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激光设备又来整活了!皮秒激光脉冲提高材料去除率的优化工艺

来源:www.laser08.com 时间:2022-05-05 点击:881
多年来,超快激光器已经能够加工许多高质量的材料。通过适当优化的工艺,该激光器可以产生非常高质量的特性,而不会出现边缘和/或熔融金属和玻璃碎片或裂缝等热缺陷。工艺优化的一个关键方面是在零件中创建最佳流动,该流动足够高以有效去除材料,但又足够低以防止对周围材料的热损坏。现代激光器提供更高的脉冲强度和合理的力,从而产生更高的电流。然而,随着功率和能源的增加,在确定有效处理高质量、高性能材料的适当设备和策略方面出现了更严重的问题。
虽然皮秒激光器通常用于加工玻璃和蓝宝石等材料,但它们越来越多地用于加工金属和半导体等材料。为避免可能导致热损坏的过电流,可以增加光束尺寸或简单地以更高的脉冲重复率 (PRF) 使用。然而,在这两种情况下,都需要提高扫描速度以避免积热,在某些情况下,还需要增加 AOM 偏转器或多边形扫描仪等设备,这会增加系统的复杂性和成本。
或者,可以将激光的强度划分为时间平面,例如通过将高能脉冲划分为多个低能脉冲,每个低能脉冲产生更接近最佳的能量密度水平。 Spectra Physics 的 IceFyre 皮秒激光平台非常适合这种类型的“飞溅”,这要归功于其使用皮秒时移技术特别聚焦的脉冲输出。 IceFyre 1064-50 激光器在 1064 nm 处产生超过 200 µJ 的脉冲能量和超过 50 W 的平均功率。 - 外壳可以有很大差异,但同时它保持了竞争产品独有的最大功率。
铜和不锈钢是在几个重要工业部门中广泛使用的两种金属。铜具有优异的导电性,在各种电子应用中用作导电介质,例如印刷电路板和柔性电路的制造,以及先进的电子外壳。此外,铜具有出色的导热性,不仅在宏观应用中用作冷却介质,而且在热电冷却器 (TEC) 和 LED 冷却等小规模应用中也可用作冷却介质。
不锈钢因其强度、耐腐蚀性和抗菌性能而在许多行业中受到重视。在汽车工业中,燃料喷嘴的激光钻孔是一个庞大且不断增长的应用领域,特别是在超快激光器中。它还广泛用于医疗器械制造,激光用于切割、钻孔和打标。此外,用于工业印刷和复杂结构压花的不锈钢模具的激光加工具有广泛且不断增长的应用范围。铜和不锈钢的烧蚀阈值相对较低,因此将一个脉冲分成多个脉冲应该是有益的。
不锈钢是一种高要求、高质量和高性能的材料。与铜相比,它的热导率非常低,如果用高平均功率激光处理会导致不良的热效应,例如边缘毛刺和过度熔化导致的表面粗糙度。但有了 IceFyre 皮秒激光器和良好的飞行控制,您将获得出色的质量。显示了用白光扫描干涉仪制成的铣削不锈钢凹槽的 3D 轮廓。加工后的表面非常光滑,粗糙度参数Ra低于原始镜面抛光表面。铣削元素的 2D 线轮廓清晰可见,边缘没有浮雕。这种高质量的表面处理非常适合金属冲压和压花模具的生产,这是高速激光器的一个重要且不断增长的市场。
经处理的不锈钢的高表面质量也通过放大光学显微镜得到证实。可以看出,当用超短皮秒脉冲激光处理时,晶体的晶界显露出来,表明使用皮秒激光源可以实现精细加工。在更高的放大倍率下,我们看到由激光引起的周期性表面结构也出现了。这些纳米级元件由使用脉冲皮秒和飞秒激光器的特殊材料制成,可设计用于超亲水和超疏水功能表面。
关于突发处理期间的突发,两种金属的最高烧蚀率均以最短的测试脉冲分离时间 (10 ns) 获得。在这个 10 ns 的短内部脉冲分离时间下,铜和不锈钢的烧蚀速率如图所示。 5 个脉冲,取决于子脉冲的数量。
可以看出,铜的烧蚀率大于不锈钢脉冲小于20脉冲时的。然而,在20多个脉冲之后,铜的速度变慢了,而不锈钢的质量却继续上升。
由于金属在用皮秒脉冲激光源处理时具有非常低的烧蚀阈值,因此必须仔细调整激光电流以最大限度地提高材料去除效率并最大限度地减少负面热效应。尽管空间波束和极快波束的设计可以提供这种优化,但这些技术通常昂贵、复杂且不灵活。此外,激光允许在时域内轻松调整脉冲强度,该技术已被证明可以提高铜和不锈钢材料的去除率。此外,激光器已经证明它们能够用不锈钢生产最高质量的零件,而不锈钢在传统上是一种难以加工的材料。
在环境大气压(1000 hPa)和中等真空(2 hPa)下与铜进行对比焊接试验的结果也表明,当压力降低时,焊接过程明显稳定。
主要焊接参数的比较(表面上焦点的位置,没有光束振荡)。使用的铜是具有高残留磷Cu DHP的低磷铜。焊接速度1.5m/min,可完全避免焊接飞溅,峰值功率16kW。大气压下的对比焊接试验显示出典型的焊接误差。
基本比较阐明了减压对焊接气流形成的影响。对 VAR 铜焊接参数和焊接工艺演变的更详细研究,包括垂直于焊接方向的激光束振荡,表明 Lava 工艺变量在板材厚度范围为 3 到 3 到10 毫米以上。
研究了焊接参数对焊接过程稳定性、内部焊缝的几何形状和质量的影响,表明参数焦点的位置和光束的振荡(振荡幅度和频率)需要选择的焊接速度。激光功率可调,以优化焊接效果。通过将焦点位置从基板的上表面改变到表面下方的位置并施加振动,可以将焊缝的内部几何形状从焊缝宽度突然变化的形状改变为侧面几乎平行的形状.它还提高了工艺的稳定性和孔隙率。
基于这项研究,开发了一种焊接工艺,可在 Cu-DHP 铜中实现超过 8 mm 的熔深,无需注入熔融金属、无内部焊缝缺陷和低孔隙率。
选定的焦点位置 xf 在工件顶部下方 5mm 处,选定的光束(1mm 宽,300Hz 频率)的振荡产生了几乎三角形的焊缝。具有平行边甚至三角形的形状已被证明具有低孔隙率和高工艺稳定性。只有一个相对较小的波动约。 0.6mm 提供 9mm 穿透深度。目前的结果是在多模固态激光器的激光功率仅为 8 kW 的情况下实现的,强度相对较低,为 113 kW / mm²。操作和过程控制得到简化,因为可以在 0.5 m / min 的低焊接速度下进行具有高过程稳定性的焊接。开发的焊接工艺包括一个启动过程,以尽快产生蒸汽毛细管并减少飞溅。因此,在焊接开始时,激光束聚焦在上表面,激光功率线性增加至标称激光功率。在第二阶段,蒸汽毛细管增长后,焦点位置设置为标称值。焊接过程的完成没有优化,导致最终焊接。
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