水导激光加工技术现状分析 精灵论文.doc

水导激光加工技术现状分析李春奇，杨立军，王扬（哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150001） 摘要：水导激光加工是一种微细水射流引导激光束进行加工的先进加工技术。本文分别从加 工机理、加工装备和加工工艺方面对水导激光技术的发展现状进行了综合评述。这项加工技 术已从加工表面质量、加工区域机械性能和加工效率等多个角度体现出其优异的加工品质， 但是在理论研究方面显得匮乏，尤其是与材料作用机理和与水射流之间的作用研究尚处于初 级阶段，工艺试验研究仍有许多探索空间。水导激光加工技术是一项具有着旺盛的生命力和 勃勃的生机的新型加工方法。关键词： 水导激光加工；激光刻蚀；冲击波中图分类号：TG665ANALYSIS OF THE PRESENT STATUS ON WATER-JET GUIDED LASER PROCESSINGLI Chunqi, YANG Lijun, WANG Yang(Harbin Institute of Technology, Mechanical and Electrical Engineering, Harbin 150001) Abstract: Water-jet guided laser machining technology is referred to as a variable-length water optical waveguide for material processing. The development Status of the water-jet guided laser processing technology is reviewed in the processing mechanism, processing equipment and processing technology . The quality of its excellent processing has been demonstrated in many ways such as surface quality, mechanical properties within processing areas and processing efficiency, etc. However, theoretical studies are scarce, in particular, the interaction mechanism of the laser and the material is still in its infancy, processing research is still a lot of exploration of space. Water-jet guided laser processing technology is proved to be a kind of new processing method with the exuberant vitality.Key words: kWater-jet guided laser machining; Etching of laser; Blast0引言目前在医疗、生物和微电子技术等领域微小器件的研究与应用越来越广泛，微结构的加 工是这些微器件和系统推广应用的关键技术问题。如 MEMS 中微小零件、打印机喷头部件、 磁盘磁头部件、高清晰 LED 平面显示屏、大规模集成电路零部件、压力和铸塑成形的微模 具、医疗用血管支架1及内窥镜部件等的加工问题，由于这些零件所要加工的尺寸很小，无 论是型腔、外形尺寸、孔还是沟槽及复杂形状，一般在几微米到几十微米之间，材质通常是 医用不锈钢、硅、钛镍钛合金等难加工的材料。现有的加工方法对上述微加工都有一定的局限性：常规切削的方法，由于加工尺寸小、 精度高，加工工艺受到限制；电火花加工，其微电极的制造、电极的损耗和加工效率等问题 限制了其在生产上的使用，而且只能加工导电材料；常规激光加工，由于热作用，会产生热 影响区，并有熔屑或微裂纹，不仅加工质量难以满足要求，而且会影响材料原有的物理、机 械性能；飞秒激光加工，加工效率低，不适合用于工业生产。水导激光加工是针对上述加工问题的较为理想的加工技术。本文从水导激光加工技术基金项目：高等学校博士学科点(新教师)专项科研基金资助课题(编号 20070213027)；863 计划（编号：2009AA04Z301）；中国博士后科研基金（编号：20090450962）作者简介：李春奇，男，博士，主要研究方向：激光加工. E-mail: 中加工机理、加工装备和加工工艺方面对国内外研究现状进行了归纳总结，对水导激光加 工的特点进行了分析研究。1 水导激光作用机理1.1 工原理及特点水导激光加工（Water-jet Guided Laser Micromachining）是一种微细水射流引导激光进 行加工的先进加工技术。该技术是将高能量的激光束耦合进高速水射流，由于激光在水中与 空气中的折射率不同，使水中传播的激光在水束与空气的界面上发生全反射而被限制在水束 内，水束起导光光纤的作用（图 1 所示），水束将激光引导致工件表面，对工件去除加工。