皮秒激光旋切加工微孔试验研究
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｍｉｃｒｏｈｏｌｅ；ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒｏｔａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ；ｐｕｌｓｅｏｖｅｒｌａｐｒａｔｉｏ；ｔａｐｅｒ
引 言
近年来，在微流体器件制造、电子封装等领域对高
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１７７５２８９）；山东 省科技厅重大关键技术资助项目（２０１６ＺＤＪＳ０２Ａ１５）；山东省泰 山学者工程专项经费资助项目（ｔｓ２０１５１１０３８）；温州市科技局 公益性科技计划资助项目（Ｇ２０１７００１４）；青岛市创新领军人才 计划资助项目
作者简介：孙树峰 （１９６８）Leabharlann Baidu男，博士，特聘教授，博士生导 师，主要从事激光精密微纳加工技术方面的研究。
Ｅｍａｉｌ：ｓｈｕｆｅｎｇ２００１＠１６３．ｃｏｍ 收稿日期：２０１７０５２２；收到修改稿日期：２０１７０７１７
深径比、高质量微孔加工的需求越来越多［１５］。微孔一 般指直径小于 ３００μｍ的孔，在精密加工领域，尤其对 微孔的尺寸及质量提出了很高的要求。传统打孔方法 包括机械钻孔、电火花打孔和电子束打孔等都存在一 定的局限性［６］，采用激光加工技术被认为是实现高效 精密制孔的 一 个 有 效 途 径［７］，超 短 脉 冲 （皮 秒、飞 秒 ） 激光加工时能够有效减小长脉冲激光产生的热影响等 问题，其中飞秒激光的“冷加工”效应能够获得更好的 加工质量［８］，但造价昂贵的飞秒激光器目前很难实现 大规模工业化应用，而性价比相对较高的皮秒激光在 微加工行业已得到较为广泛的应用［７１０］。本试验中所
ＳＵＮＳｈｕｆｅｎｇ１，２，ＬＩＡＯＨｕｉｐｅｎｇ２，ＷＵＸｕｈａｏ３，ＺＨＡＮＧＢｉｎ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５２０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｅｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｎｚｈｏｕ３２５０３５，Ｃｈｉｎａ；３．ＨｉｇｈｌａｓｅｒＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ．， Ｗｅｎｚｈｏｕ３２５０３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｑｕａｌｉｔｙｏｆｍｉｃｒｏｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ，ｕｓｉｎｇｐｕｌｓｅｌａｓｅｒ ｗｉｔｈｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｏｆ２００ｐｓａｎｄｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒｏｔａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ａｍｉｃｒｏｐｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｔｅｓｔｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ２００μｍ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎＳＵＳ３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｗｉｔｈｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆ０．２ｍｍ．Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｈｏｌｅｓｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇｃｏｎｆｏｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｌａｓｅｒｐｏｗｅｒａｎｄｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆａｐｅｒｔｕｒｅ， ｔａｐｅｒａｎｄｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｈａｓｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆ ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｗａｌｌ．Ｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｏｖｅｒｌａｐｒａｔｅｏｆｌａｓｅｒｐｕｌｓｅａｎｄｔｈｅｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｗａｌｌｏｆ ｍｉｃｒｏｈｏｌｅｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｍｉｃｒｏｉｎｃｉｓｉｏｎｂｙｒｏｔａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌａｓｅｒｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｔａｐｅｒｏｆｍｉｃｒｏｈｏｌｅｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｐｏｓｉｔｉｖｅｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇ． Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｐｒｏｃｅｓｓｓｍａｌｌｔａｐｅｒｐｏｒｅｓｗｉｔｈｓｍａｌｌｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅａｎｄｇｏｏｄｅｄｇｅｑｕａｌｉｔｙ．
摘要：为了解决毫 ／纳秒激光加工微孔质量低的问题，利用脉冲宽度为 ２００ｐｓ的脉冲激光，采用高速旋切法对厚度 为 ０．２ｍｍ的 ＳＵＳ３０４不锈钢薄板进行直径为 ２００μｍ的微孔加工试验，用激光共聚焦显微镜观察孔的外观形貌，研究旋 切速率、激光功率和离焦量等因素对孔径、锥度和热影响区等加工质量的影响。结果表明，旋切速率对微孔内壁质量有 直接的影响；通过提高转速来降低激光脉冲重叠率可以减小微孔内壁的热影响区；适当增加激光功率，能够改善旋切加 工微孔切口处的加工质量；采用正离焦加工能够一定程度减小孔的锥度。优化工艺参量能够加工出热影响区小、边缘质 量好的小锥度微孔。
第 ４２卷 第 ２期 ２０１８年 ３月
激 光 技 术 ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２ Ｍａｒｃｈ，２０１８
文章编号：１００１３８０６（２０１８）０２０２３４０５
皮秒激光旋切加工微孔试验研究
孙树峰１，２，廖惠鹏２，吴旭浩３，章 斌２
（１．青岛理工大学 机械工程学院，青岛 ２６６５２０；２．温州大学 机电工程学院，温州 ３２５０３５；３．浙江久恒光电科技有限公 司，温州 ３２５０３５）
关键词：激光技术；微孔；高速旋切法；皮秒激光；脉冲重叠率；锥度 中图分类号：ＴＧ６６５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０７５１０／ｊｇｊｓｉｓｓｎ１００１３８０６２０１８０２０１８
