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难加工材料激光与化学复合刻蚀加工的研究 摘要 激光与化学复合刻蚀加工是一种将激光加工和化学腐蚀相结合的复合加工 方法，它利用激光能量烧蚀材料，同时经过激光加热的腐蚀液对加工表面进行 腐蚀加工，具有较高的加工效率并可获得较好的加工表面质量。 本文在利用n d ：y a g 脉冲激光器、采用无机酸作为腐蚀液对几种难加工 材料进行激光与化学复合刻蚀加工试验的基础上，比较系统地研究了复合加工 的加工工艺与机理。主要研究内容如下： ( 1 ) 系统研究了激光工艺参数和腐蚀液参数对复合加工蚀除量和表面质量 的影响规律：激光能量和脉冲宽度越大，加工蚀除量越大，加工表面越粗糙； 扫描速度越慢，加工蚀除量越大，加工表面越平整；重复频率增大，加工蚀除 量先增大后减小，加工表面质量不断提高。腐蚀液浓度越高、流速越快，加工 蚀除量越大，加工表面质量越高。 ( 2 ) 分析并仿真了复合加工中各物理过程的模拟图；对复合加工表面进行 能谱分析，根据其成分能谱曲线分析研究不同材料在不同腐蚀液下复合加工的 化学反应过程：对同种材料在不同腐蚀液下复合加工和不同材料在同种腐蚀液 下复合加工的表面形貌分别进行了微观对比分析。 激光与化学复合刻蚀加工的研究，为难加工材料提供了一种高效优质的复 合加工方法，具有重要的理论意义和较高的应用价值。 关键词：激光加工；化学腐蚀；复合刻蚀加工；蚀除量；表面质量 s t u d yo ft h el a s e r c h e m i c a lc o m b i n e de t c h i n g f o rh a r d t o m a c h i n em a t e r i a l a b s t r a c t l a s e r c h e m i c a lc o m b i n e de t c h i n gi san e wp r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hc o m b i n e s l a s e rp r o c e s s i n ga n dc h e m i c a le r o d i n g t h i sp r o c e s sa b l a t e st h em a t e r i a l sw h i c h a r e c h i e f l ya p p l i e db yl a s e re n e r g y ，u s e st h ec o r r o s i v el i q u i d sh e a t e db yt h el a s e r t o e r o d eo nt h ep r o c e s s i n gs u r f a c ea tt h es a m et i m e t h u si t sp r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n d s u r f a c eq u a l i t yh a v eb e e ni m p r o v e d s y s t e m i ce x p e r i m e n t s o fl a s e r c h e m i c a lc o m b i n e de t c h i n g o ns e v e r a l h a r d t o m a c h i n em a t e r i a l sh a db e e nc a r r i e d o u tw i t hp u l s e dn d ：y a gl a s e r ， i n o r g a n i ca c i d sa sc o r r o s i v el i q u i d t h ep r o c e s s i n gt e c h n i c s a n dm e c h a n i s mo t 1 a s e r 。c h e m i c a lc o m b i n e de t c h i n gw e r es t u d i e d t h em a j o rc o n t e n t sa r ef o l lo w i n g s ： ( 1 ) i tw a ss t u d i e da n da n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yh o wt h e l a s e rt e c h n o l o g i c a l p a r a m e n t sa n dp a r a m e n t so fc o r r o s i v el i q u i d s a f f e c t e dt h ee c l i p s e dq u a n t i t ya n d q u a l i t yo fp r o c e s s i n gs u r f a c ei nl a s e r