复合材料微小孔的激光加工

　　电路板复合材料在加工直径小于0.2mm的微孔时，采用机械钻削，刀具磨损加快、易折断、成本增加，而激光束可以将光斑直径缩小到微米级，是加工微孔的理想工具。激光打孔作为无接触钻削技术，是将激光束聚焦成极小的光点，光点的能量熔化或气化材料形成微孔，具有钻削速度快、效率高、无工具损耗、加工表面质量高等特点，特别适合于复合材料微孔钻削。尤其在硬、脆、软等各种材料上进行多数量、高密度的群孔加工。

　　采用激光加工复合材料易发生复杂的物理和化学变化，其切除材料的机制主要有两种:

　　1、热加工机制，激光加热材料，使材料熔化、气化;

　　2、光化学机制，激光能量直接用于克服材料分子间的化学键，使材料分解为细小的气态分子或原子。

　　钻削纤维增强复合材料的关键在于选择合适的激光源，主要依据被加工材料的特性，如对特定波长光的吸收性、熔化和气化温度、热传导性等选择。常用的激光源有CO2激光、KrF准分子激光和Nd:YA G激光。

　　一、CO2激光加工

　　CO2激光波长范围为9.3～10.6μm，属于红外激光，切除材料为热加工机制。CO2激光钻削树脂基纤维增强复合材料时，激光功率和加工时间对加工质量的影响比较大，设置适当激光功率和加工时间可以明显改善加工质量。Aoyama等人用波长为10.6μm、最大输出功率为25OW的CO2连续型激光在玻纤/环氧树脂复合材料上钻削直径为0.3mm的微孔，发现当激光功率为35W、加工时间为OAS、辅助气体为空气时，孔壁表面环氧树脂几乎没有出现热损坏;而当激光功率为75W、加工时间为0.1s、辅助气体为氮气时，孔壁表面出现黑色的物质。这是由于激光能量连续照射树脂，使树脂的温度来不及冷却，累积到一定程度时，树脂就出现热损坏。Hirogaki等人用波长为10.6μm、最大输出功率为100W的CO2脉冲激光钻削玻纤/环氧树脂和芳纶纤维/环氧树脂复合材料，发现如果照射时间小于5ms，环氧树脂几乎不出现热损坏。这是因为减少激光脉冲的照射时间，可以降低材料吸收的能量，而且脉冲间的时间间隔使材料获得一定的冷却，因此树脂的热损坏进一步降低。

　　二、KrF准分子激光加工

　　KrF准分子激光常用波长为248nm，属于紫外激光，切除材料为光化学机制。高能量的紫外线光子能使材料直接分裂为原子，达到切除材料的目的。KrF准分子激光可明显减少激光加工热损坏。Zheng等人用波长为248nm、脉冲宽度为20ns、能量密度为400nd/cm2的KrF激光钻削玻纤/环氧复合材料，孔壁上不仅没有出现黑色物质，而且可以准确控制孔的深度，每次脉冲钻削深度为0.12μm。

　　但是，KrF准分子激光钻削孔时可能会出现锥度，这是由于光束在加工形状边缘产生的衍射效应使能量的密度和蚀刻率降低而形成的锥度;另一原因可能是使用未修正的棱镜的球形偏差导致的。随着能量密度的增加，锥度逐渐减小，甚至出现负锥度。这可能是由于光束能量密度大于边界处产生衍射作用的临界能量及散焦作用使光束直径变大造成的。

　　三、Nd:YAG激光加工

　　Nd:YAG激光常用波长为1.06μm和355nm，分别属于红外激光和紫外激光，两种波长分别对应热加工机制和光化学机制。Nd:YAG激光钻削时，激光功率和脉冲频率对热损坏有重要影响。Yang等人用波长为355nm、平均功率为12W的Nd:YAG激光钻削1.6mm厚的玻纤/环氧复合材料，发现在给定的脉冲频率下，功率越高，加工温度也越高，加速了环氧树脂的焦化和玻璃纤维的熔化，热损坏等效宽度随激光平均功率增大而增大。在给定激光功率下，热损坏的等效宽度在脉冲频率为7KHz时最大，小于7KHz时随频率的增大而增大，超过7KHz时，热损坏的宽度随之减小。这是因为频率越高，激光脉冲之间的时间间隔越短，加工表面的冷却时间就越短，而当频率超过7KHz时，脉冲频率越高导致脉冲持续时间越长，激光脉冲的峰值功率就越小，降低了加工表面的温度，热损坏的等效宽度减小。用波长为355nm、功率0.3W、脉冲频率1KHz的Nd:YAG激光钻削，孔壁表面几乎没有出现热损坏。

　　由于复合材料增强纤维的类型及每层纤维的方向不同，Nd:YAG激光钻削过程中会出现孔的精度降低、孔在层间的分界面出现不连续及纤维膨胀等问题。Rodden等人用波长为1064nm、脉冲宽度为0.1ms的Nd:YAG激光钻削2mm厚的碳纤维/环氧树脂复合层板，发现孔的形状由圆变成椭圆且在层间的分界面处孔的形状不连续，前者是由于碳纤维的热传导系数远远大于环氧树脂的热传导系数，热量先沿碳着纤维方向传导，导致孔沿着碳纤维方向被拉伸;后者是因为每层的碳纤维方向不同，导致层间的孔形不连续。Cheng等人用波长为1.06μm，最大平均输出能量为135W、脉冲持续时间为0.5～5ms的Nd:YAG脉冲激光钻削约1mm厚的碳纤维/PEEK复合材料时，发现孔周围的碳纤维在末端出现的径向膨胀高达50%。由于纤维剧烈的热膨胀导致局部填充结构发生不可逆变化，而且纤维结构内微孔的快速增压强化了这种效果。