Transcript 雷射誘發金屬蒸氣、電漿之現象觀察

Nd-YAG雷射加工於
透明硬脆材料
 利用Nd-YAG雷射誘發金屬蒸氣、電漿，
對透明材料進行孔洞加工研究。
 Nd-YAG雷射加工機，為脈衝式雷射，
波長為1064nm。
雷射誘發金屬蒸氣、電漿之現象觀察
熱影像觀察結果
F.P.：-4mm
最佳化調整後
t：0 s
t：0.033 s
t：0.066 s
t：0.132 s
t：0.165 s
t：0.198 s
加工開始
t：0.099 s
加工結束
雷射誘發金屬蒸氣、電漿之現象觀察
熱影像觀察結果
F.P.：0mm
最佳化調整前
2mm
t：0 s
t：0.033 s
t：0.066 s
2mm
2mm
2mm
加工開始
加工結束
最佳化調整後 t：0 s
2mm
t：0.033 s
t：0.066 s
2mm
2mm
溫度場變化之畫面
雷射誘發金屬蒸氣、電漿之現象觀察
熱影像觀察結果
F.P.：2mm
最佳化調整前
2mm
t：0 s
t：0.033 s
t：0.066 s
2mm
2mm
2mm
加工開始
加工結束
最佳化調整後 t：0 s
2mm
t：0.033 s
t：0.066 s
2mm
2mm
雷射誘發金屬蒸氣、電漿之現象觀察
熱影像觀察結果
F.P.：4mm
最佳化調整前
2mm
t：0 s
t：0.033 s
t：0.066 s
2mm
2mm
2mm
加工開始
加工結束
最佳化調整後 t：0 s
2mm
t：0.033 s
t：0.066 s
2mm
2mm
高倍速拍攝結果
雷射誘發金屬蒸氣、電漿之現象觀察
拍攝影片之觀察
藉由高倍速攝影之觀察，可以更了解金屬蒸氣團之型態
觀察之分析
雷射誘發時間： 圖像中第一張亮點至蒸氣團上衝之張數 x 0.0001s
現象存在時間： 圖像中第一張亮點開始至亮點消失之張數 x 0.0001s
蒸氣團速度： 利用尺規做為一基準點，以蒸氣團到達之時間計算
F.P.(mm)
-4
-2
0
2
4
6
雷射誘發時間(s)
NA
NA
0.0001
0.0001
0.0003
0.0015
0.0139
0.0164
0.0161
0.0147
12.5
16.67
12.5
5
現象存在時間(s)
蒸氣團速度(m/s)
0.0195 0.0154
NA
NA
雷射誘發金屬蒸氣、電漿之現象觀察
F.P.：-4mm
5mm
2mm
綜合結果分析
F.P.：6mm
透明物體加工之實驗
雷射穿透步驟
穿透過程
雷射光束從雷射槍頭發出，穿透鈉玻璃，抵達鈦金屬表面，並進行
光及熱的交互作用，而誘發鈦金屬蒸氣團
雷
射
鈉玻璃
鈦金屬
a. 產生雷射光束 b. 光束到達上表面 c.光束穿透至下表面 d.雷射進行熱加工
蒸氣團加工步驟
透明物體加工之實驗
加工過程
雷射誘發金屬蒸氣團後，產生之蒸氣團由鈦金屬表面朝鈉玻璃下表
面方向噴出，使鈉玻璃背面逐被蒸氣團所加工
玻璃
雷射光束
金屬蒸氣團
鈦金屬
a. 雷射照射金屬基材
b. 誘發金屬蒸氣團
c. 金屬蒸氣團進行加工
d. 蒸氣團消失
準備步驟
透明物體加工之實驗
實驗材料
金屬基材：鈦金屬
透明材料：一般鈉玻璃，厚度2mm
鈉玻璃
Ti金屬
50mm
30mm
58mm
50mm
材料
密度
(g/cm3)
熱傳導率
(W/m-K)
比熱
(J/kg-K)
汽化點
(0C)
軟化點
(0C)
鈦
4.51
17
522
3287
NA
玻璃
2.59
0.65
200
NA
730
加工參數
透明物體加工之實驗
雷射加工機能量設定
電壓(V)
脈衝寬(ms)
能量
430
5
6.47
聚焦位置： 「F.P.」(Focal Position)聚焦點
Negative
5m
m
F.P.：-5mm
Zero
F.P.
