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准分子激光材料加工--打孔

更新时间:2011-11-3 9:02:01
在材料加工中,打孔作业是激光器在工业上的最早应用之一,当时使用的是红宝石激光器,因为它们有尖锐的输出特性。目前,主要是使用脉冲Nd:YAG激光器来进行大量的打孔作业。

激光打孔作为一项合适的技术,主要被用于气膜冷却孔的打孔作业,它用于燃气轮机组件如刀片,叶片,燃烧室耐火层,补燃器,以及其他组件如燃料柴油机的注入喷嘴,以及用于金属丝挤压的硬模等的打孔。虽然激光打孔很快,它还是需要与电火花加工技术(EDM)竞争,因为最近,利用回转的中空电极和线性马达来实现高压供油的技术发展,大大的提高了EDM的打孔速度,这样从质量上看此加工技术的性能就优于激光打孔了。

激光打孔比EDM优越的方面在于激光对材料的电导率不具有依赖性。然而因为输入的热量相对较高,这就使得激光加工较不适合
陶瓷涂层元件的打孔。

脉冲激光器通常用于打孔作业。其平均功率由下列关系给定:

Pavg = Pp * tp* νp

这里:

Pp = 峰值功率 [kW]
tp = 脉冲宽度 [ms]
νp = 脉冲频率 [Hz]

对一个给定的平均功率,有无穷多个峰值功率、脉冲宽度和脉冲频率的可能组合,至少有一种组合能给出最佳的加工结果。很长的脉冲将导致峰值功率较低,这样材料在加热时只能熔化而不会被去除。脉宽短、频率低时,峰值功率将非常高,但是,由于作用时间很短,只有很薄的一层材料会因烧蚀而剥落。

利用准分子激光器来进行打孔

由于和Nd:YAG激光器相比,它们的波长更短,准分子激光器与Nd:YAG激光器相比,其辐照将更好的被金属吸收。短波长使得准分子激光器更适合于打直径小的孔。然而在打小孔时材料的去除将成为一项制约因素。

传统的准分子激光器的脉冲宽度范围在10到20 ns。在一项脉冲宽度对打孔效率和质量影响的研究中,Schoonderbeek2利用XeCl 308nm激光器对125μm厚的
板进行打孔,发现长脉冲(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔质量。他同时发现累计能量一定的情形下,单个104 ns的脉冲的效率比12个9 ns的脉冲的效率要高。

效率的不同是因为加热的能量必须从表面传导至材料内部。这项研究的另一项发现是,即使在激光脉冲停止后,孔中的材料仍会排出。对0.65mm厚的金属板Hasteloy X,材料的清除直到0.1 ms后才停止,这比脉冲宽度的典型值长了100倍。另一方面,脉冲宽度与用于打孔的传统Nd:YAG激光器相比来得短,这样热影响区域将很小。同样的时间内功率密度将更高。这样,有更多的材料将被去除时是气相,这就导致了再铸层的厚度降低。所有这些效应都到促使打孔过程的质量更高。
 
光束外形

需要打的孔,一般来说其截面是圆柱形的,而准分子激光器出来的原始光束是矩形分布。一种简便的方法来打圆形的孔是使用遮光板。一个或者多个透镜被用来对遮光板在材料表面成像。这个方法的缺点在于只有一部分激光能量得到利用;许多情况下只有30%或更少的光束功率被利用。对光束
整形更有效的手段是使用如Biesheuvel所提供的用全息技术来聚焦光束的方法3,它可以实现90%的效率。使用全息技术还可以得到不同的光束形状。使用全息的分束器可以打多个孔,还可以得到环形的光束来打直径更大的孔。

打孔应用

利用激光在陶瓷涂层的表面打孔时,Nd:YAG激光器遇到涂层剥离问题的困扰。而准分子激光器,由于其脉冲宽度短,就能够在打穿涂层的同时又不会发生剥离现象。

由于波长短导致光子能量大,因此准分子激光器也非常适合于许多不同复合材料的打孔,比如,碳
纤维复合材料(CFC)。

另一个应用是利用烧蚀来对珩磨过的汽缸表面结构进行处理,这种经处理的结构提高了表面的摩擦学特性,降低了磨损。

高功率的准分子激光器打孔,其脉冲宽度范围在100-200ns。在利用Nd:YAG激光器打孔在孔质量上遇到困难的领域,它吸引了各界的注意。热影响区域将会更小,通过选择合适的参数,再铸层将更薄。
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