整体氧化铝皮秒激光加工的特性与机理

《Optics & Laser Technology》：Characteristics and mechanisms of picosecond laser machining of monolithic alumina

　　

摘要

本研究调查了使用高功率皮秒激光在整体氧化铝（99.7% Al₂O₃）中进行深盲槽激光加工的情况。该工作解决了在保持区分超短脉冲加工与长脉冲激光加工的近无热烧蚀特性的同时实现具有工业相关性的吞吐量的关键挑战。通过对深槽加工中的能量耦合、热积累动力学和几何约束进行系统研究，本研究表明了当槽深扩展至毫米级时激光加工过程如何影响材料去除。成功加工了深度约为 4 毫米的槽，实现了最高约 100 mm³/min 的材料去除率和约 0.5 mm³/min·W 的去除效率，在保持最小热损伤的同时，相比以前报告的数值取得了实质性进展。截面分析显示槽底没有可观察到的热影响区，槽侧壁的重铸层高达 150 μm，显著低于纳秒系统。研究表明，在较高的脉冲重复频率下的热积累推动去除机制从烧蚀主导转变为熔化主导，从根本上限制了工艺效率。相反，通过交错扫描策略在时间上分离相邻扫描轨迹，将本体材料温度降低了约 20%，增强碎屑排出并保持了高效的能量耦合。研究结果确立了通过对时间、空间和焦点能量分布进行战略管理，可以在保持超短脉冲质量优势的同时实现氧化铝深加工的工业相关吞吐量。结果还阐明了控制从浅表面烧蚀过渡到稳定深腔形成的机制。

引言

由于氧化铝具有坚固性、热稳定性、化学耐受性和电绝缘性，它已成为使用最广泛的工程陶瓷之一 [1]、[2]。这些属性使其成为电子基板、航空航天部件、电动汽车电机、生物医学植入物和耐磨应用中的必需材料。使氧化铝在实际应用中具有吸引力的相同特性也导致了其加工性差。其硬度接近蓝宝石，断裂韧性低，这意味着即使微小的应力集中也会导致裂纹萌生。传统材料加工技术，包括磨料水射流加工 [3]、金刚石磨削 [4] 或基于机械刀具的加工，速度慢且成本高，并且经常产生损害强度和长期性能的次表面微裂纹。随着行业对致密、厚实且几何形状复杂的陶瓷部件的需求日益增加，传统方法的局限性变得更加明显 [5]。

这些挑战导致了对非接触加工途径的持续关注。其中，激光加工因消除了刀具磨损、提供高空间精度并允许加工复杂形状而成为最有前景的技术。然而，由于氧化铝熔点高、热导率低和带隙宽，其热加工较为困难。这些材料特性强烈影响其与激光辐射的相互作用方式，并决定主要的去除机制。因此，人们探索了各种类型的激光，从连续波源 [6] 到长脉冲系统 [7] 和超短脉冲激光 [8]。每一类激光引入了不同的能量沉积模式，因此导致了去除率与热损伤之间不同的平衡。

连续波和毫秒脉冲光纤激光已成为陶瓷工业激光加工的主力军 [9]、[10]、[11]，尤其是当优先考虑生产力时。它们对于包括氧化铝在内的陶瓷的通切和钻孔加工已经非常成熟 [7]、[12]。尽管连续波或长脉冲系统可用于通切和钻孔，但它们在盲加工中的使用受到扩散到周围材料中的热量的限制。熔融层、重铸堆积 [9]、[10]、[11] 以及热影响区的范围通常很大。

纳秒脉冲激光占据了一个中间状态。它们的峰值功率高于连续波系统，并引入了一定程度的爆炸性材料去除，但其脉冲持续时间仍然足够长，热量会扩散到晶格中。纳秒激光对金属和陶瓷的浅加工有效，但证据表明它们在氧化铝深加工中引入了相当大的损伤。几项研究报告仅加工出浅 [13] 或低质量特征，且产生的重铸层 [14] 和微裂纹通常需要后处理。关于使用纳秒脉冲对氧化铝进行盲铣的报道非常有限，通常深度仅达几百微米，之后热损伤就变得不可接受。

由于这些限制，注意力已转向超短脉冲激光，通常在皮秒 [15]、[16]、[17] 和飞秒 [18] 范围内。理论上，它们的脉冲持续时间短于电子到晶格的耦合时间，这意味着吸收能量中有很大一部分贡献于非热过程，如多光子电离和等离子体介导烧蚀。这种根本不同的相互作用机制允许在周围晶格加热最少的情况下去除材料。大量研究证实，超短脉冲激光可以加工氧化铝 [18]，具有卓越的特征定义和极少的附带损伤 [8]、[19]。