入射激光聚焦镜 激光窗口水腔 水腔入口喷嘴水束光波导工件图 1 水导激光加工原理图Fig.1 Principle of water-jet guided laser水导激光加工的特点主要有：1）加工时因水射流的冷却作用而显著减少热影响区和二 次凝固现象；2）加工脆性材料不易产生微裂纹；3）水流的冲刷有效去除了加工产生的熔渣， 可实现高质量、高精度加工；4）水导激光加工不必考虑对焦问题，水束光纤各个长度都可 以用做加工；5）水可以就地取材，损耗少、成本低，加工过程中的蒸发物或熔渣基本都被 水流带走，保护了环境，是一种很好的绿色加工技术。1.2水导激光与材料作用机理关于水导激光与材料作用的机理研究得先从水辅助激光加工说起，水导激光加工可归纳 为其中之一。水辅助激光加工至今已发展了多种加工方式2,3，不同的加工方式具有其各自 的特色，尽管加工方式不同，但是加工过程中却有着共同的物理现象：激光在水中传播（部 分被水吸收）；水受热蒸发；等离子体形成、膨胀和消散；冲击波的形成和传播；气泡的形 成、生长和消灭。水在加工过程中的主要作用有：水经受热蒸发和等离子体的形成将部分光 能转变成机械动力诱导出冲击波，还能清洁加工区域；水对工件有很好的冷却效果；在某些 实验中，水或者其分解产物与工件发生化学作用。水辅助激光加工过程中冲击波力的作用至关重要，1995 年，Dupont A 等人分析水辅助 激光加工刻蚀率高的原因是等离子体区膨胀和冲击波引起的高压冲击力 4，Shafeev GA 等 发现水辅助激光加工过程中高压的冲击力去除了钻石表面生成的碳层（激光刻蚀产物）5， Ageevet 研究了水中激光刻蚀的产生的压力作用，计算得出加工区域峰值压力和加工过程中 产生的气泡直径6。Zweig 通过光学方法测量并计算加工时产生的冲击波距离工件表面 1mm 时的压力，得出冲击波压力和激光能量之间呈指数关系变化7，这个结论与理论气体模型 一致。2004 年南京理工大学对激光与水作用时产生的冲击波现象进行了深入地研究，研究 表明激光蚀除加工在水中引起的冲击波作用力远远大于空气中8。Kruusing A 等用短脉冲激光分别在空气中和水中对 NdFeB 进行刻蚀沟槽加工，结果发 现在水中加工的效果表面清洁、加工尺寸更精确，省去了后续的超声波清洗工序，而在空气 中加工的沟槽里布满了熔渣9，这由于水的流动带走了加工时产生的残渣，前提是超短（微 秒或纳秒级别）的激光脉冲宽度和较低的重复频率（kHz 级别以下）， Sugimoto K 等人采 用了水辅助的方法切割大理石和花岗岩10与传统激光切割相比，大理石切缝边缘没有传统 激光切割所产生的白线痕迹，花岗岩加工位置表面残渣减少了，这被解释为加工时水的蒸发 消耗了多余的热。Haferkamp 等研究了水辅助激光加工时对工件的冷却作用，获得比在空气 中加工更好的质量，也减少了加工产生的废气和粒子释放进入空气11。在激光诱导高温等离子体作用下，中性液体分子很容易被激发、电离，最后产生化学活 性。在 2000 年，Sakka 等通过荧光谱分析分别研究石墨材料在水中、苯溶液中和四氯化碳 中的化学特性，通过在水中进行激光刻蚀，指出了水被电离并为化学反应提供了氧12， Dolgaev SI 等也报道了在材料表面或者等离子体区有氧化物生成13。水导激光加工兼具上述特征，且不止于此，高速喷射的水流冲击与冷却效果的优势会更 显突出，还不受激光脉宽和频率的限制。不过到目前为止，直接针对水导激光加工的机理研 究很少，2002 年， C.F.Li 等用激光与微细高速水射流复合微细加工方法对硅材料刻蚀沟槽 进行了数学建模和仿真研究14，该数学模型重点考虑了水的对流换热系数对工件蚀除的影响，其仿真与实际加工结果的对比如图 2 所示。2007 年，哈尔滨工业大学李灵博士对水导 微细加工机制进行了数学建模并对几种材料加工作了仿真分析15，图 3 为单脉冲加工 65Mn 材料的仿真和实验结果的对比，主要研究激光对材料的热作用和水的对流冷却效果，对加工 时冲击波和水射流力学作用没有考虑。a) 横截面蚀除仿真 b) 加工横截面照片 a)被蚀除单元模型 b)实际加工图 2 水导激光加工仿真(m)47 图 3 单脉冲水导激光打孔仿真与实验对比Fig.2 simulation of water-jet guided laser (m) 47Fig.3 Comparison of simulation and experiment1.3激光与水束之间的相互作用对于水导激光来说，水束作为激光的载体希望其二者之间的相互影响越小越好，其中不 可忽视的是水对激光的吸收，在不同波段水对激光的吸收有很大差异，这种差异导致了激光 在水束中衰减程度的不同，其衰减规律遵循 Beer 定律：I x = I 0 exp( x )其中： I 0 表示入射光能量密度；I x 表示激光在水中传播；x 距离后的能量密度； 表示水对不同激光波长的吸收系数（1）图 4 为纯水吸收系数 的曲线图，吸收系数越小表示激光穿透深度越大，从图中可以看 出比较适合作水导激光光源的波段在 3551064nm 的小范围内，其中尤以绿光最理想。激光和水束之间还有许多其他作用因素。1996 年，Bernold Richerzhagen 等对聚焦激光 在静态水中的的热散焦现象进行了研究16，建立了激光在水中热散焦的数学模型和有限元仿真模型，对动态水束中的激光热散焦现象提供了参照。2004 年，kos Spiegel 等对激光耦 合进入水束后的非线性受激拉曼散射现象进行了研究17，研究表明大功率密度的激光非线 性受激拉曼散射程度明显强于小功率密度，水束光纤中的受激拉曼散射阈值远小于普通光 纤。