c h e m i c a lc o m b i n e de t c h i n g t h eb i g g e rl a s e r e n e r g ya n dp u l s e w i d t hi s ，t h em o r ee c l i p s e dq u a n t i t ya n dt h em o r er o u g h p r o c e s s i n gs u r f a c e ；t h es l o w e rs c a n n i n gs p e e di s ，t h em o r ee c l i p s e dq u a n t i t ya n d t h eb e t t e rp r o c e s s i n gs u r f a c e ；w h e nt h er e p e t i t i o nr a t e i n c r e a s e d ，t h ee t c h i n g q u a n t i t yi n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ，m e a n w h i l et h eq u a l i t yo fp r o c e s s i n g s u r f a c ei m p r o v e d ；t h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o no fc o r r o s i v el i q u i d sa n d t h ef a s t e rf l o w i s ，t h em o r ee c l i p s e dq u a n t i t ya n dt h eb e t t e rp r o c e s s i n gs u r f a c e ( 2 ) t h es i m u l a t i o nm a p s o fe v e r yp h y s i c a lc o u r s ei n t h el a s e r - c h e m i c a l c o m b i n e de t c h i n gw e r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d p r o c e s s i n gs u r f a c e sw e r ea n a l y z e d w i t hs p e c t r u m b a s e do nt h e i rc o m p o s i t i o ns p e c t r u ma n a l y s i sc u r v e ，t h e nc h e m i c a i r e a c t i o np r o c e s s e sw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e di nc o m b i n e dp r o c e s s i n gt od i f f e r e n t m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tc o r r o s i v el i q u i d s m i c r op r o c e s s i n gs u r f a c es h a p e so ns a m e m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n t c o r r o s i v el i q u i d sa n dd i f f e r e n tm a t e r i a l sw i t hs a m e c o r r o s i v el i q u i da p p l i e dl a s e r c h e m i c a lc o m b i n e de t c h i n gw e r ec o n t r a s t e d a n d a n a l y z e d t h er e s e a r c ho fl a s e r c h e m i c a lc o m b i n e de t c h i n gw i l lg i v e u s a ne f f i c i e n t c o m b i n e dp r o c e s s i n gm e t h o dt op r o c e s st h eh a r d - t o - m a c h i n em a t e r i a l ，w h i c hs h o w s t h a tt h i st e c h n i q u eh a si m p o r t a n tt h e o r e t i cm e a n i n ga n dh i g h l ya p p l y i n gv a l u e k e yw o r d s ：l