（光学专业论文）陶瓷基片激光加工技术的实验研究.pdf

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 陶瓷具有耐热性能高、硬度大、化学稳定性好等优异的机械、物理性能，在很多领域都 有广泛的应用。由于陶瓷材料具有脆硬的特点，使用传统加工方法对其加工非常困难，加工 表面容易产生破损，加工效率也不高。激光加工是最近出现的一种很有潜力的加工手段，具 有很高材料去除效率。 本文对影响激光陶瓷划片效果的技术进行了分析和实验研究， 并以紫 外激光划片为例，研究了速度、占空比、脉冲重复频率和离焦量等激光加工工艺参数对激光 划片的影响。 激光切割过程包括直接汽化材料和熔融材料的辅吹气体溅射两种方式， 对陶瓷 材料切割时，由于熔融态陶瓷有较强的黏附性，切割一般得不到很好的切边效果。本文提出 在陶瓷下表面附薄层材料的方法来改善切边效果，并用实验验证了这种方法是可行的。 关键词：激光加工，陶瓷基片，二氧化碳激光器，光纤激光器，紫外激光器，激光 划线 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract outstanding mechanical and physical properties like high thermal resistance, high hardness and chemical stability have encouraged use of ceramics in several applications. the brittle and hard nature of these ceramics makes them difficult to machine using conventional techniques and damage caused to the surface while machining affects efficiency of components. laser machining has recently emerged as a potential technique for attaining high material removal rates. in thesis, a qualitative analysis and experimental verification of the effect of certain factors in relation to ceramics scribing is conducted, and take ultraviolet laser scribing as an example to analyze the effect of those processing parameter to the ceramics scribing, such as velocity, duty ratio, repeat frequency and off-focus offset. laser machining ceramics is carried out by either direct vaporisation or assist gas ejection of laser-melted materials. for ceramics materials, due to the high viscosity of the materials in the molten state, it is difficult to achieve a clean cut. in order to improve this situation, this paper presents a method of attaching thin slab to the lower surface, and verifies it as a possible method by experiment. key words: laser processing， ceramic substrate， co2 laser， fiber laser， ultraviolet laser， laser scribing. 烟台大学学位论文原创性声明和使用授权说明烟台大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解烟台大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 版权声明版权声明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人， 未经本论文作者 同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或以任 何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责 任。