CN100446909C - 不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法 - Google Patents

不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法，使用软件设计出悬臂梁的形状与尺寸；将不锈钢板材置于工作台上，依照设计的尺寸，利用飞秒激光对厚度小于1mm的不锈钢板材进行扫描刻蚀，直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的能量密度为50～300J/cm<sup>2</sup>，脉冲宽度45～100fs，加工扫描速度为50～200μm/s。本发明可进行微米级尺寸的加工，加工精度可以达小于1μm；加工过程中可以很好地避免氧化现象的产生，无溅污、重铸残渣现象，无热影响区。

Description

不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光对不锈钢材料的加工方法，特别涉及利用飞秒激光加工制作微米级尺寸悬臂梁的微细加工方法。
背景技术
按主要化学成分分类，不锈钢材料基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统，由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中取得了广泛的应用，近年来，随着微机械的发展，其在微型零件制造方面也表现出了广泛的应用前景，特别是微型不锈钢悬臂梁的制作和应用。
目前不锈钢的微加工方法通常有以下几种：
(1)微细电火花线切割
微细电火花线切割主要用于加工尺寸在0.1～1.0mm的工件，并且电参数对加工表面粗糙度和加工效率的影响很大，切割表面质量粗糙，有明显的切割纹路；加工精度也比较低，难以用于微加工
(2)电子束加工
目前电子束用于不锈钢加工主要集中在焊接加工中，用能量密度及扫描路径均可精密控制的电子束作为加热源进行真空焊接，就是用电子束高速扫描，使电子束由点热源转化为面热源，实现零件的局部高速均匀加热，控制电子加速电压、电子束电流和扫描速度对不锈钢板可以成功焊接，在真空环境中，电子能高速运动，阴极不氧化，并可避免加工表面被蒸气氧化。因为电子束加工一般需要在真空环境中进行，所以有一定的局限性。
(3)YAG激光和CO2激光加工
对于薄板以及精密加工，一般采用脉冲模式，可以减少热影响区，提高切缝质量。YAG激光和CO2激光用于不锈钢切割加工中，切割过程主要是熔化切割，切口部分的材料吸收激光能量导致熔化(非气化)，然后高压惰性气体(辅助气体)把熔化材料吹掉，但YAG激光和CO2激光切割的加工精度较低为毫米级，另外加工过程热效应高，会产生材料的溅污、重铸残渣和热影响区。
发明内容
本发明的目的在于克服上述CO2激光和YAG激光加工的不足之处，提供一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法，该方法可对不锈钢材料进行微米级尺寸的加工，加工精度可达到小于1μm。
为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：使用软件设计出悬臂梁的尺寸；将厚度小于1mm的不锈钢板材置于工作台上，依照设计的尺寸，利用飞秒激光对上述不锈钢板材进行扫描刻蚀，直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的能量密度为50～300J/cm2，脉冲宽度45～100fs，加工扫描速度为50～200μm/s。
上述不锈钢板材的厚度小于0.5mm，飞秒激光的能量密度为50～150J/cm2，加工扫描速度为70～150μm/s。
将上述飞秒激光通过倍频晶体得到飞秒激光的倍频光，利用该倍频光对不锈钢板材进行刻蚀。
本发明相比现有技术的优点在于：
(1)很好地解决了CO2激光和YAG激光加工金属时出现的氧化问题。飞秒脉冲激光脉冲持续时间极短、峰值功率极高，选择合适的加工速度和脉冲能量，可以很好地避免氧化现象的产生。
(2)在高的功率密度下，不锈钢板材被激光束剥离，主要以等离子体的形式喷出，从而避免CO2激光和YAG激光加工时产生的材料的溅污、重铸残渣现象和热影响区。
(3)飞秒脉冲激光对不锈钢板材可进行微米级尺寸的加工，加工精度可以达小于1μm。
(4)加工边缘整齐，无毛刺，无缺陷。
具体实施方式
实施例1
一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法：使用绘图软件设计出悬臂梁的尺寸(梁长：30μm；梁宽：10μm)，将不锈钢板材置于三维数控工作台上，依照设计的尺寸，利用飞秒激光对厚度为50μm的不锈钢板材进行扫描刻蚀，多遍扫描直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的波长为800nm，频率为1kHz，能量密度为50J/cm2，脉冲宽度为45fs，加工扫描速度为70μm/s。