a s e rp r o c e s s i n g ；c h e m i c a l e t c h i n gq u a n t i t y ；s u r f a c eq u a l i t y e r o d i n g ；c o m b i n e de t c h i n gp r o c e s s i n g ； 图表清单 图2 1材料在激光作用下的不同状态变化8 图2 2激光铣削原理图9 图3 1h g l v i b 型激光加工系统1 1 图3 2 试验装置示意图1 2 表3 1试验材料的热物理学参数1 2 表3 2几种难加工材料的化学成分1 2 图4 i腐蚀液冲蚀式复合加工1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的表面形貌1 5 图4 2腐蚀液浸泡式复合加工1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的表面形貌1 5 图4 3激光加工后腐蚀的w 1 8 c r 4 v 高速钢表面形貌1 6 图4 4激光能量对w 1 8 c r 4 v 高速钢复合加工蚀除量的影响1 7 图4 5腐蚀液浓度对w 1 8 c r 4 v 高速钢复合加工蚀除量的影响1 7 图4 6腐蚀液流速对w 1 8 c r 4 v 高速钢复合加工蚀除量的影响1 8 图4 7 激光脉冲能量对w 1 8 c r 4 v 高速钢复合加工蚀除量的影响1 9 图4 8激光扫描速度对w 1 8 c r 4 v 高速钢复合加工蚀除量的影响1 9 图4 9激光脉冲宽度对w 1 8 c r 4 v 高速钢复合加工蚀除量的影响2 0 表4 1 0 激光重复频率对w 1 8 c r 4 v 高速钢复合加工蚀除量的影响2 1 图4 1 1 腐蚀液浓度对不同材料复合加工蚀除量的影响2 1 图4 1 2 腐蚀液流速对不同材料复合加工蚀除量的影响2 1 图4 1 3 激光能量对不同材料复合加工蚀除量的影响2 2 图4 1 4 激光扫描速度对不同材料复合加工蚀除量的影响2 2 图4 1 5 激光脉冲宽度对不同材料复合加工蚀除量的影响2 3 图4 1 6 激光重复频率对不同材料复合加工蚀除量的影响一2 3 图4 1 7 复合加工和激光铣削下激光能量与加工蚀除量的变化曲线2 4 图4 1 8 复合加工和激光铣削下激光扫描速度与加工蚀除量的变化曲线2 4 图5 1腐蚀液成分对w 1 8 c r 4 v 高速钢表面形貌的影响2 6 图5 2腐蚀液浓度对w 1 8 c r 4 v 高速钢表面形貌的影响2 7 图5 3腐蚀液流速对w l8 c r 4 v 高速钢表面形貌的影响2 7 图5 4激光脉冲能量对w l8 c r 4 v 高速钢表面形貌的影响2 7 图5 5激光脉冲宽度对w 1 8 c r 4 v 高速钢表面形貌的影响2 8 图5 6激光重复频率对w 1 8 c r 4 v 高速钢表面形貌的影响2 9 图5 7激光扫描速度对w 1 8 c r 4 v 高速钢表面形貌的影响2 9 图5 8复合加工与单纯激光铣削c r l 2 模具钢的表面形貌对比3 0 图5 9复合加工与单纯激光铣削1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的表面形貌对比3 1 图5 1 0 直线型扫描路径示意图3 2 图5 1 1 边长6 e r a 的正方形型腔3 2 图5 1 2 环型扫描路径示意图3 3 图5 1 3 环型扫描路径对表面形貌的影响3 3 图5 1 4 利用优选的加工参数复合加工w 1 8 c r 4 v 高速钢后的表面形貌3 5 图6 1腐蚀液以及试样表面材料加热示意图3 6 图6 2试样表面材料的熔化与气化示意图3 7 图6 3 复合加工熔体飞溅照片3 7 图6 4复合加工试样表面的微观形貌3 8 图6 5表面残留颗粒的成分能谱曲线3 8 表6 1表面残留颗粒的主要组成元素3 8 图6 6熔体的喷溅与溶解3 9 图6 7复合加工的圆形型腔4 0 图6 8单纯激光铣削c r l 2 模具钢熔渣的x 射线衍射图4 1 图6 9单纯激光铣削w 1 8 c r 4 v 高速钢熔渣的x 射线衍射图4 1 图6 1 0 以h c l 作为腐蚀液复合加工c r l 2 模具钢表面的成分能量谱线4 2 表6 2以h c i 作为腐蚀液复合加工c r l 2 模具钢表面的主要组成元素4 2 图6 11 以h n 0 3 作为腐蚀液复合加工c r l 2 模具钢表面的成分能量谱线4 3 表6 3以h n 0 3 作为腐蚀液复合加工c r l 2 模具钢表面的主要组成元素4 3 图6 1 2 以h c l 作为腐蚀液复合加工w 1 8 c r 4 v 高速钢表面的成分能量谱线4 4 表6 4以h c i 作为腐蚀液复合加工w 1 8 c r 4 v 高速钢表面的主要组成元素4 4 图6 1 3 以h 2 s 0 4 作为腐蚀液复合加工w 1 8 c r 4 v 高速钢表面的成分能量谱线 z i ：i 表6 5以h 2 s 0 4 作为腐蚀液复合加工w 