2004 年 Philippe Couty 等人研究了激光的干扰对水束稳定性的影响（见图 5）18，对水 射流的稳定性进行仿真和实验，提出了通过控制激光脉冲参数、光斑焦点与喷嘴孔中心的偏 心距离来控制水射流稳定性的方法。2005 年，他们又研究了激光在微细水射流中的耦合传 输规律19，得出不同数值孔径、不同喷嘴直径和不同的光斑焦点与喷嘴孔中心的偏心距对 激光能量分布的影响。图 4 纯水对不同波长激光吸收系数曲线 图 5 激光脉冲干扰对水束稳定性的影响19Fig. 4 Absorption coefficient of water Fig. 5 Effect on stability of the water-jet2水导激光加工装备2.1 水导激光加工装备的发展关于水束导光的研究可以追溯到上世纪八十年代的一篇文章里所报道的喷泉导光现象， 所以早期的应用基本都是喷泉发光装饰等方面20，直到 1993 年，瑞士联邦工业大学的 Bernold 博士深入研究这种现象，将其发展成一种微细加工技术21，并在瑞士成立了一家应 用该技术的水导引激光加工设备生产公司 SYNOVA 公司。 SYNOVA 公司不断探索水导激 光加工技术的新用途。现已经研制出多种型号的水导激光加工设备。如图 6-a)是该公司早期 的产品样图，6-b)是 SYNOVA 公司 LDS200 加工设备。1997 年，该公司的创始人 B. Richerzhagen 博士申请了水导激光加工装置的美国专利（MicroJet）22。图 7 所示为其专利 的整体结构图和耦合装置装配，如图 7-a)所示，整体结构由激光系统和射流水压系统组成。 图 7-b)为耦合装置内部水与激光束的示意图，中央上方倒锥形为聚焦后的激光束，激光透过 厚玻璃窗后穿过稀薄的水层聚焦到喷嘴处和水束实现耦合。a) 早期的产品样图 b) LDS200 加工设备 a)整体装置 b)耦合装置 图 6 SYNOVA 公司水导激光加工设备 图 7 水导激光加工技术专利22Fig. 6 Equipment of SYNOVA company Fig. 6 The patent of water-jet guided laser222008 年，哈尔滨工业大学研究了一种水导激光检测方法及相关装置 23，图 8-a)为该装 置的样图，该装置可以实现四个自由度(包括 X 向、Y 向、绕 X 轴旋转方向、绕 Y 轴旋转方 向)的手工调节，Z 方向的调整集成在激光器中。2009 年，厦门大学对水导激光技术光源进行了改进设计24，首次把无衍射光应用于水 导引激光加工系统。通过研究轴棱锥镜（如图 9）产生无衍射光束的光学特性，提出一种新 的无衍射光斑中心检测算法，改善了系统的精度。a) 耦合及调节装置 b)实验装置整体图 8 水导激光加工实验装置23 图 9 轴棱锥镜产生无衍射光束示意图24Fig.8 Experimental device of water-jet guided laser Fig.9 Schematic diagram of diffraction-free beam2.2 水射流的产生及射流稳定性水导激光的形成对水束质量要求很高，射流必须为层流状态才能形成水束光纤，水束直 径一般为 30200m。薄壁孔射流对水束光纤的生成最为理想，所谓薄壁孔射流是指所流 经的孔口具有尖锐的边缘，在实际制作中其圆角必须低于 50m，最好是小于 5m22， 出流水束表面与孔壁可视为环形线接触，在孔壁与水束之间形成空气卷流气垫，如图 10 所 示，孔壁的厚度有一定的限制，其特征为 L/d2，L 为薄壁喷孔的壁厚，d 为喷孔直径。由 于形成缩流，生成的水束的直径比喷嘴孔直径小，约为喷嘴孔直径的 0.83，并且与射流速度 和喷孔直径变化无关。水压系统采用单柱塞泵供水方式，压力值 为 0200bar 连续可调， 射流速度 大约 0180m/s，水压与射流速度之间的关系为：V j = K2P / （2）2003 年，Frank Wagner 博士等人研究了水射流的稳定长度与喷嘴直径、水速的关系25， 如图 11 所示。提出水射流存在最佳稳定速度和最大稳定长度，并总结了水束扰动的产生原 因。图 10 喷嘴及射流示意图 图 11 不同直径喷嘴射流层流稳定性曲线40Fig.10 Schematic diagram of the nozzle and jet Fig.11 stability curve of jet with different diameters 403水导激光加工工艺在 2003 年， Natalia Dushkina 分别采用了水导激光加工和金刚石锯片切割的方法进行 了集成电路芯片的切割研究，并对切割出的芯片进行了断裂强度测试26。测试结果表明水 导激光加工技术切割晶片的速度更快、断裂强度更高，图 12 表示两种方法切割 GaAs/Ge 材料的边缘质量电镜照片，通过对比显示了水导激光加工技术在晶片切割中的效率和质量都更 胜一筹。2004 年，Kazuo 等研究了应用水导激光加工方法制造出片状工件的技术，并申请 了美国专利27。2007 年，Heiner Ophardt 研究了运用水导激光技术进行消毒，并申请了美国 专利28。