CN109948288A - 一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法属于特种加工领域，涉及一种基于工艺参数可行域的纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法。该方法基于纳秒级脉冲激光加工复杂图案靶材表面能量动态分布模型，求解靶材表面能量密度值。并根据靶材‑激光间反应机理，依托能量守恒定律和热力学规律，建立激光烧蚀深度预测模型，预测激光烧蚀微槽深度。在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的加工参数约束集合，计算激光加工烧蚀宽度，实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测。该方法预测准确、全面可靠，可有效应用于高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划中，对提高该类天线服役性能具有重要的实际应用意义。

Description

一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法

技术领域

本发明属于特种加工领域，涉及一种基于工艺参数可行域的纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法。

背景技术

纳秒级多脉冲激光加工依托靶材-激光间复杂物理化学反应实现材料去除，具有材料去除效率高、无加工应力、作用区域小、加工精度高等优势，广泛应用于高速飞行器高性能天线等重大装备器件精密加工。高速飞行器高性能天线以聚酰亚胺为基底，通过纳秒激光烧蚀微槽，在其表层形成形状复杂、精度要求高的铜质功能图案。纳秒激光烧蚀微槽轮廓精准控制是保证高性能天线电气与机械性能的关键，逐渐成为该类天线精密加工领域研究热点。近年来，整合于多轴数控机床中的纳秒级多脉冲激光器更兼具高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力等优势，极大拓展了纳秒级多脉冲激光技术工艺范围和应用领域。然而，纳秒级多脉冲激光烧蚀过程激光光学参数和多轴数控机床的运动学参数决定材料能否有效去除，直接影响激光烧蚀微槽截面轮廓的几何特征，即激光烧蚀深度和宽度。因此，综合考虑激光光学参数与机床运动参数影响规律研究纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法是纳秒级多脉冲激光加工工艺参数选择和轨迹规划的关键环节，对提高高速飞行器高性能天线服役性能具有重要实际应用意义。

现有技术文献1郑雷等人专利公开号CN106425126A的“一种多层印刷电路板飞秒激光打孔装置及其打孔方法”，通过大量实验结果分析打孔效率、孔断面质量，获取保证材料去除量的飞秒激光打孔工艺参数，并将这些工艺参数存储在工控机中。该方法需通过大量实验数据分析获得，理论依据薄弱，参数集合单一针对该类靶材和特定工况，适用性差。技术文献2“Internal characterization and hole formation mechanism in the laserpercussion drilling process”，I.Arrizubieta等，International Journal of MachineTools&Manufacture，2013，75：55–62 61，该文献通过对比激光打孔数值模型结果与实验结果，研究了不同脉冲数激光加工微孔成型过程及材料去除量，并给出了确定脉冲数可实现的最大打孔深度。该研究单一的研究了脉冲数目对固定位置孔加工几何轮廓的影响，不适用于复杂图案多工艺参数激光加工。

发明内容

本发明针对现有技术的局限性和缺陷，发明了一种基于工艺参数可行域的纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法。所提出的方法能准确全面可靠实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测，可有效应用于高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划中，对提高该类天线服役性能具有重要的实际应用意义。

本发明的技术方案是一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法，其特征在于，该方法基于工艺参数可行域的纳秒级脉冲激光加工复杂图案靶材表面能量动态分布模型，求解靶材表面能量密度值，并根据靶材-激光间复杂物理化学反应机理，依托激光加工能量守恒定律和热力学规律，建立激光烧蚀深度预测模型，预测激光烧蚀微槽深度，在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的加工参数约束集合，计算激光加工烧蚀宽度，实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测，从而为高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划提供理论和技术支持。方法的具体步骤如下：

步骤1：基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理的激光烧蚀深度求解

作为稳态传播的电磁场，纳秒级基模高斯脉冲激光，简称纳秒激光；单脉冲能量在束腰平面上分布公式为：

其中，w₀为束腰半径，F₀为激光能量密度。x²、y²为.........

