激光抛光工艺的发展与应用

激光抛光工艺的发展与应用

1应用新的抛光工艺。在微现代制造业的发展对表面的精确加工提出了更高的要求。而作为制造加工业的重要工艺手段——抛光工艺,不仅影响着产品的使用性能而且也影响着产品的档次。随着产品结构设计的复杂化和产品组合形式的多样化,抛光工艺的应用也越来越显著。这是抛光工艺技术发展扩大化体现的一个方面。另一方面,微纳科技和精密制造的发展,尤其是非硅微机械加工,也离不开对抛光工艺的研究。在宏观领域适用的传统抛光手段(主要是机械抛光),由于实现方式的单一化,很难扩展到微观领域。其他的特种抛光技术如化学抛光、电化学(电解)抛光、火焰抛光等等,在适用于微元器件表面处理上,要做到仅对微米范围内成形的微结构抛光,而对其他部位没有影响,确也勉为其难。激光抛光,作为一种非接触性原理的抛光技术,则是可以想见的成为微结构抛光工艺的重要技术手段。激光抛光的必要性主要体现在以下几点。1非接触光泽接触式抛光在样品上施加了外力,样品在外力下容易破裂。而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力。2不锈钢表面刮痕普通光学加工中采用砂粒研磨的方式,微小颗粒对玻璃表面有很小的刮痕,通过原子力显微镜等手段可以观察到这些刮痕。刮痕深度可能达几十纳米,从而影响抛光质量。采用激光抛光,可克服这一问题的产生。3微区表面精度微细加工领域,激光抛光也有着较大的应用潜力。目前,一般的Si微器件、MEMS的制作,在微结构成形的时候,工艺方法自身就保证了表面精度,而不需要像宏观机械零件加工那样在切削处理后,还应进行表面研抛处理才能降低表面粗糙度。但在特种微加工、特殊器件制作领域,初级成形结构的表面精度达不到使用要求,或者处于易损(折断或磨损)应用场合的微器件,则要求进行微区抛光。微结构由于线度的影响,采用其他宏观大面积抛光处理方法很难实现工作,而激光束的精细聚焦、柔性变换等特征,可以充分满足微结构的抛光处理要求。4可控的抛光技术复杂微结构材料制备中,往往需要对选定的区域进行表面处理,而需处理和待处理的区域根据设计要求又往往交错在一起,这就需要相应的作用区域用可控的抛光技术来处理,对选定的区域进行局部抛光。5加工工艺对传统工艺的特现代电子器件、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械等行业的发展,对提高产品核心竞争力的要求越来越迫切,结构设计越来越复杂,相应的加工工艺要求也越来越高,传统抛光工艺受到一定的局限。62机械无法连接结构或结构的光度激光具有一定的穿透性、可聚焦性、柔性传输性,这些特点,使得对深凹槽(深孔)结构、大拐点结构、密封器件等的抛光变为可能。7平面进行机械抛光激光抛光有很高的灵活性,由于他是非接触式加工,所以不仅能对平面进行抛光,还能运用计算机三维控制对各种曲面进行抛光。如为对称曲面效果则更好,激光能够抛光的面形有平面、球面、椭球面、抛物面等。81提高标准部件的生产效率激光的高密度、高定向性能和高光子能量,使其对材料抛光的去除率可以达到比较高的值,因此可以比传统手段的抛光效率提高很多数量级。9数据处理的难点这些工具与辅料尤其在光学镜头的研磨抛光处理上是必不可少的,工序复杂,操作技能要求高,并带来一定的污染。激光抛光则可以简化抛光用具,避免以上问题。10也研磨材料的抛光超硬、超软、脆性等材料的抛光问题,一直是对加工制造业的挑战。而激光抛光是解决这类材料抛光的最佳候选技术方案之一。11激光抛光这是由于在激光抛光过程中,可能产生材料表面浅层区域的极快速熔化又冷却现象。激光抛光的其他优点还有很多,如有利于实现抛光工艺自动化;可对非球面和非旋转对称面进行抛光;抛光需要的工作环境比较简单,一般在室温下进行即可,不需要特殊条件等。2光化学的应用国外有学者从20世纪80年代开始就着手这一技术的研究,探索激光抛光作为抛光工艺技术发展的可行性。到目前为止,有文献报道的研究单位,国内外约有十几家。美国加州南加州大学激光研究中心的Y.M.Xiao和MichaelBass,较早报道了对熔融石英和Pyrex玻璃的激光抛光美国威斯康星大学Perry,TylerL.等也采用微熔化的机理对金属微零件进行抛光新加坡制造工程研究所的T.A.Mai和G.C.Lim使用脉冲二倍频Nd:YAG激光对0.6mm厚304亚稳态奥氏体不锈钢进行抛光处理西班牙加泰罗尼亚工业大学学者F.Laguarta所在课题组采用CO西班牙巴斯克地区大学A.Lamikiz对于SLS成型样品抛光,进行了一系列参数试验,获得表面粗糙度从初始7.5~7.8μm到1.49μm的表面日本东海大学(TokaiUniversity)电子工程系MasatakaMurahara等人采用了光化学辅助反应的抛光机理日本大阪大学激光工程研究院TakahisaJitsuno等人,在光学元件前表面黏附PMMA薄膜,采用193nm准分子激光修正、抛光PMMA,从而补偿光学元件的波像差,获得希望的光学曲面形状,最终得到最优质量的光学元件德国亚琛夫琅霍费激光所(ILT)的Willenborg,E.等人,在1.2343,1.2344,1.2316等钢材上进行了激光抛光试验,获得了接近镜面的表面粗糙度。并用于玻璃铸造模具的制造,获得的模具表面粗糙度土耳其安卡拉中东技术大学物理系M.Udrea等,采用10WCO英国赫瑞特瓦特大学HeriotWattUniversity工程和理学院KrzysztofM.Nowak等,也报道了采用CO其机理仍使用快速重熔-再凝机理,技术核心是产生冲击凹坑。通过重叠产生的冲击凹坑,来扫描整个待抛光区域。也使用了光栅扫描法(rasterscan)。扫描控制方式事先通过程序设定和脉冲能量标定,试验扫描完成1mm直径和10μm高度的微凸透镜结构大约需10min。流动的量由熔融玻璃的粘性、熔池的几何形状、低粘性的保持时间(定义为驻留时间)等因素决定。作者认为大面积的整体抛光(指对抛光光学元件的整体面积)是没有优势的。因为这将减少质量流的空间控制。通过限制光点尺寸,抛光作用限制在熔化区以内,有效地降低了满足平滑条件的特征尺寸上限。因此,激光脉冲参数、扫描栅条间距、点尺寸的合理选择、限定驻留时间、熔化区的形状和温度剖面,将最终决定被抛光量的发生。这一途径允许精确控制被抛光量。他们采用抛光石英微光学元件,获得的石英表面粗糙度可从1μm量级降低到1nm量级。加拿大国家研究会微结构科学研究所(InstituteforMicrostructuralSciences,NationalResearchCouncilofCanada)J.J.Dubowski等人采用308nmXeCl准分子激光抛光GaN薄膜俄罗斯通用物理研究所S.M.Pimenov等我国近几年也开始在此领域开展研究工作。邵天敏另外,华中科技大学和华南理工大学的科