Jyri A.Porter 对水导激光加工技术进行了一些试验研究29，总结了一些加工工艺参 数，结果表明：水导激光对切割倾斜放置的工件也有一定的优势，但是倾斜太大会在工件表 面生成一些沉积物，减小脉冲激光脉间能够使沉积物减少。2007 年，瑞士的 Tuan Anh Mai 等 人利用水导激光加工技术制作了一些小尺寸的三维结构30，如图 13 所示，图 13-a)、b)结构 是以水导激光加工技术进行螺旋扫描加工而成，扫描路径由外向内逐渐靠向中心，所以中心 成为通孔。从图中可以看出，水导激光加工有着极好的加工质量，表面清洁没有残渣。图12-c)结构类似于金字塔结构，这种结构以纵、横两个方向进行阵列划切而成。图 12-d)是加 工钛合金管件图，图中刻线的宽度是 35m。Daniel Kray 等人利用水导激光加工技术进行太 阳能电池板磨边进行了研究，结果显示效果很好31。2008 年，瑞士的 Bernold Richerzhagen 博 士等人对水导激光加工与金刚石切割复合加工方面也进行了研究32。他们研制的复合加工 设备同时汲取了两种加工的优势，即金刚石锯片的高速度和水导激光加工的高品质，加工效 果如图 14 所示,图中带有清晰划痕的部分是用金刚锯片切割加工的，磨砂面的部分是水导激 光加工的效果。如果待切割晶圆片顶面有金属或者氧化层，先用水导激光加工划透顶层，然 后用金刚石刀具切割完成加工，如图 14-a)所示，如果对背面要求精度高，就采用相反的工 序，如图 14-b)；如果上下表面的质量要求都非常高，而介于晶圆片厚度所限水导激光加工 无法划透，这时候采用图 14-c)的加工工艺。a)金刚石锯切割（50）b)水导激光切割（400） c) d)图 12 两种方法切割 GaAs/Ge 的边缘质量对比47 图 13 水导激光加工技术制作出的微结构3047Fig.12 Quality comparison with two ways to cut GaAs/GeFig.13 micro-structure processing 302008 年，哈尔滨工业大学23使用水导激光加工技术对复杂曲面材料进行切割加工，针对于水导激光不需对焦的特点，突显出其在复杂表面和多层材料切割方面的优势，如图 15。2009 年，南京航空航天大学对激光复合喷射液束（非水束光纤）电解进行了基础研究，通 过喷射特制的电解液辅以激光对材料符合加工，获得了更好的加工精度和质量33，这也为 水导激光加工工艺研究提供了一个可参考的方向。图 14 水导激光加工与金刚石砂轮复合切割装置32 图 15 水导激光切割复杂曲面材料Fig.14 Composite processing with water-jet guided Fig.15 Complex surface processing with laser and diamond saw blade water-jet guided laser4结论本文给出了水导激光加工的表面质量、加工区域机械性能和加工效率等研究的现状，表 明水导激光加工已从多个角度体现出其优异的加工品质，未来将会在更多领域扮演重要的角 色，为加工行业开辟更广阔的空间。但是关于水导激光与材料作用机理的研究在国际、国内 还都处于初级阶段，有必要进行近一步的探索，为指导实践提供更多的理论依据；为了提高 激光与微细高速水射流复合加工的效率，激光与水射流之间的作用的研究是向高能量激光耦 合的必经之路，必然还会不断发展下去，国外在水导加工装备方面已经有了较为成熟的方案， 但是国内对该装置的研究不多；工艺方面的研究具有相当实用的价值，许多研究都要靠工艺 试验为基础才能向更深更广发展，但就国内外的形式看，工艺方面的研究还有许多空白。以 上都充分证明了水导激光加工技术有着勃勃的生机和旺盛的生命力。参考文献1 周永恒, 廖健宏. 血管内支架的激光精细切割技术J. 应用激光. 2005, 25(3): 1611642 Kruusing A. Underwater and Water-assisted Laser Processing: Part1-General Features, Steam Cleaning andShock ProcessingJ. Optics and Lasers in Engineering. 2004, 41: 3073273 Kruusing A. Underwater and Water-assisted Laser Processing: Part2-Etching, Cutting and rarely usedMethodsJ. Optics and Lasers in Engineering. 2004, 41: 3293524 Dupont A, Caminat P, Bournot P. Enhancement of material ablation using 248, 308, 532, 1064 nm laser pulse with a water film on the treated surfaceJ. Appl Phys 1995, 78(3): 20228.5 Shafeev GA. Laser-assisted etching of diamonds in air and in liquid media. Proc SPIE 1998, 3484: 14957.6 Ageev VA, Bokhonov AF, Zhukovskii VV et al. Dynamics of processes occurring in laser ablation of metals in a liquidJ. Appl Spectrosc 1997, 64(5): 6838.7 Zweig AD. Shock waves generated by confined XeCl excimer laser ablation of polyimideJ. Appl Phys B1992, 54: 7684.8 陈笑. 