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摘要

利用飞秒激光非热熔性烧蚀的加工特性，以钛箔材质的过滤片零件为加工对象，研究了飞秒激光在钛箔材料微槽结构及外形加工方面的应用，并针对加工需求开发了易氧化薄基材的定位夹具和防氧化技术。试验中通过优化离焦量、加工速度和激光能量等参数，得到了过滤片边缘形貌和底部形貌受激光能量密度的影响规律，最终实现了过滤片零件的精密加工，为薄基材易氧化材料微槽结构零件的加工提供了新思路。

液体过滤器是航天器双组元推进系统中用来过滤液体推进剂的重要部件，其采用数百片带有微槽的过滤片构成液体推进剂流体通道，以过滤推进剂中的多余物。过滤片是液体过滤器的核心零件，其材料为厚度0.06mm的钛箔，表面有微米级深度的花瓣形微槽。过滤片传统加工采用化学蚀刻微槽与电火花线切割加工外形相结合的方法，该法工艺复杂、蚀刻形状精度不高、易对零件造成污染，并且微槽蚀刻与零件外形轮廓加工分别由两道工序完成，易造成微槽位置与外形轮廓错位，导致零件合格率降低。因此，亟需采用新的工艺方法，以提升加工质量与加工效率。飞秒激光加工技术是近些年来逐渐被广泛应用的先进加工技术。飞秒激光脉冲宽度窄、峰值功率高，在微细加工中具有许多独特的加工优势，对材料无选择性、热效应小、热扩散小、无微裂纹、无重铸层和冶金缺陷，并且加工精细度高、表面质量好。激光器通过振镜直接将飞秒脉冲照射到金属膜表面，通过非热熔性烧蚀去除部分金属材料，可同时完成设计图案刻蚀和切割，具有工艺简单、效率高的特点，此特性为过滤片加工提供了新思路。但同时，飞秒激光加工钛箔滤片也需解决微槽蚀刻深度公差、槽底表面粗糙度、微槽边界及零件外形边界尺寸精度与形状畸变控制等问题。本文利用飞秒激光优越的加工特性，针对飞秒激光加工钛箔滤片的技术难点，以某平台液体过滤器过滤片为加工对象，开发了易氧化薄基材的定位夹具和防氧化技术，并针对衡量过滤片的尺寸精度和表面质量，开展飞秒激光加工方法及参数研究，探讨飞秒激光加工过滤片的精度控制和表面质量优化方法。

01

试验对象与内容

如图1所示，本试验加工对象为钛箔过滤片，外形为花瓣型，厚度为0.06mm，表面有微槽结构，微槽深度为0.~0.mm。试验采用型号为GCL-A的飞秒激光加工设备，激光器波长nm，光斑直径30~40μm，脉冲宽度小于fs，平均输出功率10W，最大重复频率kHz，最大扫描速度0mm/s。为提高加工质量、精度与效率，开发了真空吸附式定位夹具和富氩防氧化技术，并对激光加工使用的振镜系统进行了修正标定。试件加工完成后，用影像检测仪对过滤片槽底、边缘形貌进行观测，并测量微槽形貌相关几何尺寸，并用精度1μm的高度表对微槽深度进行检测。