1 8 c r 4 v 高速钢表面的主要组成元素 z i ! ； 图6 1 4 单纯激光铣削c r l 2 模具钢的表面微观形貌4 5 图6 1 5 以h 2 s 0 4 作为腐蚀液复合加工w 1 8 c r 4 v 高速钢的表面微观形貌4 6 图6 1 6 以h c l 作为腐蚀液复合加工w 1 8 c r 4 v 高速钢的表面微观形貌4 6 图6 1 7 以h c l 作为腐蚀液复合加工c r l 2 模具钢的表面微观形貌4 7 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：参秘逸 签字日期：h 钐年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金理王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金理王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：呤苎 签字日期：w 了年月fd 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：谬年石月加日 电话： 邮编： 致谢 本研究是在导师陈远龙副研究员的亲切关怀和悉心指导下完成的。几年来， 陈老师不仅在生活上给予我最大限度的帮助，同时本文从选题到整个研究的完 成无不渗透着导师的心血和汗水。同时陈老师渊博的学识、严谨的治学态度和 一丝不苟的工作作风将永远激励我奋发向上。值此成文之际，特向陈老师表示 深深的敬意和衷心的感谢! 在课题试验研究和论文完成过程中，得到了安徽建筑工业学院激光先进制 造技术中心袁根福教授的悉心指导，在课题的研究中给予我具体的指导和帮助， 从而才得以顺利的完成。袁老师严谨致密的治学态度、开拓创新的科研思维、 惜时如金的工作精神、纯朴简洁的生活作风使我受益匪浅。在此向袁老师致以 深深的敬意和由衷的感谢! 在研究和学习过程中得到了安徽建筑工业学院激光先进制造技术中心姚燕 生老师、陈雪辉老师和梁华琪老师等的大力帮助，在此表示深深的感谢! 同时 感谢该中心提供的设备支持，本课题的试验全部是在该中心完成的。 在学习和研究阶段还得到了安徽建筑工业学院材料系朱绍锋副教授的悉心 指导，在此表示由衷的感谢! 衷心感谢万胜美老师在学习期间给予的指导和帮助! 真挚地感谢师弟贾志华、师弟张亮以及宿舍的亲密室友对我学习和生活上 的关心和帮助! 感谢国家自然科学基金的资金支持。 最后，特别向我的父母、妻子和亲友表示诚挚的谢意，感谢他们对我的倾 心关怀和鼎力支持以及为我完成学业所做的巨大牺牲! 作者：徐必超 2 0 0 8 年5 月 第一章绪论 激光是上世纪继原子能和计算机之后，在6 0 年代初发展起来的又一项重大 高新技术。激光技术的迅速发展使其已经涉及科学研究、工业、军事、医学及 日常生活的方方面面，应用领域在不断扩大，几乎包括了国民经济的所有领域。 激光加工技术集光、机、电、材料、计算机等技术为一体，是一种无接触、无 切削力、热影响小、清洁的加工方法。由于可以方便的把计算机编程与激光加 工设备集成起来，因此激光加工容易实现数字化控制。近几十年来，激光加工 技术发展较快，已广泛应用于各个行业，如利用激光技术进行焊接、切割、表 面处理、打孔、开槽、雕刻及快速成形制造等。 1 1 课题背景 随着科学技术的发展，对机械设备结构件和制造这些机械设备的刀具材料 提出了非常苛刻的要求，常需要诸如像精细陶瓷、石英、硅以及各种高合金钢 这类具有高硬度、高强度、高韧性、高脆性的非金属与金属材料，这些材料就 属于我们通常所说的难加工材料。 难加工材料是指切削加工性比较差的材料n 2 1 。通常采用系数k r 表示材料 的相对切削加工性，r i k r = c 0 6 0 ( 0 0 6 0 ) 币。式中( 6 0 ) 华为在刀具寿命定为6 0 m i n ，切 削抗拉强度a b = 0 6 3 7 g p a 的4 5 钢( 以该材料为基准) 时所允许的切削速度，c 0 6 0 为在 刀具寿命定为6 0 m i n ，切削某种材料所允许的切削速度。凡k ， l 的材料，其切 削加工性比4 5 钢好；k r 1 的材料，其切削加工性比4 5 钢差。一般认为k ， o 5 时，属难加工材料。它们难加工的原因一般有以下几个方面：高硬度，高强度， 高塑性和高韧性，低塑性和高脆性，低导热性，有微观的硬质点或硬夹杂物等。 这些特性一般会使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具耐用度下降； 有时还会使已加工表面质量恶化，切屑难以控制，最终使加工效率和加工质量 降低。所以普通的切削方法难以对其进行加工，特别是加工高精度、形状复杂 的工件非常困难。 为了加工这些难加工材料，在上世纪，人们相继研究出电火花加工、电化 学加工、超声加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等特种加工方法。