探析飞秒激光切割金属的表面粗糙度

宋 磊

（中国电子科技集团公司第十二研究所，北京 100015）

1 飞秒激光切割的现状

激光技术在现代工业中占据重要的地位，在很多精密操作过程中都少不了激光操作。激光加工主要分为两种，一种是定点冲击，另外一种是扫描加工。定点冲击是利用小孔进行加工，主要的研究的目的是通过调节激光的参数以及钻孔的大小来进行工作的实现。扫描加工则是进行精密的特定形状的微结构的加工，主要的目的是提高加工的准确度，在这两种传统的激光加工过程中，被加工的物件的表面精度限制着物件的性能。因此现在所出现的飞秒激光切割是在此基础上所研究出来的一种节约成本、高质量的激光切割技术。飞秒激光切割的技术在目前来讲十分成熟，利用飞秒激光切割技术加工金属或其他介质的过程中，利用其短暂的脉冲宽度和峰值功率，对物件的烧蚀过程做冷处理。飞秒切割技术消耗的材料少，时间短，精度高，具有很高的工作效率。

2 实验过程

飞秒激光器是美国的光谱物理公司生产的一种掺钛蓝宝石的固体飞秒激光系统，这种激光系统的输出功率稳定在4 W，脉冲的宽度一般是123 fs，重复频率是1 kHz，中心的波长是800 nm。激光从飞秒激光器发出，经过圆形的渐变滤镜盘来调整激光的能量，然后用焦距为50 mm的滤镜聚焦，将一块厚度为100 μm的铜箔固定在X－Y－Z三维运动平台上，在经过第一次扫描后，相对光斑的位置进行再一次的扫描，这次的扫描的目的是进行修复加工。在X－Y－Z三维运动平台上，X代表是激光切割的水平轨迹路线，Y代表的是聚焦光斑和铜箔移动的位置变换。Z代表的是进给深度。在实验结束后，应利用电子显微镜进行观察铜箔，在这里，作者使用的是扫描电子显微镜（捷克TESCAN公司，MIR3 LMU）观察铜箔表面的大致形貌，再用光学表面轮廓仪测量铜箔的表面粗糙程度。因为使用的是100 μm厚的铜箔，所以使用的测量倍数在2.5～200之间，测量的范围则是64 μm×48 μm的区域。

3 实验结果探究

3.1 飞秒激光切割技术对金属的断面影响分析

在飞秒激光切割技术切割铜箔的过程中发现，随着单脉冲能量的增加，切割的速度也在不断增加，最终会达到一种稳定值，当单脉冲能量低于450 μJ时，切割速度是主要的影响因素，但当脉冲能量高于450 μJ时，表面粗糙度随着能量的增加而增加，因此在具体的操作过程中，应根据具体的需要而进行相应的调整。并且在操作的过程中，烧蚀的表面含有部分氯气，会影响激光操作的过程。

3.2 弱激光再扫描技术对金属的表面粗糙度的影响探究

在飞秒激光切割技术的操作过程中，单脉冲能量和烧蚀时间对加工的质量影响明显，能量越大，烧蚀时间长，反应剧烈，质量较差，工作效率高。在第一次的切割之后，金属切面的残留氧化物很多，在此时进行若激光再扫描表面修复技术将会大大提高工作质量和效率。在第一次加工的基础上进行垂直于切割面的进给深度，并且调节单脉冲能量的大小和扫描速度，保证工作能够以正常速度运行。此操作是为了消除表面残留氧化物的操作。在进行进给深度加工过程中进给的深度也会影响金属表面的粗糙度。在操作时选择合适的单脉冲能量大小和烧蚀的时间，速度相同，单脉冲能量越大，工作效率越低，因此选择合适的单脉冲能量和速度可以增加工作效率，根据相关的经验，在此次实验中设置单脉冲能量是 100 μJ，平均扫描速度是 100 μm/s。根据已有的条件进行光学聚焦理论的计算发现激光聚焦中心的直径和进给深度的直径相似时，这时才会出现对粗糙度最小的金属表面，过大或者过小会导致烧蚀时间的长或短会影响粗糙度的变化。

3.3 扫描次数对金属的表面粗糙度的影响探究

再扫描技术是激光操作的重要组成部分，根据不同的金属和相关的参数设置相对合理的在扫描次数。在此次操作中，选取的铜箔进行第三次扫描后表面粗糙度是122.56nm，然而第四次扫描则是133.5nm，因此可知，过多的扫描会导致烧蚀时间的增加，进而导致粗糙度的增加，从而降低工作的效率。

4 结语

由前面的一系列的操作得出的相关结论是在随着单脉冲能量的不断增加烧蚀间也随之增加的条件下，飞秒激光对金属烧蚀的热效应逐渐增加，因此在扫描加工法的过程中，脉冲能量逐渐增大，导致金属表面的烧蚀越加严重，产生氧化物导致表面粗糙度较高。采用弱激光再次扫描技术有助于改善金属的表面质量，在上述的探究过程中即可以看出来此技术的重要作用。因此飞秒激光切割技术具有良好的前景，打破了原有技术的局限性，简化了激光技术的应用。