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 功能陶瓷与陶瓷基片 对“陶瓷”这一术语，陶瓷学家至今尚未给出一个确切而全面的定义。然而，在 许多场合，陶瓷(ceramics)泛指一切经高温处理而获得的无机非金属材料1,2。本文实 验的研究对象是氧化铝陶瓷基片， 氧化铝陶瓷是功能陶瓷的一份子， 下面先来了解一 下功能陶瓷和氧化铝陶瓷。 1.1.1 功能陶瓷 随着信息、能源、环保和生物科学与技术的迅速发展，陶瓷这个有着悠久历史的 材料又获得了新的长足进展。陶瓷材料的一些物理性能要远优于金属材料3，其开发 和应用对现代科技和工业生产起着十分重要的推动作用4，有人说 21 世纪将是陶瓷 的世纪5。功能陶瓷区别于我们大家熟知的日用瓷、艺术瓷、建筑瓷、电工瓷以及单 纯考虑力学性质的结构瓷。它主要是指利用材料的电、磁、声、光、热等方面直接的 或耦合的效应来实现某种使用功能的陶瓷， 是指在微电子、 光电子信息自动化技术以 及生物医学、 能源和环保工作等基础产品领域中所用的陶瓷材料。 如制造电子线路中 电容器用的电解质瓷， 制造集成电路基片和管壳用的高频绝缘瓷等。 功能陶瓷以其独 特的声、光、电、热、磁物理性质和生物化学以及适当的力学特性等，在相应的工程 和技术中起关键作用6,7。 现代社会的飞速发展推动着尖端科技产品向高强度、高精度、耐高温高压、耐腐 蚀、小型化、智能化的方向发展8，国内对陶瓷产业的发展也很重视，我国有功能陶 瓷生产厂、研究所和设计院近百个，其中主要是在微电子、光电子信息和自动化技术 中应用的电子陶瓷。 功能陶瓷工业在我国已经形成了独立完整的工业生产体系。 我国 陶瓷工业的发展趋势如下9： (1) 原料生产的专业化 原料生产指原材料直至瓷坯体的生产。 功能陶瓷基本上 采用化工工业生产的原材料。为了便于实现质量控制，达到大批量稳定生产、降低成 本等目的， 国外在三十多年前就已实现了原料的专业化生产， 并进一步发展为陶瓷粉 料和坯片的专业化生产。 我国在近十年也逐渐形成部分原料和坯片的专业化生产。 制 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 造元件所需的各种辅助性材料的生产，如胶黏剂、导电浆料、包封料等，也分别形成 专业化生产厂。这样的专业化分工易形成规模经济。 (2) 广泛深入的技术协作 专业化生产必须与技术协作相结合才能发展， 才能使 原料、元器件、整机的生产协调。为了保证这种协作的正常进行，必须有相应的技术 标准、规范和测量检验机构。各专业厂也必须有质量控制和检测手段。如国家标准 (gb)、国际标准(is)、国际标准化组织(iso)认证(如 iso 9000、iso14000 系列)。 (3) 全面质量管理(total quality management，即 tqm) 电子陶瓷的研究工作已 经在高纯原料、超细粉体(包括纳米尺度的无团聚粉体)、高密度、超精密加工等方面 为生产开辟了道路。因此，生产上必然要实行严格的工艺制度，使用精密耐久的生产 设备和建立清洁的生产环境。目前，国内外已有不少工厂建立了无尘车间，这是提高 产品质量、生产高技术产品的保证。 (4) 新工艺、 新设备的研究不断用于生产 我国已引进和自建了一批较先进的工 艺和设备，如喷雾干燥、流延成型、连续等静压、微机控制高温炉、片状化规格化元 器件工艺等。这些新工艺和新设备的引进和研制大大缩短了与世界先进水平的差距， 使我国的电子陶瓷产品产量、质量、品种获得日新月异的提高。 1.1.2 氧化铝陶瓷 功能陶瓷在电子工业中的重要地位源于其在整机中的关键性作用10。例如，一 块集成电路的稳定性和使用寿命， 在很大程度上取决于它的基片或管壳的性能； 一个 自动控制系统的调节范围、精度和灵敏度等主要指标，往往取决于传感器的性能，而 制造这些传感器的主要材料是功能陶瓷； 一台大型计算机的运算速度主要取决于磁性 瓷或铁电瓷薄膜记忆元件。已经形成大量产品的的基片功能陶瓷有以下几类： (1) 高频绝缘陶瓷 主要用作高频支柱、板、管等各种绝缘子及紧固件。它们有 滑石瓷、低碱莫来石瓷、各种氧化铝瓷等。 (2) 电阻基体和电感基体瓷 主要用作电阻器和电感器的基体。 如低碱莫来石瓷、 各种氧化铝瓷等。 (3) 电真空瓷 主要用于真空电子器件中的绝缘、耐热、支承件、密封件、集成 电路管壳和基片等。 氧化铝陶瓷的研制和生产起源于德国，德国西门子公司于 1929 年研制成功了氧 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 化铝陶瓷，1932 年发表氧化铝陶瓷研究成果，1933 年开始了工业化生产。