在 特种加工中，工具与工件基本上不接触，加工时无明显的机械作用力，可加工 脆性材料、精密细微零件、薄壁和弱刚性零件等；不是用机械能，而是用电能、 化学能、热能、声能、光能、电化学能等去除被加工材料，这些加工方法与工 件的硬度、强度等机械性能无关，故可加工任何高硬度材料，而工具的硬度却 不很高b 3 。目前，电火花加工多用于加工微孔、深孔、异形孔及各种模具和切 割加工等h 1 ；电化学加工多用于型面、型腔和型孔的加工以及抛光去毛刺等哺1 ； 超声加工可加工、切割硬脆性材料，尤其是加工型孔、型腔等哺1 ；电子束加工 可进行打孔、切缝、刻蚀等多种加工，主要用于大规模集成电路的制作；离子 束加工可对零件表面进行超精密、超微量加工和抛光、刻蚀等h 3 ；激光加工主 要用于精密小孔、窄缝加工及成型切割、表面处理等多种加工呻1 。 在上述加工方法中，激光加工是难加工材料中运用较广的加工方法之一 9 - 1 8 。激光加工作为一种现代精密加工方法，是利用连续的或脉冲的聚焦高能 激光束直接作用于被加工物体，使物质局部瞬间熔化以至气化，或者利用热应 力使材料内产生内裂纹并使裂纹沿着规定的方向扩展，从而达到加工物体的目 的 1 9 o 它也是一种非接触式的加工方法，工件上无机械力的作用，这样就减弱 了机械力对工件表面的破坏作用。同时由于激光是通过瞬时升高工件温度来去 除材料的，当聚焦高能激光束作用于物体局部区域时，其能量密度可达 1 0 争8 j c m z ，瞬间可使任何固体材料蒸发，因此，从理论上说可以用激光来加工 任何种类的固体材料。 由于激光加工技术自身的特点，现在该技术正在难加工材料的加工中得到 越来越广泛的应用。但必须指出，由于难加工材料硬度高、脆性大、抗热震动 能力差，利用激光对其进行精密加工容易产生各种缺陷，如易产生裂纹、表面 粗糙度较高等，因此激光加工作为一种先进的特种加工技术，需要通过与其他 加工技术的复合，来弥补自身的缺陷，从而拓宽其广阔的应用前景。 1 2 难加工材料现有的激光复合加工工艺方法 复合加工是将多种加工方法进行复合，利用多种形式能量的综合作用来实 现对材料( 特别是难加工材料) 进行加工的一种加工手段。由于复合加工技术 可以扬长避短、优势互补，因此能够取得很好的技术和经济效益。下面简要介 绍几种常见的激光复合加工方法。 ( 1 ) 难加工材料的激光辅助切削技术 激光辅助切削技术是美国的s t e p h e n m c o p l e y 和m i c h a e l b a s s 等人在1 9 7 8 年 提出的，用于金属的切削加工，主要有以下两种方式心阳： 加热软化法。聚焦后能量密度很高的激光束照射到位于刀具前方的被切 削材料上，使之受热软化，然后切削。 打孔法。其基本原理是用脉冲激光在切削刀具前面的被加工材料上先打 出一系列的小孔，然后沿打出的孔将被加工材料切除。激光打出的小孔相当于 将被加工材料先剥离了一部分，而切削刀具则完成剩余部分的切除工作，这时 工件的切削表面是不连续的，因而可减小切削力。 激光辅助切削技术目前主要应用于a 1 2 0 3 颗粒增强铝基复合材料、陶瓷 ( s i c 、莫来石陶瓷) 等难加工材料的加工口。 ( 2 ) 难加工材料的激光与电火花复合加工技术 激光与电火花复合加工技术首先是利用激光在工件上加工出贯穿的预孔， 使其具备电火花加工所需的良好排屑条件，然后再进行电火花精加工，以实现 高效率、大深径比的深孔加工。日本的桥川制作所开发的激光与电火花复合微 2 细精密加工系统，可以进行一些超硬材料的大深径比的加工。在进行1 0 0 i _ t m 、 深径比超过1 0 倍的精密微细孔的加工中，对比试验结果表明，“激光+ 电火花加 工 是效率最高的复合加工方法。目前该系统的工艺尚处于探索中，但激光与 电火花复合精密微细加工系统在实现高效、精密微细、大深径比的深孔加工方 面展示的前景是十分美好的心刳。 ( 3 ) 难加工材料的激光与水射流复合切割技术 激光切割和水射流切割都是目前很先进的切割方法心引。瑞士联邦工艺研究 所将这两种方法复合，发明了切割效果更佳的激光水射流复合切割法，它是将 激光束耦合在头发丝粗细的低压水流中进行切割。脉冲激光束经聚焦后，进入 金刚石喷嘴，和低压水流一起同时从喷嘴喷射出来。激光束由于受到水空气界 面对它的全反射，被水柱导引从而完全到达被切割材料。水柱成了激光的导向 装置，导引激光进行切割加工。在该加工中，水不仅能够把切割碎屑带走，防 止碎屑黏附在工件的表面，还能够起到冷却作用，从而大大地提高了切割的质 量1 。 激光水射流复合切割技术的优异特性使其在机械、电子、医学、光学等加 工领域具有广阔的应用前景。例如在难加工材料机械加工方面，可以对多晶金 刚石( p c d ) 、立方氮化硼( c b n ) 、陶瓷等超硬材料刀具进行切割，切割2 m m 厚的超硬材料时缝宽能达到5 9 m 以下。 ( 4 ) 激光诱导湿刻加工方法 激光刻蚀加工和湿法刻蚀( 化学、电化学刻蚀) 是适用于难加工材料的重 要技术，其中激光刻蚀加工已经广泛应用于难加工材料的微结构加工，湿法刻 蚀加工一般用于金属难加工材料的大尺度加工，但这几种刻蚀技术都有不尽人 意之处瞻卜2 引。