切割完成后利用扫描电镜(SEM)观察切割边缘，重点在几个拐点，发现无毛刺现象，加工边缘整齐，但边缘有少量加工污染，超声清洗后，再次利用SEM观察切割边缘，加工边缘少量的污染已被祛除。利用能谱分析(EDX)测定边缘成分，基本无氧化发生。
实施例2
一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法：使用绘图软件设计出悬臂梁的尺寸(梁长：80μm；梁宽：30μm)，依照设计的尺寸，将不锈钢板材置于三维数控工作台上，利用飞秒激光对厚度为100μm的不锈钢板材进行扫描刻蚀，多遍扫描直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的波长为800nm，频率为1kHz，能量密度为100J/cm2，脉冲宽度为70fs，加工扫描速度为100μm/s。加工边缘干净整齐，基本无氧化。
实施例3
一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法：使用绘图软件设计出悬臂梁的尺寸(梁长：150μm；梁宽：50μm)，依照设计的尺寸，将不锈钢板材置于三维数控工作台上，利用飞秒激光对厚度为200μm的不锈钢板材进行扫描刻蚀，多遍扫描直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的波长为800nm，频率为1kHz，能量密度为150J/cm2，脉冲宽度为100fs，加工扫描速度为150μm/s。加工边缘干净整齐，基本无氧化。
实施例4
一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法：使用绘图软件设计出悬臂梁的尺寸(梁长：300μm；梁宽：100μm)，依照设计的尺寸，将不锈钢板材置于三维数控工作台上，利用飞秒激光对厚度为600μm的不锈钢板材进行扫描刻蚀，多遍扫描直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的波长为800nm，频率为1kHz，能量密度为200J/cm2，脉冲宽度为70fs，加工扫描速度为50μm/s。加工边缘干净整齐，基本无氧化。
实施例5
一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法：使用绘图软件设计出悬臂梁的尺寸(梁长：30μm；梁宽：5μm)，将飞秒激光通过偏硼酸钡(BBO)倍频晶体，得到飞秒激光的倍频光，依照设计的尺寸，将不锈钢板材置于三维数控工作台上，利用该倍频光对厚度为50μm的不锈钢板材进行扫描刻蚀，多遍扫描直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的波长为400nm，频率为1kHz，能量密度为50J/cm2，脉冲宽度为45fs，加工扫描速度为50μm/s。加工边缘干净整齐，基本无氧化；且刻蚀的缝宽相对基频光要窄，观察到加工边缘表面质量也相对较好。
实施例6
一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法：使用绘图软件设计出悬臂梁的尺寸(梁长：900μm；梁宽：200μm)，将飞秒激光通过偏硼酸钡(BBO)倍频晶体，得到飞秒激光的倍频光，依照设计的尺寸，将不锈钢板材置于三维数控工作台上，利用该倍频光对厚度为700μm的不锈钢板材进行扫描刻蚀，多遍扫描直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的波长为400nm，频率为1kHz，能量密度为300J/cm2，脉冲宽度为100fs，加工扫描速度为200μm/s。加工边缘干净整齐，基本无氧化；且刻蚀的缝宽相对基频光要窄，观察到加工边缘表面质量也相对较好

Claims (3)

1.一种不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法，其特征在于：使用软件设计出悬臂梁的尺寸；将厚度小于1mm的不锈钢板材置于工作台上，依照设计的尺寸，利用飞秒激光对上述不锈钢板材进行扫描刻蚀，直至悬臂梁与不锈钢板材基体完全脱离，飞秒激光的能量密度为50～300J/cm2，脉冲宽度45～100fs，加工扫描速度为50～200μm/s。
2.根据权利要求1所述的不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法，其特征在于：上述不锈钢板材的厚度小于0.5mm，飞秒激光的能量密度为50～150J/cm2，加工扫描速度为70～150μm/s。
3.根据权利要求1或2所述的不锈钢悬臂梁的飞秒激光加工方法，其特征在于：将上述飞秒激光通过倍频晶体得到飞秒激光的倍频光，利用该倍频光对不锈钢板材进行刻蚀。
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