而后美国 各大公司也相继研究氧化铝陶瓷，美国 ac 公司于 1934 年率先研制烧结刚玉，后来 美国有数十家工厂、公司致力于氧化铝陶瓷的开发。近年来，高氏（coors）陶瓷公 司、唯思古（wesgo）公司等显得更为活跃11。在现代工程技术中，氧化铝陶瓷成为 应用范围最广泛的陶瓷之一，因为它具有较高的机械强度、硬度、抗损毁性、高耐火 度、热导率较高及抗化学腐蚀等特性，氧化铝陶瓷大量应用于电子工程、电力工程和 结构设计中。 在电子技术领域中广泛用作真空电容器的陶瓷管壳、 大功率栅控金属陶 瓷管、微波管的陶瓷管壳、微波管输出窗的陶瓷组件、各种陶瓷基板（包括多层布线 基板）以及半导体集成电路陶瓷封装管壳等。它是电真空陶瓷的主要瓷种，也是生产 陶瓷基班级多层布线封装管壳的一种基本陶瓷材料。 氧化铝陶瓷是以 al2o3为主要原料，以刚玉为主要矿物组成，是一种相当重要的 陶瓷材料。氧化铝陶瓷通常以配料或陶瓷中的 al2o3的含量来分类，习惯上把 99 左右的陶瓷成为“99 瓷” ，把含量 95和 90左右的依次称为“95 瓷”和“90 瓷” 。 al2o3的含量在 85以上的陶瓷通常称高铝瓷，含量 99以上的称为刚玉瓷或纯刚 玉瓷12 ，13。 我国目前大量生产的 al2o3陶瓷是 95 瓷，75 瓷的生产也比较普遍。此外也生产 部分 97 瓷和 99 瓷，主要用作薄膜硅片或混合集成电路薄膜基片。 1.1.3 陶瓷基片 前面的叙述中多次提到陶瓷基片， 此处来对基片做一下深入了解。 基片是一种底 座电子元件14,15，是用于承载电子器件及其相互连线，并具有良好绝缘性的基体，可 应用于集成电路板、片式电阻器、电位器、散热片、基座、绝缘板材、可控硅等领域。 由于基片必须和置于其上的各元件在电学性质、物理性质、化学性质上都要相容，一 般而言, 基片应具有高的电绝缘性能、优异的高频特性、高的导热性和耐热性，热膨 胀系数和元件相近、化学稳定性高、 机械强度高、易形成回路（表面平滑度好） 、 价格低等特点。目前, 已研究开发出了一系列不同性能的基片材料, 广泛用于各种电 子电路中。常用基片主要有树脂基片、金属基片、陶瓷基片三大类。 陶瓷基片较金属基片和树脂基片, 其主要优点在于高的电绝缘性能和优异的高 频特性, 具有和元件相近的热膨胀率, 很高的化学稳定性和较好的导热率, 除此之外, 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 还具有良好的综合性能, 从而得到了迅速的发展。高性能的氧化铝陶瓷基片因其硬 度、强度、绝缘性、导热性等特殊性能，在电子工业中已大量用来作为 ic 基板、多 层陶瓷基板等，广泛应用于混合集成电路中，它已成为大规模集成电路、超高速计算 机及大功率通讯设备器件的关键性基材，可谓 it 产业的新宠。近年来,随着国家 it 产业的迅速发展,我国每年对氧化铝陶瓷基片的需求量已超过 100 万平方米,并以每年 10%到 20%的幅度递增。 1.2 陶瓷加工及方法 随着氧化铝陶瓷基片的使用形状日趋复杂， 在陶瓷基片初胚成形后进行划片、 钻 孔、切割等工作也越来越重要。因为陶瓷是由共价键、离子键或两者混合的化学键结 合的物质，在常温下对剪应力的变形阻力很大，且硬度高；并且由于陶瓷晶体离子间 由化学键结合而成，化学键具有方向性，原子堆积密度低、原子间距离大，又使陶瓷 有很大脆性16 ，17。氧化铝陶瓷材料的高硬度及脆性使其可加工性很差，即使有很小 的应力集中现象也很容易被破坏，是一种难加工的非金属材料18，严重阻碍了氧化 铝陶瓷材料的应用发展。近年来，非金属材料的加工日趋成为加工业的研究重点,同 时加工方法也随之形成了从传统加工到复合加工再到特种加工的发展趋势19。 1.2.1 氧化铝陶瓷加工传统方法 用于氧化铝陶瓷的加工方法有很多20。陶瓷材料的去除加工，因材料的性能和 使用要求的不同而不同，常用的加工方法有金刚石砂轮的磨削，电火花加工21,22，超 声波加工23等。 磨削加工是陶瓷材料最主要的加工方法之一， 这种方法去除材料的主要机理是脆 性断裂 24,25。材料加工的表面质量受金刚石砂轮磨料粒度的影响很大，粒度较粗， 加工效率可以提高，但颗粒增大后，磨削表面会变得非常粗糙，产生的裂纹也越大; 若粒度较细，可以降低磨削后的表面粗糙度，但颗粒太细，砂轮磨粒之间的容屑空间 容易堵塞， 致使磨削力增加， 会加快砂轮的磨损。 金刚石磨削加工陶瓷的缺点就在于: 砂轮磨损快， 磨削效率低； 再者由于是接触加工， 陶瓷材料在磨削过程中很容易破裂， 致使废品率增大。 