02

装夹定位与轨迹畸变校正

2.1薄基材激光刻蚀装夹定位技术由于过滤片厚度仅有0.06mm，其上的微槽深度为0.~0.mm，为保证微槽的刻蚀深度，必须令过滤片毛坯材料平整。在实际加工中，为提高效率，一件毛坯阵列可均布并加工9件过滤片，一片过滤片毛坯的尺寸约为mm×mm。如此薄且大面积的过滤片毛坯，采用普通压覆的方式无法保证非压覆区完全平整无凸起，必须采用特殊的装夹定位方式，才能保证整个加工面积内各处平整。为此，采用真空吸附的方式解决上述问题，设计如图2所示的夹具。过滤片毛坯与吸附板紧密贴合，吸附板上加工数百个直径为0.4mm的小孔，通过真空发生器在夹具腔体产生负压，过滤片毛坯便可紧密贴合在吸附板上；吸附板经过研磨加工确保了平面度与表面粗糙度，进而保证了过滤片毛坯的安装平面度符合加工要求。同时，在加工前需对滤片毛坯质量进行检查，挑选平整、无划痕的毛坯进行加工。2.2振镜加工轨迹畸变校正飞秒激光加工方式有旋切扫描与振镜扫描两种，旋切扫描适用于圆孔加工，振镜扫描适用于平面刻蚀与外形切割。由于微槽形状为复杂图形，所以必须采用振镜扫描方式加工。该加工方式下，工件与激光头均不发生位置运动，在计算机控制下激光光斑的轨迹运动依靠激光头内部数个振镜的复杂运动产生所需的光斑运动轨迹，以振镜加工中心为原点，远离原点的加工轨迹会发生畸变，距离加工中心越远，轨迹畸变越大，如图3所示。因此，加工前需根据试加工图形的畸变规律，调整计算机控制系统中的几何轨迹控制参数来校正轨迹畸变，使加工出的微槽轮廓符合图纸要求。轨迹畸变校正采用标准矩形矫正法，过滤片形状复杂精度较高，所以采用9点和25点标准矩形校正结合方法，见图4a和图4b。使用振镜理论焦点在带涂层铝板上刻9点矩形进行粗标定，中心坐标设置为（0，0），用影像检测仪检测其余8个交点坐标，将其输入系统并与设定坐标进行误差修正；精标定采用25点标准矩形，方法同粗标定。完成以上两步校正后，标刻如图4c所示的标准检验矩形，用影像检测仪检测嵌套矩形间距误差是否在0.01mm以内，如不符合要求，则重复以上步骤，进行反复校正。分别采用未校正参数和校正后参数加工过滤片外形，用影像检测仪检测图5所示的滤片外形圆弧中心距P1P5、P2P6、P3P7、P4P8。校正轨迹后，外形中心距尺寸的最大偏差为0.04mm，外形尺寸公差满足图纸要求，见表1。