因此有人设想把它们结合起来，以提高材料的刻蚀速率和加工质 量。 自2 0 余年前，v o ng u t f e l dr j 利用激光诱导浓k o h 溶液对硅晶体和 a 1 2 0 a t i c 陶瓷进行化学刻蚀以来心9 j ，激光诱导湿刻( l a w e ，l a s e ra s s i s t e dw e t e t c h i n g ) 由于其将激光与传统的化学、电化学刻蚀相结合，具有刻蚀速率快、 刻蚀温度低、刻蚀深度大等优点，得到较为广泛的研究和应用。如n o w a kr 等 人分别以连续氩离子激光器和n d ：y a g 激光器作为光源，对浸入h 3 p 0 4 溶液、 h 2 s 0 4 溶液及k o h 溶液中的不锈钢和镍分别进行诱导湿刻，所得微结构的深宽 比大于1 0 们；s h i nys 等人利用氩离子激光对沉浸在h 3 p 0 4 溶液中的钛合金进行 诱导湿刻，得到了悬臂梁和矩形槽等微结构口。以上所述的是利用激光的热化 学效应对金属材料进行刻蚀，即在激光照射区，金属表面的钝化膜吸收光子能 量，达到或接近熔点而被软化，软化的钝化膜在化学和物理作用下被溶解或剥 离，软化与溶解两种过程不断交替重复进行，最终获得我们所需要的微结构。 同时由于激光的能量作用，光照区和非光照区刻蚀速率明显不同，从而可以实 现对金属进行选择性刻蚀m ，。 在半导体材料激光诱导湿刻方面，其加工机理主要是在激光照射区，半导 体材料吸收激光的光能，使电子和空穴的浓度发生显著变化，从而促使其与电 解液发生反应，使刻蚀速率在激光照射区和非照射区有明显区别，达到选择性 刻蚀的目的b 别。在硅材料的刻蚀加工方面，杨杰等利用过氧化氢和氟化氢混合 水溶液作为介质，分别利用各种激光器在硅上进行图形刻蚀朝；华中科大的柳 海鹏等人研究了准分子激光增强电化学刻蚀特性们等。在其它半导体材料方 面，k h a r er 等利用氩离子激光器对沉浸在h c l 和h n 0 3 溶液中的g a a s 进行直接 诱导湿刻光栅阳钉，张玉书等利用准分子激光诱导湿亥l j g a a s ，得到的图形边界光 滑陡直，底部光滑平整b 引。 以上分别介绍了利用激光诱导对几种材料进行微结构湿刻，不同材料的湿 刻机理虽然不尽相同，但利用激光诱导湿刻技术，都显著提高了材料的微刻蚀 速率和加工质量。 上述四种激光复合加工方法都具有各自的特点，如激光辅助切削技术具有 如下优点：可以处理形状复杂的工件表面，并能控制处理区域的深度和形状； 可控制输入能量，处理后工件变形小；能量密度高，加工时间短等，但是该方 法很难控制激光加热的温度，同时也难以确定各种材料的合理激光参数和切削 参数乜0 2 1 1 。激光电火花复合加工的加工速率较高，但加工稳定性较差。激光与 水射流复合切割的切割深度较深，加工速度高，但切缝质量不能令人满意，特 别是对于高反射、高热导率材料的加工乜钊。激光诱导湿刻具有刻蚀效率高，刻 蚀速率易控、刻蚀深度大等优点，但其应用具有一定的局限性，目前主要用于 制备高分辨率和大深宽比的微结构。因此为了弥补现有的在难加工材料大尺度 精密加工中存在的不足，我们设想研究一种新型的复合加工方法一激光与化学 复合刻蚀加工。 1 3 研究激光与化学复合刻蚀加工技术的意义和设想 在工业中常需要对难加工材料进行数毫米以至数百毫米的大尺度加工，而 针对耐腐蚀难加工材料的大尺度精密加工在工业上却是一个技术难题。 由于激光是通过瞬时升高工件温度来去除材料的，可加工任何种类的固体 材料，因此人们研究出激光铣削加工方法。它是利用激光产生的连续的或脉冲 的聚焦高能束直接作用于被加工材料，使之局部瞬间熔化以至气化，烧蚀物体 形成孔，再按一定的规律控制激光束的移动，进行大面积烧蚀，从而实现大尺 度加工。这有点类似于机械铣削，因此被称为激光铣削b 利。目前激光铣削已经 在一些精密器件加工中获得应用阳8 4 0 | 。 激光铣削存在的主要问题是：一方面，由于它是利用激光一点一点来烧蚀 加工工件，所以加工效率较低。另一方面，因为激光铣削过程中有熔体的喷溅， 铣削表面存在大量熔渣；同时当采用提高激光功率密度的方法来提高激光铣削 4 的速率时，会因表面温度梯度大而产生的较大热应力，很容易在材料表面产生 微裂纹，因此两者共同造成激光铣削表面质量较差。 如果把激光诱导湿刻这一思想用于材料的大尺度加工，将有可能为难加工 材料、特别是非导电难加工材料的大尺度精密加工提供一个有效的方法，目前 还基本没有这方面的研究报道。在此，我们设想把前期已经系统研究并获得一 定应用的激光铣削和化学腐蚀相结合，其复合加工机理既和前面介绍的激光诱 导湿刻机理有相同之处( 即都是利用激光的能量作用，使腐蚀液局部温度升高， 引起液体强烈的微对流，加速离子的交换和对沉淀物的冲刷，以提高刻蚀速率) ， 但又有很大的不同，主要表现在：激光与化学复合刻蚀时材料首先是在激光的 高功率密度作用下，直接发生烧蚀加工，然后再利用腐蚀液对其进行腐蚀加工。 激光的作用主要是通过激光能量以及材料与氧气化学反应的热能使材料以熔渣 的形式从基体材料上剥离出来，化学腐蚀的作用是通过溶解激光加工过程中的 凸点和熔渣等来提高材料的表面质量；同时两者的耦合作用进一步促进加工表 面的物理与化学反应，从而共同达到去除材料的目的。 