尽管具有质量优势，超短脉冲系统仍难以实现工业生产所需的材料去除率 (MRR)，通常在每分钟数百立方毫米的范围内。尽管在热损伤控制和几何精度方面具有明显优势，但以前关于氧化铝皮秒激光加工的研究一直报告吞吐量有限。Beausoleil 等人 [19] 使用摆动辅助皮秒激光策略展示了工业级氧化铝的深无缺陷切割，实现了最高约 10 mm³/min 的材料去除率。早期低功率皮秒微铣削调查也确立了在受控实验设计下 MRR 对激光功率和扫描参数的强敏感性 [20]。最近，氧化铝的高功率超短脉冲加工显著提高了吞吐量，在高精加工条件下去除率高达 40 mm³/min，在粗加工模式下高达 57 mm³/min [21]。这些研究共同表明，尽管取得了实质性进展，但在致密整体氧化铝中同时实现深特征生成和具有工业相关性的吞吐量仍然是一个重大挑战。有关于使用爆发模式 [22]、[23] 或数百瓦级光源时去除率较高的零星报告，但这些仍属例外，且主要局限于金属或具有更有利吸收特性的复合材料。

超短脉冲 [17] 可实现的低损伤质量与长脉冲激光 [7] 的高吞吐量之间的对比突显了氧化铝激光加工的中心挑战。工业应用既需要最小的热损伤，也需要有竞争力的去除率。在脆性、低导电陶瓷中同时实现这些目标是很困难的，因为促进快速去除的机制，例如长脉冲下的熔融排出 [9]，也会引入开裂和重铸，而保持质量的机制，例如超短脉冲的冷烧蚀 [23]，则从根本上限制了吞吐量。当加工任务需要创建深特征时，这种权衡变得更加重要。

一旦深度超过几毫米，由于自限制效应 [24]，激光加工变得越来越困难，即使光束保留了到加工正面的名义视线路径 [21]。随着槽变深，边缘效应加剧 [15]、[16]、[17]，等离子体和射流物积聚，输送到底部的能量密度逐渐下降。虽然长脉冲系统可以穿透更深，但它们倾向于诱发开裂和大的热影响区 [25]，使它们不适合需要表面完整性的场合。皮秒激光是克服这一障碍的最有前景的候选者：它们将近无热烧蚀与超短脉冲范围内可用的最高平均功率相结合。然而，尽管取得了这些进展，关于皮秒激光研究的多数理解和研究工作涉及表面烧蚀或浅特征，通常低于一毫米，使用低功率激光。因此，对于高功率皮秒光束如何耦合到深腔中、当羽流逸出受到限制时热量如何积累以及去除机制如何随深度增加而演变，目前了解有限。

本研究通过调查使用高功率皮秒激光在整体氧化铝中进行深盲加工的特征和主导机制来解决这一知识空白。该工作检查了当腔体从浅烧蚀进入多毫米级时，材料去除率、槽几何形状和表面状况如何演变，在此范围内光束进入、羽流行为和热负荷开始显著变化。

章节摘要

材料与方法

实验在整体氧化铝板上进行。该材料含有 99.7% 的重结晶 Al₂O₃，交付为厚度 6 毫米的平板。在工作表面上加工出标称足迹为 10 毫米乘以 4 毫米的矩形盲槽。该几何形状代表了工业氧化铝部件中发现的盲腔特征，包括电子封装基板中的凹陷轮廓和生物医学植入物组件中的内部腔体。该

结果

任何微加工过程的性能评估取决于材料去除的速度、加工表面的质量和最终几何形状的稳定性。对于陶瓷的超短脉冲加工，材料去除率提供了吞吐量的直接度量，因此指示给定的参数集是否良好。表面粗糙度指示材料烧蚀的清洁程度以及是否发生了熔化或不完整的喷射。槽形状

讨论

图 2、图 3、图 4、图 5、图 6、图 7、图 8、图 9、图 10 中所示的系统参数研究表明，氧化铝皮秒激光加工中的材料去除率、表面质量和热损伤受涉及能量耦合、热积累、羽流动力学和几何约束的相互关联机制控制。以前的超短脉冲加工调查也表明，等离子体屏蔽、残余热积累以及

总结

这项关于整体氧化铝皮秒激光加工的研究表明，在保持区分超短脉冲激光加工与传统长脉冲或短脉冲激光加工的表面质量的同时，可以实现工业可行的吞吐量。该工作确立了实现约 100 mm³/min 的材料去除率和约 0.5 mm³/min·W 的去除效率需要对多个工艺变量进行仔细协调，而不仅仅是增加平均

CRediT 作者贡献声明

Priyanka Ghosh：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，资源，项目管理，方法论，概念化。Liam Mackenzie：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，软件，调查，形式分析，数据整理。Stephen D. Dondieu：验证，监督。Sundar Marimuthu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，验证，监督，资源，项目管理，方法论，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会被认为影响本文 reported 的工作。

致谢

本研究由英国研究与创新署未来领导者基金支持，拨款编号为 MR/V02180X/1。

Priyanka Ghosh|Liam Mackenzie|Stephen D. Dondieu|Sundar Marimuthu