03

工艺试验

3.1试验基本参数过滤片微槽底部形貌是衡量过滤片质量的重要指标，焦点位置、加工速度、激光能量、扫描次数、填充方式均对槽底表面粗糙度有影响。当激光功率越大、频率越快，加工效率越高，但表面形貌会变差，本文使用设备的最大功率为10W、重复频率为1~kHz可调，经试验验证，采用设备的最大功率10W、最高重复频率kHz，激光理论焦点蚀刻钛箔基体，刻蚀边缘整齐、无烧蚀喷溅沉积物、热影响区微弱，烧蚀机制为非热烧蚀。由于长时间采用极限功率加工会缩短激光器的使用寿命，因此，为兼顾加工效率及保护激光器，过滤片刻蚀采用功率8.5W、重复频率kHz进行加工。3.2焦点位置对槽底表面质量的影响飞秒激光焦点处的光强最大，加工平面与焦平面的距离称为离焦量，微小离焦量对刻蚀表面质量影响较大。标定设备的实际焦点为F，理论焦点为f，设置离焦量为Δf，则：在过滤片刻蚀过程中，需保证振镜在刻蚀0.mm深度时激光实际焦点刻蚀表面质量最佳，如图6所示。试验采用表2所示参数，来判断不同离焦量对表面质量的影响规律。可知，加工速度越大，加工效率越高，但会导致刻蚀形状尺寸不稳定。设备的最大加工速度为0mm/s，为兼顾加工效率和加工质量，选取加工速度mm/s，在此激光能量密度下刻蚀每层去除量0.mm左右，过滤片加工深度在0.mm左右，所以扫描层数设为15层。以理论焦点为基准，试验采用不同的离焦量在钛箔基体上刻蚀一组4mm×4mm×0.mm的小方块，离焦量每次增加0.2mm，用影像测量仪检测不同离焦量下的刻蚀表面质量，所得部分微槽的加工表面微观形貌见图7。通过试验验证，刻蚀表面质量随焦点位置呈现一定的变化规律。使用理论焦点（Δf=0）刻蚀微槽时，由于能量过大导致钛材氧化严重（图7a）；当理论焦点位置远离工件位置时（即Δf逐渐增大），加工面氧化逐渐减少直至表面呈现基体金属原色，此时Δf=2.2mm（图7d）；当理论焦点继续远离加工表面，激光能量减弱，金属去除能力减小，槽深变浅，材料表面由于激光诱导“陷光效应”而颜色发黑（图7f）。所以，刻蚀出金属原色表面的焦点位置为最佳离焦位置，即离焦量Δf=2.2mm时表面质量最佳，此时经过15层扫描刻蚀加工，槽深0.mm。因试件深度偏大，故调整加工参数为扫描层数13层、离焦量2.2mm、加工速度mm/s进行过滤片微槽的刻蚀，该参数下刻蚀微槽深度实测值为0.~0.mm，表面粗糙度为Ra0.2mm，槽底无烧蚀飞溅物，刻蚀表面质量和深度符合设计要求。3.3激光轨迹对表面质量的影响对于平面微槽刻蚀，激光光斑的路径有环形与双向两种填充方式；对于形状简单的微槽单层扫描，两种加工方式效果差别不大。由于过滤片微槽形状为复杂的花瓣形状，采用多层扫描方式加工，为减少光斑耦合的影响，采用图8所示的双向自动旋转填充角度方式，激光轨迹每刻蚀一层将自动旋转30°，保证每一层光斑耦合位置不同，以减少刻蚀填充线纹路，使加工表面获得较高的表面质量。在飞秒激光对基材的线性扫描刻蚀过程中，刻蚀轨迹宽度为激光光斑直径，刻蚀轨迹间距决定了两条刻蚀轨迹的重合率，进而影响刻蚀区域在一层加工过程中所吸收的激光能量，因此刻蚀轨迹间距对刻蚀表面质量影响很大。图9展示了不同刻蚀轨迹间距对刻蚀表面质量的影响，当刻蚀轨迹间距为0.03mm时，零件表面呈明显的带状分布；当调整刻蚀轨迹间距为0.mm时，刻蚀表面质量明显改善。本设备的激光离焦光斑直径为0.03~0.04mm，选择0.mm的刻蚀轨迹间距，既保证了刻蚀表面质量，又确保了加工效率。3.4弱激光扫描修复槽面钛箔极易氧化，过滤片微槽刻蚀后，金属切面残留部分氧化物。过滤片基体厚度为0.06mm，手工清理极易损伤零件，试验在第一次加工微槽深度到位的基础上选用表3所示参数进行二次刻蚀。当其余参数保持不变，调节激光功率至2.5W、减少扫描层数，二次刻蚀激光能量弱、去除量微小，可消除表面残留氧化物，起到清理清洁与提高表面质量的作用，弱激光扫描表面修复技术大大提高了零件的加工效率与表面质量。3.5切割边缘防氧化措施钛的活性较高，在加工过程中金属气化时依然会产生氧化反应，零件边缘氧化变色严重。为解决上述问题，切割加工过程中采用惰性气体氩气保护过滤片，在过滤片真空吸附工装顶部加装玻璃盖板（图10）。为了避免玻璃盖板对激光的吸收、反射，玻璃盖板采用石英基底并双面镀增透膜，使激光的透过率达99%以上，玻璃与吸附工装间形成密闭空腔，加工时充入氩气以防止钛箔切割边缘发生氧化。图11是两种加工方式下切割边缘的显微图像，可见在有氩气保护的情况下切割边缘无氧化变色。3.6扫描速度对切割边缘质量的影响扫描速度是影响飞秒激光切割边缘表面粗糙度的重要因素。飞秒激光通过振镜实现轨迹的快速移动从而切割材料，在激光理论焦点位置光斑最小、能量集中，最适合切割加工，过滤片零件外形和内孔采用振镜切割方式加工，试验参数见表4。图12是不同切割速度的过滤片边缘切割影像。当切割速度为mm/s时，影像检测仪背光检测边缘质量，得到最优的切割效果；当扫描速度提高到~mm/s时，边缘变得不规则，且有锯齿和毛边。这表明在一定的激光重复频率下，当扫描速度过高时，相邻脉冲的圆形高斯光束不能完全覆盖扫描边缘，当相邻脉冲的间距达到一定程度时，其缝隙处的钛箔不能被去除，产生了不规则的边缘。因此，速度过快会使相邻激光脉冲的间距拉大，扫描区域形成不规则的边缘。3.7零件检测采用以上优化后的工艺参数进行滤片零件的加工，用影像检测仪检测过滤片微槽底部形貌与边缘质量，并测量微槽相关几何尺寸，用高度表测量微槽深度。如图13所示，过滤片各项几何尺寸及表面质量均满足图纸设计要求。

04

结束语

本文利用飞秒激光加工特性，针对薄基材过滤片复杂微槽结构进行加工试验，研究了过滤片底部形貌和边缘形貌受能量密度的影响规律，并探讨了离焦量、加工速度、激光能量等试验参数对过滤片微槽加工精度与表面质量的影响，采用最佳参数实现了过滤片的合格加工。试验表明，飞秒激光加工代替化学蚀刻加工过滤片是行之有效的工艺方法，加工精度高、工艺流程简单，一次装夹完成所有加工可避免重复定位误差，加工优势显著。

作者：武胜勇，麻剑平，孙慧丽，张志伟，刘国梁

来源：《电加工与模具》年增刊

原文：《薄基材过滤片飞秒激光精密加工》

编辑：吴悦

审核：王应、徐均良

特种加工

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