电火花加工是一种电加热加工过程26，将工具电极和工件置于绝缘的工作液中， 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 工件和工具分别接直流脉冲电源正极和负极，加上电压，因电极之间的放电效应，产 生火花放电，通过悬浮于电介质中高能等离子体的刻蚀作用，使工件表层材料融熔， 气化而去除。 电极之间工件材料微小体积上可集中很高的能量， 高温下使材料熔化和 蒸发。然而，陶瓷材料的电火花加工技术难度远远大于一般金属材料27,这是因为陶 瓷具有较大的电阻率,超过电火花可加工范围;再者陶瓷的熔点很高,加工效率很低28。 超声加工则是有一个作超声振动的工具， 在工具和工件间充满磨粒 （通常为立方 氮化硼或碳化硅）的磨料悬浮液，并对工具施加一个加工压力，通过工具端部的超声 振动，磨料不断冲击工件，造成加工面的冲击破坏，形成粉末而被去除。超声波加工 的实质就是在超声波振动作用之下磨粒的机械冲击、 抛磨及磨料悬浮液的空化作用等 综合效应的结果， 其中以磨粒的连续冲击作用为主。 但超声加工存在效率低和工具磨 损严重等问题29，大大限制了超声波加工在工业生产中的广泛应用，同样也限制了 在陶瓷材料加工上的广泛应用。 虽然有很多改良的传统方法在一定程度增强了对陶瓷的加工能力30,31， 但加工过 程中陶瓷表面裂纹的产生， 加工工具的剧烈磨损以及加工效率低等方面问题依然没有 得到根本的解决。 1.2.2 激光加工方法 激光加工是将激光束作用于物体表面而引起物体形状或性能改变的加工过程。 激 光加工具有的单色性好、方向性好、相干性好和高亮度的特征，理论上可以加工任何 高硬度高致密的物质，可以广泛应用于各个行业32，因此，使激光加工具备许多其 他方法不具备的优点33 。 激光加工的工业应用始于 20 世纪 70 年代初， 最初用在硬木板上切非穿透槽、 嵌 刀片、制造冲剪纸箱板的模具34。随着激光器件和加工技术的进步，其应用领域逐 步扩大到各种金属和非金属板材的切割， 应用规模也迅速扩展35,36,37.解决了许多传统 切削加工无法解决的问题。激光加工技术用于加工陶瓷材料，加工速度快，噪声低、 无公害，能使切割效率提高 8-20 倍，能实现极小缝宽的切割38，达到很高的精度。 是陶瓷加工最有前途的加工手段。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 1.2.3 激光加工存在问题及国内现状 激光加工技术在加工业上的应用，在提高产品质量、生产效率和经济效益 上显示出很大的优越性，但它目前还存在不少待解决的问题。 （1）加工机理、参数选择及稳定性 激光对材料的加工材料是一个非常 复杂的过程，目前对激光加工机理的认识还远远不够，其工艺参数的选择和加 工过程的稳定性均需进一步提高。 （2）技术自身缺陷 在对陶瓷、石材、玻璃等材料进行激光加工后，工 件形貌存在着熔融凝固层缺陷和裂纹的问题39-41。近年来对裂纹产生机理及 其消除的研究有很大进展42-46，而对陶瓷进行切割熔渣去除的研究进展不大。 （3）经济性 激光加工设备投资很大、使用维修费都很高。 我国激光加工技术研究起步较晚，工业基础较差，激光加工的整体水平比 较落后47，工业生产自动化程度不是很高，但在国家的高度重视下，经过近 三十年的努力，我国在激光精密加工工艺与成套设备方面，尤其是陶瓷激光划 片及打标等领域有了很大发展， 但在应用市场广阔的微电子线路模板精密切割 与刻蚀工艺、陶瓷片与印刷电路板上各种规格尺寸的通孔、盲孔与异型孔、槽 的激光精密加工等方面尚处于研究与开发阶段。 1.3 本文内容 开发高效率、高质量、低成本的陶瓷加工技术,有着十分重要的意义和经济效益 48。本文以实际工业生产为背景，对陶瓷基片展开划片和切割的技术进行实验研究。 研究内容包括两个部分： (1) 激光基片划片的技术研究 首先，对比了三个不同波段激光基片划片效果， 从光斑大小和激光重复频率的角度分析了对激光划片效果的影响。 其次， 针对紫外激 光陶瓷划线的各种具体技术参数，即对聚焦高度，速度，占空比，频率展开了实验研 究，并对实验数据作了统计分析，对结果作了初步解释。 (2) 激光基片切割的技术研究 对基片切割的研究，针对切割下表面会产生熔 渣，展开实验，尝试在基片材料下表面附薄层材料，希望熔渣可以黏附在薄层材料上 从而实现熔渣去除。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 激光加工 激光技术是 20 世纪中后期发展起来的一门新兴技术。将激光技术应用于材料加 工方面，逐步形成了一种崭新的加工方法激光加工（laser beam machining， 简 称 lbm） 。 近年来， 激光加工技术得到了迅速发展， 广泛应用于加工各种金属、 陶瓷、 玻璃、半导体等材料，在工业生产中发挥着越来越大的作用，这与激光加工技术的日 趋成熟是分不开的， 而对激光加工原理的探索是引导激光加工技术走向成熟的重要途 径，因此，本章将讨论激光加工的机理。 