高功率激光与水下物质相互作用过程与机理研究. 南京理工大学博士毕业论文D. 2004: 30689 Kruusing A, Uusimki A, Petrtis Br et al. Micromachining of magnetic materialsJ. Sensors Actuators A1999, 74(13): 4551.10 Sugimoto K, Aihara T, Kamata H et al. Study on laser cutting assisted by water saturation of marbleJ. RezaKenkyu Rev Laser Eng 1996, 24(2): 1919.11 Haferkamp H, Bach F W, Vinke T et al. Laser strahlschneiden mit WasserkuhlungJ. Schweien undSchneiden 1990, 42(12): 6313.12 Sakka T, Iwanaga S, Ogata YH et al. Laser ablation at solidliquid interfaces: an approach from optical emission spectraJ. Chem Phys 2000, 112(19): 864553.13 Dolgaev SI, Voronov VV, Shafeev GA et al. Laser-induced fast etching and metallization of SiC ceramicsJ.Appl Surf Sci 1997, 109/110:55962.14 Li CF, Johnson DB, Kovacevic R. Modeling of Waterjet guided Laser Grooving of SiliconJ. InternationalJournal of Machine Tools & Manufacture. 2003, 43: 925936.15 Yang Wang, Ling Li, Lijun Yang et al. Simulation andExperimental Research on Water-jet guided LaserCutting Silicon WaferA. ICEPT. 200816 Richerzhagen B, Delacrtaz G, Salath RP. Complete Model to Simulate the Thermal Defocusing of a LaserBeam focused in WaterJ. Opt. Eng. 1996, 35(7): 2058206617 Spiegel , Vg N, Frank et al. High Efficiency Raman Scattering in Micrometer-sized Water JetsJ. OpticalEngineering. 2004, 43: 450454.18 Couty P, Spiegel , Vg N et al. Laser-induced Break-up of Water Jet WaveguideJ. Experiments in Fluids.2004, 36: 91992719 Couty P, Wagner F, Hoffmann P. Laser Coupling with a Multimode Water-jet WaveguidJ. OpticleEngineering. 2005, 44 (6): 1820 Hecht J. City of LightM, New York: Oxford University Press, 1999.21 Richerzhagen B. Chip singulation process with a water-jet guided laserJ, Solid State Technol. 2001, 44(4),444922 Richerzhagen B. Method and Apparatus for Machining Material with a Liquid-guided Laser BeamP. US Patent 5,902,499. 199923 李灵. 水导激光微细加工技术研究D. 哈尔滨工业大学博士毕业论文. 2008:31, 7724 叶瑞芳, 沈阳, 王磊等. 新型水导引激光耦合系统研究J. 厦门大学学报（自然科学版）, 2009,48（3）:369372.25 Wagner F, Sibailly O, Vg N. The Laser Microjet Technology-10 Years of DevelopmentJ. S