该纳秒激光沿半径为R的圆弧轨迹加工靶材时，靶材表面能量动态分布模型为：

其中，f为激光重复频率，v为激光扫描速度，k为光斑相对位置，其与靶材表面激光能量分布区域内任意一点距离圆弧心长度r和圆弧轨迹半径R满足：

r＝R+kw (3)

根据靶材-激光间复杂物理化学反应机理，单脉冲激光烧蚀厚度l_T与烧蚀阈值F_th间存在如下关系：

ρCp(T_m-T₀)l_T＝(1-β)F_th (4)

其中，ρ为靶材密度，Cp为靶材比热容，T_m、T₀分别为靶材熔化温度和室温，β为反射率，D_T为热扩散系数，t_p为脉冲激光持续时间。

根据热力学定律，激光烧蚀能量平衡关系可表达为：

(ρ_sΔH_sl+ρ_lΔH_lv)H_k＝(1-β)(F_k-F_th) (6)

其中，ρ_s、ρ_l分别为靶材固态与液态下密度，ΔH_sl、ΔH_lv分别为靶材熔化焓与汽化焓；H_k为靶材表面k处激光烧蚀深度。

由式(2)、(4)、(5)、(6)得到靶材表面k处基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理的激光烧蚀深度可表示为：

步骤2；保证材料去除的加工参数约束集合求解

纳秒激光加工过程中，需要靶材表面累积的能量超过靶材烧蚀阈值以实现材料蒸发或熔化去除。因此，鉴于纳秒激光加工工艺参数直接影响靶材表面能量累积，在实际激光加工过程中，各加工工艺参数必须满足相应的约束关系，保证靶材表面能量累积值超过材料烧蚀阈值，以实现材料去除。

在机床动态性能和激光器光学性能约束下，实现材料去除即要求最大烧蚀深度H_max>0。并且，激光最大烧蚀深度在光斑中心能量密度最高处取到，即k＝0处，此时H_max＝H_k＝0，即：

因此，在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的工艺参数可行域约束集合为：

步骤3：计算目标去除厚度约束下的烧蚀宽度

在复杂图案激光烧蚀过程中，激光沿一个方向的加工路径进给完成后，需向垂直方向进给一个步距继续加工，必须合理规划步距以实现材料的完全去除与基底的有效保护。因此，考虑步骤1所求激光烧蚀微槽截面轮廓特征和步骤2所求的保证材料去除的工艺参数可行域，在目标去除厚度约束下开展激光加工烧蚀宽度的求解对步距合理规划至关重要。

并且，实际激光加工过程中，激光束腰半径尺度远远小于圆弧轨迹半径尺度，则：

假设材料目标去除厚度为H_metal，若满足靶材表面激光烧蚀深度与材料目标去除厚度相等，在公式(10)的条件下，由公式(7)得到，光斑相对位置k_metal为：

因此，由光斑相对位置参数定义式(3)和公式(11)，靶材表面激光烧蚀深度与需去除金属厚度相等情况下，激光烧蚀宽度为：

本发明的显著效果和益处是：发明了基于工艺参数可行域的纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法，提出了靶材表面各位置烧蚀深度预测模型，实现靶材表面各位置烧蚀深度的预测；在此基础上综合考虑机床动态性与激光器光学性能约束，实现了保证材料去除的工艺参数可行域求解，为激光加工工艺参数选择提供了有效依据；提出了根据材料目标去除厚度计算激光加工烧蚀宽度的方法，实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测。该方法纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测准确全面可靠，可有效应用于高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划中，对提高该类天线服役性能具有重要的实际应用意义。

附图说明

图1—方法整体流程图；

图2—工艺参数可行域及其约束面示意图；其中，X轴为激光扫描速度，单位为m/min，Y轴为激光能量密度，单位为kJ/m²，Z轴为激光重复频率，单位为kHz，点P为工艺参数可行点，曲面S为其约束面。；