如果能够系统的研究激光铣削和化学腐蚀相结合的加工机理，进一步解决 好两者相结合的技术问题，就可以改善单独利用激光大尺度铣削零件存在的不 足，无疑可以提高零件的加工速率和表面质量，为难加工材料的大尺度精密加 工又提供了一个有效的方法。 1 4 研究内容 本论文主要采用激光与化学复合刻蚀加工方法对难加工材料如模具钢、高 速钢和不锈钢等进行加工试验研究，具体研究内容如下： 1 、分析激光加工和化学腐蚀各自的特点，制定将两者复合进行加工的方式， 设计并制作试验简易装置。 2 、通过试验不同的腐蚀液对复合加工蚀除量和表面质量的影响，综合考虑 其加工效果，找出效果最好的腐蚀液进行课题试验。 3 、分别对不同的难加工材料进行试验，研究激光工艺参数和腐蚀液参数对 复合加工蚀除量的影响规律，并系统分析其试验结果。包括： ( 1 ) 研究分析腐蚀液参数( 成分、浓度和流速) 对复合加工蚀除量的影响 规律。 ( 2 ) 研究分析激光工艺参数( 脉冲能量、重复频率、脉冲宽度和扫描速度) 对复合加工蚀除量的影响规律。 ( 3 ) 对比分析激光工艺参数和腐蚀液参数对不同材料复合加工蚀除量的影 响规律。 ( 4 ) 将单纯激光铣削与复合加工的蚀除量进行对比，并对结果进行研究分 析。 4 、研究激光工艺参数和腐蚀液参数对复合加工表面质量的影响规律，并系 统分析其试验结果。包括： ( 1 ) 分析研究腐蚀液参数( 成分、浓度和流速) 对复合加工表面质量的影 响规律。 ( 2 ) 分析研究激光工艺参数( 脉冲能量、重复频率、脉冲宽度和扫描速度) 对复合加工表面质量的影响规律。 ( 3 ) 将单纯激光铣削与复合加工的表面质量进行对比，并对结果进行研究 分析。 5 、进行激光扫描路径的优化，研究不同扫描路径对加工表面质量的影响。 6 、在上述试验的基础上，优化加工参数，利用光学显微镜对加工表面进行 观察，测量其加工精度，对复合加工质量进行评定。 7 、复合刻蚀加工的机理分析： ( 1 ) 根据激光对材料的作用过程，结合激光加工中的加工现象和表面形貌， 分析并仿真复合加工中的模拟图。 ( 2 ) 对试样加工表面进行能谱分析，根据成分能谱曲线分析研究不同材料 在不同腐蚀液下复合加工时的化学反应过程。 ( 3 ) 对同种材料在不同腐蚀液下复合加工和不同材料在同种腐蚀液下复合 加工的表面形貌分别进行微观分析。 6 第二章激光与化学复合刻蚀加工基本原理 2 1 激光束特性及其对材料的作用 激光一词“l a s e r 是“l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n ”首字母 的缩写，意为“受激辐射的光放大”。它是利用原子或分子受激辐射的原理，使工作 物质受激而产生的一种高单色性、高方向性和高亮度的光束。 2 1 1 激光束特性 激光束和其它光束一样，可以通过透镜或金属反射加以聚焦，由于发散角小，激 光束经聚焦后可以将其巨大的能量聚焦到直径为光波波长量级的光斑内，形成极高的 能量密度。与其它光源相比，激光束最突出的特性是单色性好、相干性好、方向性好 及亮度高h 。 ( 1 ) 单色性好。光源的单色性是指光源谱线的宽窄程度，如果谱线较窄，则说 明光源单色性好，反之单色性差。普通光源发出的光均包含较宽的波长范围，即谱线 宽度宽，而激光束为单一波长，谱线宽度极窄，通常在数百纳米至几微米，与普通光 源相比，谱线宽度窄了几个数量级。 ( 2 ) 相干性好。光的相干性是指在不同时刻、不同空间点上两个光波场的相关 程度，可分为空间相干性和时间相干性。普通光源发出的光不具有相干性，不会产生 干涉现象，而激光具有很好的相干特性。激光束叠加在一起，其幅度是稳定的，在相 当长时间内，可保持光波前后的相位关系不变，这是任何其他的光源所达不到的。 ( 3 ) 方向性好。光束的方向性通常用光束发散角来衡量。普通光源发射的光射 向四方，光束发散角大，没有什么方向性；而激光发散角小，方向性好。激光束之所 以方向性好是由激光器受激辐射的机理和光学谐振腔对光束的方向限制所决定的。 ( 4 ) 亮度高。光源的单色亮度是表征光源发光能力强弱的一个重要参量，其定 义为 b = 竺 ( 2 1 ) a s a f 2 a 秒 式中，b 的单位为w 锄2 s r h z ，p 为光源在面积为笳的发光表面上、q 立体 角范围内和频带宽度为a v 内发出的光功率。对于激光器来说，z i p 相当于输出激光功 率，埘为激光束截面积，q 为激光束立体发散角，a o 为激光的谱线宽度。由于激 光束具有极好的方向性、单色性，因此单色亮度很高。 2 1 2 激光对材料的作用 当激光照射到材料表面时，一部分激光的能量被反射，另一部分能量被材 料所吸收。用e 。表示被材料表面反射的激光能量，e 。表示被材料吸收的激光 能量，e 。表示入射到材料表面的总激光能量。根据能量守恒定律则有： e 足+ e _ = e o ( 2 2 ) 也可以转化为 7 兰| 旦+ 兰二：尺+ 4 ：1( 2 3 ) e oe o 其中r 和a 分别为材料表面对激光的反射率和吸收率。