宁波材料所在脉冲激光高速微细加工方面取得进展-大连富泓机械

激光微加工技术具备非接触的特性, 加工材料的范围广阔, 精度十分高, 重复率偏高, 热影响区域微小, 形状与尺寸加工的柔性程度高等优势, 被广泛应用于微机械, 微电子器件, 医疗器械, 航空精密制造等领域。当下, 研究超短脉冲激光的微加工, 多数采用的是低功率激光（P）。相较于低功率激光, 高功率超短脉冲激光拥有更高的加工能力, 然而当下关于高功率超短脉冲激光材料去除加工的研究比较少, 尤其是高于100W的激光功率。

为中科院宁波材料所先进制造所张文武所带领的激光与智能能量场制造工程团队, 于自主研发的开放式五轴联动数控系统基础之上, 将其与二轴扫描振镜相结合, 从而开发出五轴联动的 300W 皮秒激光加工系统以及 40W 纳秒激光加工系统。该团队利用 300W 皮秒激光加工系统, 在铜这种材料之上加工微槽, 同时也在铝这种材料之上加工微槽, 还在石英这种材料之上加工微槽, 并对不同加工参数条件之下对微槽宽度以及深度所产生的影响展开了分析。这项成果是由焦俊科和阮亮以及张天润还有张文武一同完成的, 是在美国底特律的2014年ASME上的能量场制造论坛当中作为主题报告来进行报道的, 进而引起了与会学者的广泛兴趣。

该研究促使高速微纳米加工技术得以发展以及应用, 因把微细加工速度相较于常规系统提升了5至10倍, 且对热影响进行了良好控制, 还结合自主研发的五轴平台与软件界面, 为大尺度复杂形体的激光精密加工筑牢了根基。实验条件处于2至20MHz时, 最大的激光功率是300W, 波长为, 频率调整范围是-20MHz。激光束反射至扫描振镜内, 聚焦光斑约为40至75um。微加工路径靠扫描振镜管控,最大速度为10m/s。研究透露, 高功率皮秒激光属于一种微加工的有效工具, 于不同的扫描层、激光功率还有扫描速度下, 材料去除效率存在差异。研究针对纳秒激光与皮秒激光的加工效率予以对比, 发觉皮秒激光的加工效率赶超纳秒激光的加工效率, 如所呈现的图那样, 皮秒激光单位能量的材料去除率在一定深度范围内是相较纳秒激光的两倍多。团队运用共聚焦显微镜对微槽加工结果开展精确测量（图3）。测量精度在XY方向达成140纳米以下, 在Z向达成小于10纳米。沟槽的粗糙度、加工的三维形状和去除体积得以高可靠性测量。

论文更深层次地揭示了, 激光脉冲能量、平均功率等对于材料去除率所产生的影响, 并且指明, 单脉冲能量与加工的深度能力有着紧密的关联, 超短脉冲激光器的深度能力适宜于小于3毫米的微细加工, 高效率的大深度微细加工需要进一步的工艺突破, 团队接下来会探索水助激光加工, 进一步提升脉冲激光的加工深度能力。

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