2.1 激光的特点 激光是 20 世纪 60 年代出现的一种光源。“激光” (laser, 即 light amplification by stimulated emission of radiation 的缩写)，意思是利用受激发射实现光放大。 激光也是一种光，它具有一般光的共性(如光的反射、折射、衍射以及光的干涉 等)，也有其它的特性。激光的发射是以受激辐射为主而发光物质中大量的发光中 心基本上是相互关联地同步产生光发射的，各个发光中心发出的光波具有相同的频 率、方向、偏振状态和严格的位相关系。因此它具有强度高、单色性好、相干性高和 方向性好的基本特性。 (1) 强度高 光的强度指单位时间内通过单位面积的能量，用(wcm2)作单位。 光源的亮度通常是在光源表面的单位面积上 在垂直与表面的方向， 单位时间在单位 立体角内发射的光能，用w(cm2sr)作单位。一台红宝石脉冲激光器的亮度可以 比高压脉冲氙灯高 370 亿倍， 比太阳表面亮度高 200 多亿倍。 激光的强度和亮度之所 以如此高 原因在于激光可以实现在空间上和时间上的高度集中。 就光能在空间上集 中面言，如能将分散在 180立体角范围内的光能全部压缩到 0.18立体角内发射， 则当总发射功率不变的情况下， 其功率就可提高 100 万倍。 就光能在时间上集中而论， 将 1s 发射的光压缩在亚毫秒数量级发射，形成短脉冲，则瞬时脉冲功率又可以提高 几个数量级。高能量的激光束是激光作为加工光源的首要因素。 (2) 单色性好 “单色”是指光的频率或波长为一确定的数值，实际上严格的单 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 色是不存在的。波长为0的单色光指中心波长为0，谱线宽为称为该单色光的 谱线宽，它是衡量单色性好坏的尺度，越小，单色性越好。激光光源是目前单色 性最好的光源。图 2-1 给出了自然光和激光的波长与能量分布的关系。它说明自然光 是由波长范围较宽的光构成的，激光由原子受激辐射而产生，因而谱线极窄，但由于 光源中的原于在作热运动， 所以由原子产生的振动频率亦将因多普勒效应的影响而有 一定的宽度，通常称为谱线展宽。单色性好可以保证激光通过一系列的光学系统 后保持良好的光束质量。 图2-1自然光和激光的波长分布 (3) 方向性好 任何一个光源，总有一个发光面，由于光线是直线传播的，在无 穷多的光线中，两光线之间的最大夹角称为该光源发出光的发散角2，日光灯的发 散角为 180，而激光则不同。激光器的发光面上仅仅是一个圆光斑，如一般的氦氖 激光器，这一光斑的半径仅 110mm，而其发散角2=0.18，仅为毫弧数量级。 图2-2 立体角 发散角小说明光的方向性强。发散角可以用立体角来表示49。激光束在空间传 播呈圆锥状，如图 2-2 所示，如面积为 s 的一球面对 o 点所张的立体角为。则 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 与球半径 r 的平方之比即 2 / rs= （2-1） 当角很小时，其立体角为 = 22 /)(rr （2-2） 一般激光器的发散角=10-3弧度量级，这时，=10-6。而一般光源的发散角 为 4，这样立体角相差达 100 万倍以上由此可见激光的方向性是很强的。 2.2 激光加工的基本原理 日常生活中，人们知道太阳光经过凸透镜可以聚焦成一个很小的光点其聚 焦点的温度可达 300以上。然而，直接利用聚焦太阳能进行机械加工是困难 的。这是由于太阳光能的能量密度不大和它是由各种不同波长组合成非单色 光，通过透镜折射时因折射率不同，焦距各不同，难以聚焦成很细的光束，更 不能聚成直径只有几十个m的小光点。这样就不可能在聚焦点附近获得很大 的能量密度和极高的温度来加工工件。 激光则不同，由于它强度高，方向性好，颜色单纯，可以通过一系列的光 学系统，把激光束聚焦成一个极小的光斑，直径仅有几微米到几十微米，获得 10810 10w/cm2的能量密度以及 10000以上的高温，从而能在千分之几秒甚 至更短的时间内使各种物质熔化和气化，以达到蚀除被加工工件的目的。不同 加工工艺有不同的加工过程，有的要求激光对材料加热并去除材料如打孔、切 割等。有的要求将材料加热到熔化程度而不要求去除，如焊接加工。有的则要 求加热到一定温度使材料产生相变，如热处理加工等。不同材料(金属和非金 属)，受激光照射，其加热机理有着本质的区别。 下面就激光对材料加工的物理过程作一概述50， 激光加工是把激光作为热 源，对材料进行热加工，其加工过程大体分为：激光束照射材料，材料吸收光 能；光能转变为热能使材料加热；通过气化和熔融溅出使材料去除或破坏及作 用终止后的冷凝几个阶段。 