进入材料内部的 激光，按朗伯定律，随穿透距离的增加，激光强度按指数定律衰减，深入表层 以下z 处的光强为 i ( z ) = a o e 嘲 ( 2 4 ) 式中，鸽为表面( z = o ) 处的透射光强，口为材料的吸收系数。材料对激 光的吸收系数除与材料的种类有关外，同时还与激光的波长有关。 光在材料表面的反射和吸收本质上是光波的电磁场与材料中自由电子或束 缚电子相互作用的结果。对于金属材料，激光束入射到其表面后，金属通过自 由电子这一中间体来吸收激光，然后通过电子与晶格点阵的碰撞将多余能量转 变为晶体点阵的振动，传递给材料内部的晶格，从而使金属材料温度升高，然 后通过热传导将热量由高温区向低温区传递。 不同材料对于不同波长光波的吸收和反射有很大差别。其中金属对激光的 吸收与波长、材料特性、温度和金属表面状况等因素有关。如光洁表面金属在 室温下对c 0 2 和y a g 这类红外激光的吸收率均很小，当温度升高接近熔点时， 其吸收率达到0 4 , - - - 0 5 左右，当温度接近沸点时，吸收率高达0 9 。并且激光 功率密度越大，金属的吸收率越高。 非金属与金属不同，其结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。绝 缘体和半导体在不受激发时仅存在束缚电子，束缚电子具有一定的固有频率。 当入射光波频率在其束缚电子频率附近时，材料对激光的吸收系数很大h 2 1 。 在不同功率密度的激光束照射下，材料表面区域将发生各种不同的变化， 这些变化包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔以及产生光致等离子体等。 图2 1 所示为材料在激光作用下的不同状态变化h 引。 ( a )( b )( c )( d ) 图2 1 材料在激光作用下的不同状态变化 ( a ) 固态加热( b ) 表层熔化( c ) 表层熔化，形成增强吸收等离子云( d ) 形成小孔及光 致等离子体 2 2 激光加工材料的机理及激光铣削原理 8 激光加工是通过激光束与工件之间的热作用来去除材料的，由于在激光加 工过程中大量的参数变化和工程材质的不同，到目前为止，研究工作者提出了 以下几种激光加工材料的加工机理h 们： ( 1 ) 激光烧蚀机理：即当激光功率密度级别为1 0 9 j c m 2 时，激光加工过程 中被激光照射区域的固体物质直接气化导致物质去除的过程。 ( 2 ) 激光导致熔体喷射机理：即当激光功率密度级别为1 0 6 j c m 2 时，激光 束的热作用使被照射区域的固体物质在短时间内熔化，并部分气化，在辅助气 体对其所产生的压力作用下，这些物质以液体方式从固体表面喷射出来，完成 材料去除的过程。 ( 3 ) 激光致脆性材料块状剥落机理：即在脉冲激光的热冲击下，脆性材料 形成大量微细裂纹而粉碎成为小块状物体，并被蒸发气流带走的材料转移过程。 这种加工方法主要应用于陶瓷等脆性材料的成型加工，并且只有在激光工艺参 数合适的范围内才会出现。 在激光加工过程中，上述三种机理不是孤立存在的，而是随着激光加工工 艺参数的不同其加工机理有所偏重。 利用脉冲激光进行激光铣削，其实质就是利用激光光斑部分重叠的单脉冲形成的 密集孔群，按规定的扫描路径( 实际上是利用x - y 数控工作台来控制试样运动) ，一层 一层扫描剥离( 或称烧蚀) 材料，就像机械铣削一样对材料进行成型加工的过程。图2 2 所示为激光铣削原理图。 图2 2 激光铣削原理图 在加工过程中，聚焦的高功率密度激光束垂直照射试样表面，激光束的能量 以及辅助活性气体与材料化学反应的热能被试样所吸收，引起激光作用点的温 度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞。另外，再施加激光束与 试样的相对运动，即可达到成型加工的目的。利用激光铣削，理论上可以加工任 何固体材料至所要求的尺寸。 2 3 激光与化学复合刻蚀加工基本原理 激光与化学复合刻蚀加工是一种将激光加工与化学腐蚀相结合的复合型加 工方法，它不仅存在激光加工和化学腐蚀两种作用，同时还存在两者的耦合作 用。 9 在激光加工时，激光聚焦斑点处的局部材料在极短时间内吸收脉冲激光能 量，并转化成热能，使其于瞬间熔化、气化，造成体积急剧膨胀。在挣脱周围 基体束缚的情况下，部分被加工材料会以不同存在状态从加工处喷射出去。但 同时由于材料与氧气发生燃烧反应，有所含金属成分的氧化物生成，这些生成 物处于熔融状态时具有较大的粘滞系数，不易被辅助气体吹走，因此有较多凝 固、随后冷却生成了大块熔渣附着在加工表面。 化学腐蚀是利用腐蚀液能与激光加工产生的熔渣发生化学反应的特性，将 其溶解，从而减少加工表面的熔渣凝结；同时，腐蚀液具有一定的流速，对激 光照射形成的大量极细微颗粒具有冲蚀作用，可以将其在凝固前冲走，从而不 会凝结在加工表面，两者共同降低复合加工的表面粗糙度，提高加工质量。 在该复合加工中，除了上述两种加工作用外，激光与化学腐蚀的耦合作用 也提高了