復合材料微小孔的激光加工

　　電路板復合材料在加工直徑小于0.2mm的微孔時，采用機械鉆削，刀具磨損加快、易折斷、成本增加，而激光束可以將光斑直徑縮小到微米級，是加工微孔的理想工具。激光打孔作為無接觸鉆削技術，是將激光束聚焦成極小的光點，光點的能量熔化或氣化材料形成微孔，具有鉆削速度快、效率高、無工具損耗、加工表面質量高等特點，特別適合于復合材料微孔鉆削。尤其在硬、脆、軟等各種材料上進行多數量、高密度的群孔加工。

　　采用激光加工復合材料易發(fā)生復雜的物理和化學變化，其切除材料的機制主要有兩種:

　　1、熱加工機制，激光加熱材料，使材料熔化、氣化;

　　2、光化學機制，激光能量直接用于克服材料分子間的化學鍵，使材料分解為細小的氣態(tài)分子或原子。

　　鉆削纖維增強復合材料的關鍵在于選擇合適的激光源，主要依據被加工材料的特性，如對特定波長光的吸收性、熔化和氣化溫度、熱傳導性等選擇。常用的激光源有CO2激光、KrF準分子激光和Nd:YA G激光。

　　一、CO2激光加工

　　CO2激光波長范圍為9.3～10.6μm，屬于紅外激光，切除材料為熱加工機制。CO2激光鉆削樹脂基纖維增強復合材料時，激光功率和加工時間對加工質量的影響比較大，設置適當激光功率和加工時間可以明顯改善加工質量。Aoyama等人用波長為10.6μm、最大輸出功率為25OW的CO2連續(xù)型激光在玻纖/環(huán)氧樹脂復合材料上鉆削直徑為0.3mm的微孔，發(fā)現當激光功率為35W、加工時間為OAS、輔助氣體為空氣時，孔壁表面環(huán)氧樹脂幾乎沒有出現熱損壞;而當激光功率為75W、加工時間為0.1s、輔助氣體為氮氣時，孔壁表面出現黑色的物質。這是由于激光能量連續(xù)照射樹脂，使樹脂的溫度來不及冷卻，累積到一定程度時，樹脂就出現熱損壞。Hirogaki等人用波長為10.6μm、最大輸出功率為100W的CO2脈沖激光鉆削玻纖/環(huán)氧樹脂和芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，發(fā)現如果照射時間小于5ms，環(huán)氧樹脂幾乎不出現熱損壞。這是因為減少激光脈沖的照射時間，可以降低材料吸收的能量，而且脈沖間的時間間隔使材料獲得一定的冷卻，因此樹脂的熱損壞進一步降低。

　　二、KrF準分子激光加工

　　KrF準分子激光常用波長為248nm，屬于紫外激光，切除材料為光化學機制。高能量的紫外線光子能使材料直接分裂為原子，達到切除材料的目的。KrF準分子激光可明顯減少激光加工熱損壞。Zheng等人用波長為248nm、脈沖寬度為20ns、能量密度為400nd/cm2的KrF激光鉆削玻纖/環(huán)氧復合材料，孔壁上不僅沒有出現黑色物質，而且可以準確控制孔的深度，每次脈沖鉆削深度為0.12μm。

　　但是，KrF準分子激光鉆削孔時可能會出現錐度，這是由于光束在加工形狀邊緣產生的衍射效應使能量的密度和蝕刻率降低而形成的錐度;另一原因可能是使用未修正的棱鏡的球形偏差導致的。隨著能量密度的增加，錐度逐漸減小，甚至出現負錐度。這可能是由于光束能量密度大于邊界處產生衍射作用的臨界能量及散焦作用使光束直徑變大造成的。

　　三、Nd:YAG激光加工

　　Nd:YAG激光常用波長為1.06μm和355nm，分別屬于紅外激光和紫外激光，兩種波長分別對應熱加工機制和光化學機制。Nd:YAG激光鉆削時，激光功率和脈沖頻率對熱損壞有重要影響。Yang等人用波長為355nm、平均功率為12W的Nd:YAG激光鉆削1.6mm厚的玻纖/環(huán)氧復合材料，發(fā)現在給定的脈沖頻率下，功率越高，加工溫度也越高，加速了環(huán)氧樹脂的焦化和玻璃纖維的熔化，熱損壞等效寬度隨激光平均功率增大而增大。在給定激光功率下，熱損壞的等效寬度在脈沖頻率為7KHz時最大，小于7KHz時隨頻率的增大而增大，超過7KHz時，熱損壞的寬度隨之減小。這是因為頻率越高，激光脈沖之間的時間間隔越短，加工表面的冷卻時間就越短，而當頻率超過7KHz時，脈沖頻率越高導致脈沖持續(xù)時間越長，激光脈沖的峰值功率就越小，降低了加工表面的溫度，熱損壞的等效寬度減小。用波長為355nm、功率0.3W、脈沖頻率1KHz的Nd:YAG激光鉆削，孔壁表面幾乎沒有出現熱損壞。

　　由于復合材料增強纖維的類型及每層纖維的方向不同，Nd:YAG激光鉆削過程中會出現孔的精度降低、孔在層間的分界面出現不連續(xù)及纖維膨脹等問題。Rodden等人用波長為1064nm、脈沖寬度為0.1ms的Nd:YAG激光鉆削2mm厚的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合層板，發(fā)現孔的形狀由圓變成橢圓且在層間的分界面處孔的形狀不連續(xù)，前者是由于碳纖維的熱傳導系數遠遠大于環(huán)氧樹脂的熱傳導系數，熱量先沿碳著纖維方向傳導，導致孔沿著碳纖維方向被拉伸;后者是因為每層的碳纖維方向不同，導致層間的孔形不連續(xù)。Cheng等人用波長為1.06μm，最大平均輸出能量為135W、脈沖持續(xù)時間為0.5～5ms的Nd:YAG脈沖激光鉆削約1mm厚的碳纖維/PEEK復合材料時，發(fā)現孔周圍的碳纖維在末端出現的徑向膨脹高達50%。由于纖維劇烈的熱膨脹導致局部填充結構發(fā)生不可逆變化，而且纖維結構內微孔的快速增壓強化了這種效果。