F.P.：0mm
Positive
5m
m
F.P.：5mm
取F.P.：0mm、2mm、4mm進行實驗加工。
加工過程之觀察
透明物體加工之實驗
高倍速攝影機之觀察
F.P.：0mm
玻璃
鈦金屬
加工屑
加工屑
t=0s
a.第一次加工屑噴出
t=0.0001s
t=0.0003s
b.第二次加工屑噴出
t=0.0008s
t=0.0015s
c.第三次加工屑噴出
t=0.0023s
t=0.0031s
d.第四次加工屑噴出
t=0.0033s
透明物體加工之實驗
加工過程之觀察
高倍速攝影機之觀察
F.P.：2mm
加工屑
鈦金屬
玻璃
t=0s
a.第一次加工屑噴出
t=0.0013s
t=0.0045s
b.第二次加工屑噴出
t=0.0046s
t=0.0083s
c.第三次加工屑噴出
t=0.0086s
加工屑
加工過程之觀察
透明物體加工之實驗
高倍速攝影機之觀察
F.P.：4mm
玻璃
加工屑
鈦金屬
t=0s
a.第一次加工屑噴出
t=0.0014s
t=0.0024s
b.第二次加工屑噴出
t=0.0032s
t=0.0035s
c.第三次加工屑噴出
t=0.0037s
加工屑
加工至第一表面
鈦金屬
t=0.0049s
d.貫穿玻璃
t=0.0051s
透明物體加工之實驗
加工結果
結果
第一次發生材料去除時間
側面端所量測近入口之孔徑
玻璃加工之結果
F.P.：0mm
t=0s
ψ= 1500μm
F.P.：4mm
t=0.0013s
ψ= 666.5μm
t=0.0014s
ψ= 444.5μm
透明物體
加 工1 之 實 2驗
F.P.
0
玻璃孔洞剖面觀察
孔徑大小(mm)
0.49
0.318
0.237
3
0.389
玻璃孔洞剖面之觀察
4
5
6
0.23
0.129
0.263
實驗材料
Microscope
Slides，尺寸為25.4×76.2mm，厚度為1mm-1.2mm
0.571
0.89
1.1
1.1
1.1
1.1
0.706
孔洞深度(mm)
熱影響層
孔洞之周圍都有熱影響層存在，其範圍約在150μm到200μm左右
1.1mm
熱影響層
熱影響層
890μm
熱影響層
237μm
571μm
490μm
a. F.P.：0mm
熱影響層
318μm
b. F.P.：1mm
c. F.P.：2mm
熱影響層
熱影響層
熱影響層
129μm
706μm
230μm
263μm
389μm
d. F.P.：3mm
e. F.P.：4mm
f. F.P.：5mm
g. F.P.：6mm
透明物體加工之實驗
玻璃對雷射10%吸收率之實驗
測試方法：單獨對Microscope Slides進行加工
鈦金屬
步驟一
步驟一：氦氖雷射聚焦
於鈦金屬表面
步驟二：將氦氖雷射移
至加工位置
雷射光
F.P.：0
Microscope Slides
測試參數：F.P.：0mm~F.P.：5mm
步驟二
加工位置
透明物體加工之實驗
玻璃對雷射10%吸收率之實驗結果
觀察方法：利用SEM進行玻璃表面觀察
結
果：只有F.P：3mm及4mm時，Microscope Slides表面出現
加工之效果，加工區之範圍約在80μm
結果分析：加工之現象屬於玻璃吸收了雷射之能量後，
所產生之重熔而造成
F.P.：3mm
F.P.：4mm
透明物體加工之實驗
玻璃孔洞加工之機制
機制之探討
「A」：玻璃上面加工區為玻璃材料對Nd-YAG雷射10%之
吸收所產生
「B」：玻璃背面加工區為Nd-YAG雷射90%穿透至鈦金屬，
而鈦金屬蒸氣團所產生
A
A
B
B