图3—不同激光扫描速度下理论和实际烧蚀轮廓图；其中，X轴为光斑相对位置，Y轴为激光烧蚀深度，单位为μm。曲线1和曲线2、曲线3和曲线4、曲线5和曲线6分别表示激光扫描速度为5m/min、3.5m/min、2m/min时激光理论与实际烧蚀深度变化曲线；直线7表示5μm目标去除厚度直线。

图4—不同激光能量密度下理论和实际烧蚀轮廓图；其中，X轴为光斑相对位置，Y轴为激光烧蚀深度，单位为μm。曲线1和曲线2、曲线3和曲线4、曲线5和曲线6分别表示激光能量密度为2kJ/m²、3kJ/m²、4kJ/m²时激光理论与实际烧蚀深度变化曲线；直线7表示5μm目标去除厚度直线。

图5—不同激光重复频率下理论和实际烧蚀轮廓图；其中，X轴为光斑相对位置，Y轴为激光烧蚀深度，单位为μm。曲线1和曲线2、曲线3和曲线4、曲线5和曲线6分别表示激光重复频率为20kHz、30kHz、40kHz时激光理论与实际烧蚀深度变化曲线；直线7表示5μm目标去除厚度直线。

具体实施方式

结合技术方案与附图详细说明本发明的具体实施方式。

纳秒级多脉冲激光烧蚀过程中，影响靶材-激光间复杂物理化学反应的激光光学参数和多轴数控机床的运动学参数直接决定了激光烧蚀微槽截面轮廓深度与宽度。针对现有技术局限性与缺陷，发明了一种基于工艺参数可行域的纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法，整体流程如图1所示。

以束腰半径w₀＝20μm的纳秒级多脉冲激光在铜质靶材上烧蚀半径为R的圆弧为例，借助MATLAB软件和验证实验，详细说明本方法的求解过程。

第一步基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理求解激光烧蚀深度：由公式(1)可得，束腰半径w₀＝20μm的纳秒级多脉冲激光在束腰平面上的能量分布公式为：

其中，F₀为激光能量密度。

由公式(2)可得，该纳秒激光沿半径为R为100mm的圆弧轨迹加工靶材时，靶材表面能量动态分布模型为：

并且，靶材金属为铜，其密度ρ＝8900kg/m³，比热容Cp＝390J/kg·K，材料熔化温度T_m＝1358K，室温T₀＝295K，热扩散系数D_T＝1.17cm²/s，脉冲激光持续时间t_p＝15ns，固态下密度ρ_s＝8900kg/m³，液态下密度ρ_l＝8000kg/m³，熔化焓ΔH_sl＝205kJ/kg，汽化焓ΔH_lv＝305kJ/mol，反射率β＝0.34，根据式(4-6)，求出靶材表面k处基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理的激光烧蚀深度：

利用式(15)，得到不同激光能量密度、重复频率、扫描速度组合下靶材表面不同曲率半径待加工图案各位置激光烧蚀深度模型。

第二步求解保证材料去除的有效加工参数约束集合：令k＝0，则激光最大烧蚀深度为：

根据机床的动态范围，设定激光扫描速度范围为0～5m/min，根据激光器光学性能范围，设定激光器重复频率范围为0～50kHz，激光能量密度范围为0～5kJ/m²，根据公式(10)，保证材料去除的有效加工参数点和其包络面如图2所示，约束集合为：

图2是工艺参数可行域及其约束面示意图，由公式(17)和图2，完成了保证材料去除的工艺参数可行域约束集合的构建，在实际激光去除材料过程中，加工工艺参数组合的选择必须为满足式(17)约束的可行解。