2.2.1 材料对激光能量的吸收 光束辐射到被加工材料表面上时，部分被吸收，部分被反射，部分被透射。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 反射率主要与材料本身的性能及其表面粗糙度有关， 也与激光的波长及激光辐 照时间有关。一般来说，随着表面粗糙度的降低反射率增大。但粗糙的表面不 一定就是很好的吸收表面， 因为它可能通过其表面上凹凸不平的小平面来散射 光束。在表面租糙度一定的条件下，不同材料对光的吸收情况也不一样。图 2-3 是几种不同材料对对不同光波波长的吸收率。 图 2-3 几种不同材料对对不同光波波长的吸收率 如果设材料表面的反射率为 r，则吸收率为 a=1-r。对于大多数金属，其 反射率为 r7095，当材料表面与空气分界且光波正入射时，r 可用下式 估算： 22 22 )1 ( )1 ( kn kn r + + = （2-3） 式中，n 和 k 是复数折射率的实数和虚数部分。对于非金属材料 k0。 一般而言，导电率高的金属材料对光波的反射率也高，表面光亮度高的材 料其反射率也高。所以在激光加工中，为有效利用光能，往往采取一些措施， 来提高材料对激光的吸收率，例如根据不同的加工材料选择合适的激光波长， 使材料表面粗糙，加工过程中材料自身表面的温升、加热而形成的液相或气相 等，都有利于提高材料对光能的吸收。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2.2.2 材料的加热 材料的加热是光能转换成热能的过程。首先，光能量照射金属表面时，一 部分被金属表面反射，另一部分被吸收。设入射激光束的光功率密度为 qi，材 料表面吸收的光功率密度为 q0，则有 q0=qi(1-r) （2-4） 式中，r 为材料表面的反射率。 被金属表面吸收的光功率密度会深入材料内部，其规律由熟知的朗伯定律 确定。 =eqzq 0 )( （2-5） 式中q(z)为沿光束轴线方向，距金属表面深度z处的光功率密度; -光在材料中的吸收系数 z-从材料表面算起的深度 如果我们规定1=z为光的穿透深度。那末，这个吸收过程仅发生在 被照射金属材料厚度为0.010.1m的范围内，这个现象就是金属的趋肤效 应 激光束在很薄的金属表面层内被吸收， 使金属中自由电子的热运动能增加， 并在与晶格碰撞中在很短时间内(10-1110-10s)把电子的能量转化为晶格的热 振动能。引起材料温度升高，然后按热传导的机理向四周或内部传播，改变材 料表面及内部各加热点的温度。探讨加热阶段材料中的温度分布，无损伤加热 的温度上限等对激光加工工艺极为重要它牵涉到解下列热传导微分方程问 题。设激光束照射方向为z，工件表面为xy平面(坐标原点在工件表面)，则在 直角坐标系中，材料内任一点满足的热传导微分方程为： ()tzyxf z t y t x t ck t t c, 2 2 2 2 2 2 = + + （2-6） 式中 t-某瞬间工件任意点(x，y，z)的温度 c-金属材料的容积比热 k热扩散系数(m2s)； f(x，y，z，t）作用于材料内的热源体积功率密度( 2 /cmw)。 上述方程代表的意义是材料内部单位时间，单位体积内的能量守恒定律。 方程右边代表热源供给的能量。 方程左边第一项代表使材料加热本身所需的能 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 量。第二项代表向周围材料传递所消耗的能量。也就是说，热源供给的能量一 部分使加热点加热，一部分传给周围材料 上式中可令 kk c （2-7） 式中 k-材料的传热系数。 由f (x,y,z,t)的定义，可知它与公式（2-5）有如下关系。 z tzyxq tzyxf = ),( ),( （2-8） 设材料的整个表面是均匀受光照射(出于材料一般传热速度较慢，在光脉 冲作用时间内，传热所及范围小于入射光斑半径，因此可作上述近似假设)， 被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，则公式(2-6)、(2-8)可简化为 c tzf z t k t t ),( )( 2 2 = （2-9） x eqtzf = 0 ),( （2-10） 其中，在求公式(2-10)过程中，已用了公式(2-5)。 为求出上述微分方程的解，还必须根据具体的加工条件，给出热传导微分 方程的边界条件和起始条件。通常的解有比较复杂的函数形式，以后各章将根 据不同加工情况所给出的边界条件及起始条件得出尽可能合理的解。 在光照时 间较长时，被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到平衡状态， 此时光斑中心温升可由下面公式确定 0 kr ap t = （2-11） 式中a-吸收系数； p-入射的激光功率 r0-光斑半径， k-材料的导热系数。 