qū)工件材料中的過多熱量。圖5顯示了水輔助激光加工的示意圖。
圖5.水下激光束加工示意圖。
03
總結(jié)
微組件具有高精度、更小尺寸公差和卓越的表面結(jié)構(gòu)等品質(zhì)。在未來幾年中，微組件的應(yīng)用將廣泛增加，因此追求高生產(chǎn)率和低成本是有必要的。盡管激光束加工具有眾多優(yōu)勢，但仍需后處理技術(shù)來優(yōu)化組件。因此對復(fù)合加工技術(shù)的研究是有必要的，通過不同加工工藝進(jìn)行組合往往會表現(xiàn)出兩者各自的優(yōu)勢，加工出更加優(yōu)質(zhì)的組件。
