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準(zhǔn)分子激光材料加工--打孔

2011-11-3 9:02:01

在材料加工中，打孔作業(yè)是激光器在工業(yè)上的最早應(yīng)用之一，當(dāng)時使用的是紅寶石激光器，因為它們有尖銳的輸出特性。目前，主要是使用脈沖Nd:YAG激光器來進行大量的打孔作業(yè)。

激光打孔作為一項合適的技術(shù)，主要被用于氣膜冷卻孔的打孔作業(yè)，它用于燃?xì)廨啓C組件如刀片，葉片，燃燒室耐火層，補燃器，以及其他組件如燃料柴油機的注入噴嘴，以及用于金屬絲擠壓的硬模等的打孔。雖然激光打孔很快，它還是需要與電火花加工技術(shù)(EDM)競爭，因為最近，利用回轉(zhuǎn)的中空電極和線性馬達(dá)來實現(xiàn)高壓供油的技術(shù)發(fā)展，大大的提高了EDM的打孔速度，這樣從質(zhì)量上看此加工技術(shù)的性能就優(yōu)于激光打孔了。

激光打孔比EDM優(yōu)越的方面在于激光對材料的電導(dǎo)率不具有依賴性。然而因為輸入的熱量相對較高，這就使得激光加工較不適合陶瓷涂層元件的打孔。

脈沖激光器通常用于打孔作業(yè)。其平均功率由下列關(guān)系給定：

Pavg = Pp * tp* νp

這里：

Pp = 峰值功率 [kW]
tp = 脈沖寬度 [ms]
νp = 脈沖頻率 [Hz]

對一個給定的平均功率，有無窮多個峰值功率、脈沖寬度和脈沖頻率的可能組合，至少有一種組合能給出最佳的加工結(jié)果。很長的脈沖將導(dǎo)致峰值功率較低，這樣材料在加熱時只能熔化而不會被去除。脈寬短、頻率低時，峰值功率將非常高，但是，由于作用時間很短，只有很薄的一層材料會因燒蝕而剝落。

利用準(zhǔn)分子激光器來進行打孔

由于和Nd:YAG激光器相比，它們的波長更短，準(zhǔn)分子激光器與Nd:YAG激光器相比，其輻照將更好的被金屬吸收。短波長使得準(zhǔn)分子激光器更適合于打直徑小的孔。然而在打小孔時材料的去除將成為一項制約因素。

傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光器的脈沖寬度范圍在10到20 ns。在一項脈沖寬度對打孔效率和質(zhì)量影響的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl 308nm激光器對125μm厚的鋁板進行打孔，發(fā)現(xiàn)長脈沖(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔質(zhì)量。他同時發(fā)現(xiàn)累計能量一定的情形下，單個104 ns的脈沖的效率比12個9 ns的脈沖的效率要高。

效率的不同是因為加熱的能量必須從表面?zhèn)鲗?dǎo)至材料內(nèi)部。這項研究的另一項發(fā)現(xiàn)是，即使在激光脈沖停止后，孔中的材料仍會排出。對0.65mm厚的金屬板Hasteloy X，材料的清除直到0.1 ms后才停止，這比脈沖寬度的典型值長了100倍。另一方面，脈沖寬度與用于打孔的傳統(tǒng)Nd:YAG激光器相比來得短，這樣熱影響區(qū)域?qū)⒑苄?。同樣的時間內(nèi)功率密度將更高。這樣，有更多的材料將被去除時是氣相，這就導(dǎo)致了再鑄層的厚度降低。所有這些效應(yīng)都到促使打孔過程的質(zhì)量更高。

光束外形

需要打的孔，一般來說其截面是圓柱形的，而準(zhǔn)分子激光器出來的原始光束是矩形分布。一種簡便的方法來打圓形的孔是使用遮光板。一個或者多個透鏡被用來對遮光板在材料表面成像。這個方法的缺點在于只有一部分激光能量得到利用；許多情況下只有30%或更少的光束功率被利用。對光束整形更有效的手段是使用如Biesheuvel所提供的用全息技術(shù)來聚焦光束的方法3，它可以實現(xiàn)90%的效率。使用全息技術(shù)還可以得到不同的光束形狀。使用全息的分束器可以打多個孔，還可以得到環(huán)形的光束來打直徑更大的孔。

打孔應(yīng)用

利用激光在陶瓷涂層的表面打孔時，Nd:YAG激光器遇到涂層剝離問題的困擾。而準(zhǔn)分子激光器，由于其脈沖寬度短，就能夠在打穿涂層的同時又不會發(fā)生剝離現(xiàn)象。

由于波長短導(dǎo)致光子能量大，因此準(zhǔn)分子激光器也非常適合于許多不同復(fù)合材料的打孔，比如，碳纖維復(fù)合材料(CFC)。

另一個應(yīng)用是利用燒蝕來對珩磨過的汽缸表面結(jié)構(gòu)進行處理，這種經(jīng)處理的結(jié)構(gòu)提高了表面的摩擦學(xué)特性，降低了磨損。

高功率的準(zhǔn)分子激光器打孔，其脈沖寬度范圍在100-200ns。在利用Nd:YAG激光器打孔在孔質(zhì)量上遇到困難的領(lǐng)域，它吸引了各界的注意。熱影響區(qū)域?qū)。ㄟ^選擇合適的參數(shù)，再鑄層將更薄。

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