超快激光加工硬脆材料过程中的裂纹行为及梯度功率加工策略
摘要
玻璃等硬脆材料上的微结构应用广泛，然而，利用超快激光在硬脆材料上实现高质量微结构加工仍然面临着质量和效率不能兼顾的问题。本文研究了飞秒激光（900 fs）在石英玻璃上加工微孔阵列时的裂纹产生及扩展机制，并通过激光功率的梯度动态调控，实现了对裂纹产生及扩展的有效控制。研究结果表明，加工过程中裂纹的形成和扩展可分为4个阶段：第一阶段，孔底熔融物凝固引起微裂纹产生；第二阶段，孔底裂纹通过孔壁向外扩展；第三阶段，向外扩展的裂纹在孔周形成环形裂纹；第四阶段，孔阵列中的多个环形裂纹连接形成裂纹网络。虽然降低激光功率可以抑制裂纹的形成，但是加工效率也会随之降低。采用“先低功率后高功率”的梯度功率加工策略可以在保证加工效率的同时抑制裂纹的扩展。微孔阵列加工过程中温度的原位测量结果表明：激光吸收率的提高可使最大温度差下降45%；与恒定功率加工相比，梯度功率加工时工件的最大温度差下降了31%，峰值功率最大温度差下降了44%。梯度功率加工抑制裂纹的机理是：初始时的低功率加工增大材料的表面粗糙度，提高材料对激光的吸收率，减小材料内部的热应力，并使孔深发展至一定程度，进而使得后续切换到高功率加工时孔底裂纹无法通过孔壁向外扩展。本文所提出的梯度功率加工策略可被广泛应用于硬脆材料上微结构的激光加工。
引用本文（GB/T 7714）
聂烨辉 Nie Yehui, 张博武 Zhang Bowu, 张朋辉 Zhang Penghui, 等. 超快激光加工硬脆材料过程中的裂纹行为及梯度功率加工策略[J]. Chinese Journal of Lasers, 2025.
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