第三步计算目标去除厚度约束下的烧蚀宽度：在实际激光加工过程中，假设目标去除厚度为5μm。由式(10)可知，激光束腰半径与圆弧轨迹半径之比为2×10^-4，远远小于1。因此满足靶材表面激光烧蚀深度与材料目标去除厚度相等的位置k_metal可由式(11)得：

由此，根据式(12)，在靶材表面激光烧蚀深度与需去除金属厚度相等情况下，激光烧蚀宽度为：

实验选用波长为532nm脉冲激光器，其整合于多轴数控机床。验证实验采用控制变量法研究单因素影响规律，通过MATLAB数值仿真和实验数据拟合曲线对比分析。根据激光器光学性能与机床动态性能，在保证材料去除的工艺参数可行域约束下，设定验证实验加工工艺参数。

图3所示不同激光扫描速度下理论和实际烧蚀轮廓图，其中，X轴为光斑相对位置，Y轴为激光烧蚀深度，单位为μm，激光扫描速度分别选择5m/min、3.5m/min、2m/min，此时设定的激光重复频率为30kHz，激光能量密度为4kJ/m²。当激光扫描速度分别为5m/min、3.5m/min、2m/min时，实验测得深度与理论计算深度偏差均值分别为0.81μm、0.18μm、0.16μm，并且，激光扫描速度为5m/min时，激光烧蚀深度未达到目标去除厚度，激光扫描速度分别为3.5m/min、2m/min时，实验测得烧蚀宽度与理论计算烧蚀宽度偏差均值为0.16μm、0.75μm，可见，随着激光扫描速度的变化，激光烧蚀轮廓实验结果与理论结果在实验参数区间内较好吻合。

图4所示为不同激光能量密度下理论和实际烧蚀轮廓图，其中，X轴为光斑相对位置，Y轴为激光烧蚀深度，单位为μm，激光能量密度分别选择2kJ/m²、3kJ/m²、4kJ/m²，此时设定的激光重复频率为30kHz，激光扫描速度为3m/min。当激光能量密度分别为2kJ/m²、3kJ/m²、4kJ/m²时，实验测得深度与理论计算深度偏差均值分别为0.14μm、0.32μm、0.51μm，并且，激光能量密度为2kJ/m²、3kJ/m²时，激光烧蚀深度未达到目标去除厚度，激光能量密度为4kJ/m²时，实验测得烧蚀宽度与理论计算烧蚀宽度偏差均值为0.62μm，可见，随着激光能量密度的变化，激光烧蚀轮廓实验结果与理论结果在实验参数区间内较好吻合。

图5所示为不同激光重复频率下理论和实际烧蚀轮廓图，其中，X轴为光斑相对位置，Y轴为激光烧蚀深度，单位为μm，激光重复频率分别选择20kHz、30kHz、40kHz，此时设定的激光能量密度为4kJ/m²，激光扫描速度为3m/min。当激光重复频率分别为20kHz、30kHz、40kHz时，实验测得深度与理论计算深度偏差均值分别为0.13μm、0.22μm、0.38μm，并且，激光重复频率为20kHz时，激光烧蚀深度未达到目标去除厚度，激光重复频率为30kHz、40kHz时，实验测得烧蚀宽度与理论计算烧蚀宽度偏差均值为0.26μm、0.61μm，可见，随着激光重复频率的变化，激光烧蚀轮廓实验结果与理论结果在实验参数区间内较好吻合。

综合图3、图4、图5可见，理论预测结果与实验结果较好吻合，说明本方法准确地提出了基于保证材料去除的有效加工参数约束集合的纳秒级脉冲激光加工微槽截面轮廓预测方法，实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓准确全面可靠预测，可有效应用于高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划中，对提高该类天线服役性能具有重要的实际应用意义。

Claims (1)