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙａｂｏｕｔｍｉｃｒｏｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｂｙｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ
引 言
近年来，在微流体器件制造、电子封装等领域对高
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１７７５２８９）；山东 省科技厅重大关键技术资助项目（２０１６ＺＤＪＳ０２Ａ１５）；山东省泰 山学者工程专项经费资助项目（ｔｓ２０１５１１０３８）；温州市科技局 公益性科技计划资助项目（Ｇ２０１７００１４）；青岛市创新领军人才 计划资助项目
作者简介：孙树峰 （１９６８）Leabharlann Baidu男，博士，特聘教授，博士生导 师，主要从事激光精密微纳加工技术方面的研究。
Ｅｍａｉｌ：ｓｈｕｆｅｎｇ２００１＠１６３．ｃｏｍ 收稿日期：２０１７０５２２；收到修改稿日期：２０１７０７１７
深径比、高质量微孔加工的需求越来越多［１５］。微孔一 般指直径小于 ３００μｍ的孔，在精密加工领域，尤其对 微孔的尺寸及质量提出了很高的要求。传统打孔方法 包括机械钻孔、电火花打孔和电子束打孔等都存在一 定的局限性［６］，采用激光加工技术被认为是实现高效 精密制孔的 一 个 有 效 途 径［７］，超 短 脉 冲 （皮 秒、飞 秒 ） 激光加工时能够有效减小长脉冲激光产生的热影响等 问题，其中飞秒激光的“冷加工”效应能够获得更好的 加工质量［８］，但造价昂贵的飞秒激光器目前很难实现 大规模工业化应用，而性价比相对较高的皮秒激光在 微加工行业已得到较为广泛的应用［７１０］。本试验中所
ＳＵＮＳｈｕｆｅｎｇ１，２，ＬＩＡＯＨｕｉｐｅｎｇ２，ＷＵＸｕｈａｏ３，ＺＨＡＮＧＢｉｎ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５２０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｅｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｎｚｈｏｕ３２５０３５，Ｃｈｉｎａ；３．ＨｉｇｈｌａｓｅｒＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ．， Ｗｅｎｚｈｏｕ３２５０３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｑｕａｌｉｔｙｏｆｍｉｃｒｏｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ，ｕｓｉｎｇｐｕｌｓｅｌａｓｅｒ ｗｉｔｈｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｏｆ２００ｐｓａｎｄｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒｏｔａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ａｍｉｃｒｏｐｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｔｅｓｔｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ２００μｍ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎＳＵＳ３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｗｉｔｈｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆ０．２ｍｍ．Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｈｏｌｅｓｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇｃｏｎｆｏｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｌａｓｅｒｐｏｗｅｒａｎｄｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆａｐｅｒｔｕｒｅ， ｔａｐｅｒａｎｄｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｈａｓｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆ ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓｗａｌｌ．Ｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｏｖｅｒｌａｐｒａｔｅｏｆｌａｓｅｒｐｕｌｓｅａｎｄｔｈｅｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｗａｌｌｏｆ ｍｉｃｒｏｈｏｌｅｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｍｉｃｒｏｉｎｃｉｓｉｏｎｂｙｒｏｔａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌａｓｅｒｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｔａｐｅｒｏｆｍｉｃｒｏｈｏｌｅｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｐｏｓｉｔｉｖｅｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇ． Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｐｒｏｃｅｓｓｓｍａｌｌｔａｐｅｒｐｏｒｅｓｗｉｔｈｓｍａｌｌｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅａｎｄｇｏｏｄｅｄｇｅｑｕａｌｉｔｙ．
摘要：为了解决毫 ／纳秒激光加工微孔质量低的问题，利用脉冲宽度为 ２００ｐｓ的脉冲激光，采用高速旋切法对厚度 为 ０．２ｍｍ的 ＳＵＳ３０４不锈钢薄板进行直径为 ２００μｍ的微孔加工试验，用激光共聚焦显微镜观察孔的外观形貌，研究旋 切速率、激光功率和离焦量等因素对孔径、锥度和热影响区等加工质量的影响。结果表明，旋切速率对微孔内壁质量有 直接的影响；通过提高转速来降低激光脉冲重叠率可以减小微孔内壁的热影响区；适当增加激光功率，能够改善旋切加 工微孔切口处的加工质量；采用正离焦加工能够一定程度减小孔的锥度。优化工艺参量能够加工出热影响区小、边缘质 量好的小锥度微孔。
第 ４２卷 第 ２期 ２０１８年 ３月
激 光 技 术 ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２ Ｍａｒｃｈ，２０１８
文章编号：１００１３８０６（２０１８）０２０２３４０５
皮秒激光旋切加工微孔试验研究
孙树峰１，２，廖惠鹏２，吴旭浩３，章 斌２
（１．青岛理工大学 机械工程学院，青岛 ２６６５２０；２．温州大学 机电工程学院，温州 ３２５０３５；３．浙江久恒光电科技有限公 司，温州 ３２５０３５）
关键词：激光技术；微孔；高速旋切法；皮秒激光；脉冲重叠率；锥度 中图分类号：ＴＧ６６５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０７５１０／ｊｇｊｓｉｓｓｎ１００１３８０６２０１８０２０１８
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙａｂｏｕｔｍｉｃｒｏｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｂｙｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