对于非金属材料，一般它的导热性很小，在激光的照射下，其加热不是依 靠自由电子。在激光波长较长时，光能可以直接被材料的晶格吸收而使热振荡 加剧。在激光波较短时，光能激励原子壳层上的电子，这种激励通过碰撞而传 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 播到晶格上，激光能转换成为热能。 2.2.3 材料的破坏 激光照射引起材料的破坏是指在足够功率密度的激光束照射下，使被加工 材料表面达到熔化和气化温度，从而使材料气化蒸发或熔融溅出。激光功率密 度过高时，材料在表面上气化，而不在深处熔化。如果功率密度过低，则能量 就会扩散分布和加热较大体积，这时会使焦点处熔化深度很小。这在陶瓷基片 的划片中得到充分体现，表现在对划线宽度和划线深度的影响上。有些激光加 工工艺， 如激光焊接， 要求加热温度有一定的限制， 但要达到较大的熔化深度。 此时应该提高总输入功率而使用较小的功率密度和较长的作用时间。 随着作用 时间的增长和功率密度的减小，很快达到了平衡状态，即输入的能量和由于热 对流、热辐射、热传导到温度较低处而造成的能量损耗保持均衡，温度不再上 升。所以，如果功率密度与作用时间选择合适，可使材料达到最大熔化深度。 为此在利用激光脉冲进行焊接时，就要增加激光脉冲宽度，同时减小脉冲峰值 功率。在利用连续激光器焊接时，为了熔透尽可能厚的材料，一般将激光功率 密度人为地减小，使光点聚焦于工件表面之外，并选择很小的进给速度。提高 激光功率密度，使材料表面达到气化温度，部分材料被气化。由于激光进入材 料的深度很小，所以在激光光点中央，表面温度迅速提高，利用激光脉冲可以 达到1010s的加热速度，产生106cm的温度梯度，所以可在极小区域 达到材料的熔化和气化温度而破坏材料。这种局部去除材料的效应可用于打 孔、动平衡、电阻微调等方面。 在脉冲激光的作用下，首先是一个脉冲被材料表面吸收，由于材料表层的 温度梯度很陡，表面上先产生熔化区域，接着产生气化区域，当下一个脉冲来 临时，光能量就被熔融状材料吸收，此时较内层材料中就能达到比表面气化温 度更高的温度，使材料内部气化压力加大，促使材料外喷，把熔融状的材料也 一起喷了出来。 所以在一般情况下， 材料是以蒸气和熔融状两种形式被去除的。 功率密度更高而脉宽很窄时，这就会在局部区域产生过热现象，从而引起爆炸 性的气化，此时材料完全以气化的形式被去除而几乎不出现熔融状态。至于非 金属材料在激光照射下的破坏，则完全是另外一些效应，这些效应很复杂，不 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 同的非金属材料又有很大区别。一般非金属材料的反射率比金属低得多，因而 进入非金属材料内部的激光能量就比金属多得多。 有机材料一般具有较低的熔 点或软化点。有些有机材料由于吸收了光能，内部分子振荡十分激烈，以致使 通过聚合作用形成的巨分子又起解聚作用，部分材料迅速变成了气体状态，激 光切割有机玻璃就是这种情况。有些有机材料如硬塑料和木材、皮革等天然 材料，在激光加工中会形成高分子沉积和加工位置边缘碳化。对于无机非金属 材料，如陶瓷、玻璃等，在激光的照射下几乎能吸收激光的全部光能但由于 其导热性很差，加热区很窄，会沿着加工路线产生很高的热应力，从而产生无 法控制的破碎和裂缝。另外，材料的热膨胀系数也是衡量激光对其加工可行性 的一个重要因素，如石英的热膨胀系数很小，激光切割和焊接石英材料就不成 问题，而玻璃的热膨胀系数大，加工中常常出现碎裂。 2.3 激光参数与聚焦特性 激光与材料相互作用的过程，不仅取决被作用材料的特性和作用时外部环 境的影响，激光光束的特性是其中最重要的因素之一。因此要对激光的聚焦特 性进行必要的讨论。 激光束对材料进行加工要求激光具有很高的能量密度，直接从激光器中出 射的激光一般还达不到直接加工材料的能量密度，因此要将激光束聚焦，把能 量集中于焦点区域，以实现高的激光能量密度。由于激光束存在衍射现象最 大的功率密度出现在最小的焦斑尺寸（衍射极限）处。实际光路中，最小光斑 尺寸的获得还要受光学元件等各种具体条件的制约。 激光发散角是影响激光束聚焦特性的重要因素，下面就介绍一些关于发散 角有关的理论。 2.3.1 平面光波的发散 首先对横截面为圆形且截面内光强均匀的平面光波经透镜聚焦的情况进 行讨论、讨论时定义两个无维坐标u和v 2 2 2 f za u = （2-12） 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 f ar v 2= （2-13） 式中坐标取向与光束传播方向相同；a为透镜通光半径，f为聚焦透镜焦 距。 下面我们仅考虑在光传播方向上和焦平面的光强分布。