激光切割极耳的理论方法与模型

激光切割极耳是利用聚焦具有一定功率密度的激光束照射极耳材料表面，使被照射的极耳材料迅速熔化或汽化，从而实现将工件割开。激光必须加热片材到材料熔化和汽化所需的温度，材料被吸收的激光辐射加热并熔化，切割效果取决于具体的工艺参数：①系统参数有：光路、镜片尺寸等；②激光束参数：强度、光斑尺寸；③工艺参数：功率密度、焦点位置、气体参数、喷嘴参数；④材料参数：材料特性、材料的表面。

1.纳秒激光的加工机理

激光照射到材料表面时，除一部分光被反射外，其余光能基本进入材料内部，这其中的一部分被材料本身吸收，另一部分则透过材料（对于不透明物质，透射光则被吸收）。普通的长脉冲激光在与材料的相互作用过程中，随作用时间的推移通常经历以下几个阶段，固态加热及表层熔化阶段；形成增强吸收等离子体云阶段；形成小孔和阻隔激光的等离子体云阶段。图2-3所示的是长脉冲、纳秒脉冲与皮秒/飞秒脉冲加工示意图对比。

纳秒脉冲激光切割锂电材料的热传递如图2-3所示，根据被加工材料以及激光工作模式的不同，热作用和光化学作用在加工中所起作用的程度不同。纳秒脉冲激光加工各不相同，如在用锂电极耳材料做加工对象时，烧蚀痕迹和飞溅物明显，热作用为主。在纳秒激光作用下，材料吸收激光的过程和随后往内部传递热能的过程也遵守热力学的基本定律。材料传热包含传导、对流和辐射等三种方式。激光束照射到极耳材料表面，从图2-4（a）可以看出，纳秒激光加工过程由于局部快速加热、熔化、汽化，存在毛刺、微裂纹等缺陷。

图2-3　长脉冲、纳秒脉冲与皮秒/飞秒脉冲加工示意图

图2-4　皮秒激光与纳秒激光切割对比示意图

2.皮秒激光加工机理

激光照射到材料表面时，除一部分光被反射外，其余光能基本进入材料内部，这其中的一部分被材料本身吸收，另一部分则透过材料（对于不透明物质，透射光则被吸收）。普通的长脉冲激光在与材料的相互作用过程中，随作用时间的推移，通常经历以下几个阶段：

（1）固态加热及表层熔化阶段；

（2）形成增强吸收等离子体云阶段；

（3）形成小孔和阻隔激光的等离子体云阶段。

当激光以皮秒量级的脉冲时间作用到材料上时，加工效果会发生显著变化。随着脉冲能量急剧上升，高功率密度足以剥离外层电子。由于激光与材料相互作用的时间很短，离子在将能量传递到周围材料之前就已经从材料表面被烧蚀掉了，不会给周围的材料带来热影响，因此也被称为“冷加工”。凭借冷加工带来的优势，短与超短脉冲激光器进入工业生产应用当中。超短脉冲加工能量极快地注入很小的作用区域，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，从根本上改变了激光与物质相互作用机制。对于金属材料，皮秒激光的能量被材料内的自由电子线性吸收，激发之后产生等离子体，在等离子体与皮秒激光共同作用下，材料内部膨胀、爆炸产生冲击波，使得受作用区域材料脱离母材，完成材料加工过程。皮秒激光的热损伤极小，在适当工艺条件下可实现无损伤加工。(www.xing528.com)

超短脉冲加工能量极快地作用到很小的区域，瞬间高能量密度沉积使电子吸收和运动方式发生变化，避免激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，从根本上改变了激光与金属物质相互作用机制。皮秒激光作为超短脉冲激光的典型代表，具有超短脉宽、超高峰值功率的特点，其加工对象广泛，皮秒激光与纳秒激光切割对比如图2-4所示。

图2-4（b）所示的是超短脉冲激光加工，通过激光与材料相互作用，改变材料的物态和性质，实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性。由于激光微纳制造在能量密度、作用空间、时间尺度以及制造体吸收能量的可控尺度都可分别趋于极端，从而使制造过程所利用的物理效应、作用机理完全不同于传统制造。超快激光“冷加工”减少熔化和热影响区，无微裂纹、无熔化区，能达到更好的表面切割质量。正因其低热、冷消融、高精度等特性，超短脉冲可加工金属或者非常硬脆材料，适用于材料清除等诸多领域。

根据过程的特征时间，超快激光与材料作用过程从理论上分为：

（1）光子-电子相互作用：激光束的吸收过程。根据激光加工条件和材料性质，计算随时间和空间变化的参数，如加工区域材料的热力学性质、光学性质、电子密度、电子温度等。

（2）电子-离子相互作用：相变和等离子的产生。研究被吸收能量如何在被加工材料中传播，然后确定材料剥离过程并预测其中各类成分的浓度。

（3）等离子体-环境的相互作用：等离子体膨胀和辐射过程。超快激光切割过程是一个多尺度、时变的包含化学反应的非平衡过程。通过建立超快激光连续动力学模型、流体动力学模型，来描述超快激光切割过程的离子体膨胀和辐射。

电子与晶格的传热过程涉及微观尺度，加热模型来描述电子和晶格温度，即两个温度方程。式（2-9）中，通过光子-电子相互作用加热，通过电子与声子碰撞，电子的热能转移到晶格中自由电子式（2-10）中。

式中：Ce为电子比热，J/（m3·K）；C1为晶格比热，J/（m3·K）；κ1为晶格热导系数，W/（m·K）；a 为电子晶格耦合系数，W/（m3·K）；T1为晶格温度，K；H 为材料蚀除的能量损失，J；

式中：Hlanlent为相变潜热，对于透明材料不考虑其相变潜热，根据德拜模型计算自由电子热传导系数

式中：Ve为电子速度，由费米分布计算，m/s。