復(fù)合材料微小孔的激光加工

　　電路板復(fù)合材料在加工直徑小于0.2mm的微孔時(shí)，采用機(jī)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(shù)，是將激光束聚焦成極小的光點(diǎn)，光點(diǎn)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(zhì)量高等特點(diǎn)，特別適合于復(fù)合材料微孔鉆削。尤其在硬、脆、軟等各種材料上進(jìn)行多數(shù)量、高密度的群孔加工。

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

　　1、熱加工機(jī)制，激光加熱材料，使材料熔化、氣化;

　　2、光化學(xué)機(jī)制，激光能量直接用于克服材料分子間的化學(xué)鍵，使材料分解為細(xì)小的氣態(tài)分子或原子。

　　鉆削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵在于選擇合適的激光源，主要依據(jù)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(dǎo)性等選擇。常用的激光源有CO2激光、KrF準(zhǔn)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(jī)制。CO2激光鉆削樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，激光功率和加工時(shí)間對加工質(zhì)量的影響比較大，設(shè)置適當(dāng)激光功率和加工時(shí)間可以明顯改善加工質(zhì)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(fù)合材料上鉆削直徑為0.3mm的微孔，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為35W、加工時(shí)間為OAS、輔助氣體為空氣時(shí)，孔壁表面環(huán)氧樹脂幾乎沒有出現(xiàn)熱損壞;而當(dāng)激光功率為75W、加工時(shí)間為0.1s、輔助氣體為氮?dú)鈺r(shí)，孔壁表面出現(xiàn)黑色的物質(zhì)。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(shí)，樹脂就出現(xiàn)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(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)如果照射時(shí)間小于5ms，環(huán)氧樹脂幾乎不出現(xiàn)熱損壞。這是因?yàn)闇p少激光脈沖的照射時(shí)間，可以降低材料吸收的能量，而且脈沖間的時(shí)間間隔使材料獲得一定的冷卻，因此樹脂的熱損壞進(jìn)一步降低。

　　二、KrF準(zhǔn)分子激光加工

　　KrF準(zhǔn)分子激光常用波長為248nm，屬于紫外激光，切除材料為光化學(xué)機(jī)制。高能量的紫外線光子能使材料直接分裂為原子，達(dá)到切除材料的目的。KrF準(zhǔn)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(fù)合材料，孔壁上不僅沒有出現(xiàn)黑色物質(zhì)，而且可以準(zhǔn)確控制孔的深度，每次脈沖鉆削深度為0.12μm。

　　但是，KrF準(zhǔn)分子激光鉆削孔時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)錐度，這是由于光束在加工形狀邊緣產(chǎn)生的衍射效應(yīng)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(dǎo)致的。隨著能量密度的增加，錐度逐漸減小，甚至出現(xiàn)負(fù)錐度。這可能是由于光束能量密度大于邊界處產(chǎn)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(yīng)熱加工機(jī)制和光化學(xué)機(jī)制。Nd:YAG激光鉆削時(shí)，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(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)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(shí)最大，小于7KHz時(shí)隨頻率的增大而增大，超過7KHz時(shí)，熱損壞的寬度隨之減小。這是因?yàn)轭l率越高，激光脈沖之間的時(shí)間間隔越短，加工表面的冷卻時(shí)間就越短，而當(dāng)頻率超過7KHz時(shí)，脈沖頻率越高導(dǎo)致脈沖持續(xù)時(shí)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(xiàn)熱損壞。

　　由于復(fù)合材料增強(qiáng)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(huì)出現(xiàn)孔的精度降低、孔在層間的分界面出現(xiàn)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(fù)合層板，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱量先沿碳著纖維方向傳導(dǎo)，導(dǎo)致孔沿著碳纖維方向被拉伸;后者是因?yàn)槊繉拥奶祭w維方向不同，導(dǎo)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(shí)間為0.5～5ms的Nd:YAG脈沖激光鉆削約1mm厚的碳纖維/PEEK復(fù)合材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)孔周圍的碳纖維在末端出現(xiàn)的徑向膨脹高達(dá)50%。由于纖維劇烈的熱膨脹導(dǎo)致局部填充結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，而且纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)微孔的快速增壓強(qiáng)化了這種效果。