根据圆孔的夫琅和 费衍射公式计算，可得到焦平面(u0)处光强分布为 1 2 1 22 2 )(2 ), 0(i v vj f a vi = （2-14） 式中，j1为以第一类贝塞尔函数；i0是总光强。 设r为衍射极限对应的焦斑半径，根据圆孔衍射的第一级极小条件可有 f a rs 2 22. 1 = （2-15） 事实上， a2 22. 1 就是在衍射极限条件下的发散角，如将其记为时就有 fr= （2-16） 在传播方向上（v=0）的光强分布为 1 22 2 2 ) 4 4 sin ()0 ,(i f a u u ui = （2-17） 而在光斑中心区域，即u=0，v=0处有 1 22 2 0 )0 , 0(i f a ii = （2-18） 特别在u=41.39时，i（u，0）将降低至峰值的一半。此时若用zs表示聚焦深 度，则有 ) 2 (39. 14 2 2 a f z s = （2-19） 2.3.2 激光束的发散 激光束分近场区和远场区。对高斯光束，当传播距离/ 2 d小于(其中为 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 激光波长，d为激光输出孔径)时、光束分散很小，为近场区。当距离大时， 光束的扩散由衍射效应决定，发散角一般在d/的量级。 最重要而又简单的激光模式是基模，其光束横截面上光强呈高斯分布对 应的近场光强分布的数学表述为 2 2 2 1 1 exp )1 ( ),( u v u i vui + + = (220) 即焦平面上光强沿径向呈指数降低，这时高斯光束的最小光斑尺寸定义为 v1时的r即 a f rs 2 = (2-21) 在激光传输方向上，聚焦深度u=1，因而有 2 2 2 a f zs = (2-22) 若高斯光束的最小光斑半径用 m 表示，则在z处的光束半径为 2 1 2 2 )(1 )( m m z z += (2-23) 为了更好的描述激光与材料相互作用时光束在靶上的聚焦情况51， 引入无 维参量并定义为 m z 0 = (2-24) 式中z0为靶表面到束腰的距离；2为聚焦透镜的数值孔径，2d/f，d为光 束在透镜上的光斑大小。当靶在束腰之外时，为“+” ；当靶在束腰之间时， 为“-” ，如图2-4所示。 图 2-4 激光聚焦于靶材示意图 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 以上讨论可见，激光束的发散角对聚焦焦斑大小起决定性的作用，从而可 以用激光聚焦特性参数q（或称聚焦特征值）来表征该光束的聚焦性质，即定 义 高斯光束的发散角 非高斯光束的发散角 =q （2-25） 一般而言，q值越大，光束的聚焦性能越差，对应的焦斑尺寸愈大：1=q 表示该光束是高斯光束。 2.3.3 激光光束发散角的缩小 激光光束的发散角本来就小，但有时在一些应用场合需要发散角更小的激 光束。如要求聚焦焦斑直径为m的数量级，若将激光器直接输出的光束聚焦， 就不能达到要求，此时就需要进一步缩小激光束的发散角。 图2-7给出了激光束的两种准直法52，他们都是利用倒置的望远镜实现 的。由图2-7a不难看出输出光束直径d2和输入的光束直径d1的比值为f2/f1， 而发散角和光束直径成反比，所以 1 2 1 2 f f = （2-26） 例如，当 12/ f f为1：30时，讨论倒置望远镜he-ne激光发散角的影响。 设he-ne激光原发散角mrad2 . 0 1 =，利用倒置望远镜准直后，可使发散角缩 小1/30，从而发散角 2 =6.710-3mrad. 图2-5b给出了激光束准直的另一种方法。这种方法由凹透镜和凸透镜组 成的系统，比图2-5a所示的系统更为紧凑，该系统更适合在高功率激光系统 中使用，这是因为在凹和凸透镜之间没有实焦点存在，从而可避免空气击穿。 (a) (b) 图2-5激光束的准直法 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 在激光加工光路中，很多场合下要用到类似的光学器件，就是利用它们在 光路中既有准直又同时具有扩束的作用， 准值后的光束在光学反射镜下的损耗 可以很小，同时激光经扩束后在聚焦到加工工件上可以获得更小的光斑尺寸， 这些在后面还有讨论。 2.3.4 作用激光功率密度的提高 高效的利用激光实现加工，需要使作用于材料的激光功率密度(或能量密 度)符合具体加工的需求，从而实现激光对不同材料的加工。因此，要根据需 要对激光与材料相互作用的条件进行调整，即改变加工的具体工艺参数，常用 的方法有以下几种。 (l) 改变聚焦透镜到靶材的距离 当激光束与材料相互作用时、作用在靶材上的激光光斑面积越大。对应的 能量密度愈小，因而改变聚焦透镜到靶材的距离就能改变作用激光能量密度。 此时要注意到对透明的材料而言、激九