1.一种纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测方法，其特征在于，该方法基于纳秒级脉冲激光加工复杂图案靶材表面能量动态分布模型，求解靶材表面能量密度值，并根据靶材-激光间复杂物理化学反应机理，依托激光加工能量守恒定律和热力学规律，建立激光烧蚀深度预测模型，预测激光烧蚀微槽深度，在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的加工参数约束集合，计算激光加工烧蚀宽度，实现纳秒激光烧蚀微槽截面轮廓预测，从而为高速飞行器高性能天线激光加工工艺参数选择和加工轨迹规划提供理论和技术支持；方法的具体步骤如下：

步骤1：基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理的激光烧蚀深度求解

作为稳态传播的电磁场，纳秒级基模高斯脉冲激光，简称纳秒激光；

单脉冲能量在束腰平面上分布公式为：

其中，w₀为束腰半径，F₀为激光能量密度；

该纳秒激光沿半径为R的圆弧轨迹加工靶材时，靶材表面能量动态分布模型为：

其中，f为激光重复频率，v为激光扫描速度，k为光斑相对位置，其与靶材表面激光能量分布区域内任意一点距离圆弧心长度r和圆弧轨迹半径R满足：

r＝R+kw (3)

根据靶材-激光间复杂物理化学反应机理，单脉冲激光烧蚀厚度l_T与烧蚀阈值F_th间存在如下关系：

ρCp(T_m-T₀)l_T＝(1-β)F_th (4)

其中，ρ为靶材密度，Cp为靶材比热容，T_m、T₀分别为靶材熔化温度和室温，β为反射率，D_T为热扩散系数，t_p为脉冲激光持续时间；

根据热力学定律，激光烧蚀能量平衡关系可表达为：

(ρ_s+H_sl+ρ_lΔH_lv)H_k＝(1-β)(F_k-F_th) (6)

其中，ρ_s、ρ_l分别为靶材固态与液态下密度，ΔH_sl、ΔH_lv分别为靶材熔化焓与汽化焓；H_k为靶材表面k处激光烧蚀深度；

由式(2)、(4)、(5)、(6)可得靶材表面k处基于能量动态分布模型与激光烧蚀机理的激光烧蚀深度可表示为：

步骤2；保证材料去除的加工参数约束集合求解

纳秒激光加工过程中，需要靶材表面累积的能量超过靶材烧蚀阈值以实现材料蒸发或熔化去除；因此，鉴于纳秒激光加工工艺参数直接影响靶材表面能量累积，在实际激光加工过程中，各加工工艺参数必须满足相应的约束关系，保证靶材表面能量累积值超过材料烧蚀阈值，以实现材料去除；

在机床动态性能和激光器光学性能约束下，实现材料去除即要求最大烧蚀深度H_max>0；并且，激光最大烧蚀深度在光斑中心能量密度最高处取到，即k＝0处，此时H_max＝H_k＝0，即：

因此，在机床动态性能与激光器光学性能约束下，求解保证材料去除的工艺参数可行域约束集合为：

步骤3：计算目标去除厚度约束下的烧蚀宽度

在复杂图案激光烧蚀过程中，激光沿一个方向的加工路径进给完成后，需向垂直方向进给一个步距继续加工，必须合理规划步距以实现材料的完全去除与基底的有效保护；因此，考虑步骤1所求激光烧蚀微槽截面轮廓特征和步骤2所求的保证材料去除的工艺参数可行域，在目标去除厚度约束下开展激光加工烧蚀宽度的求解对步距合理规划至关重要；

并且，实际激光加工过程中，激光束腰半径尺度远远小于圆弧轨迹半径尺度，则：

假设材料目标去除厚度为H_metal，若满足靶材表面激光烧蚀深度与材料目标去除厚度相等，在公式(10)的条件下，由公式(7)可得，光斑相对位置k_metal为：

因此，由光斑相对位置参数定义式(3)和公式(11)，靶材表面激光烧蚀深度与需去除金属厚度相等情况下，激光烧蚀宽度为：

根据公式(12)，在材料目标去除厚度约束下实现激光加工烧蚀宽度的求解。