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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(shí)使用的是紅寶石激光器，因?yàn)樗鼈冇屑怃J的輸出特性。目前，主要是使用脈沖Nd:YAG激光器來(lái)進(jìn)行大量的打孔作業(yè)。
激光打孔作為一項(xiàng)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(jī)組件如刀片，葉片，燃燒室耐火層，補(bǔ)燃器，以及其他組件如燃料柴油機(jī)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(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)樽罱?，利用回轉(zhuǎn)的中空電極和線性馬達(dá)來(lái)實(shí)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(duì)材料的電導(dǎo)率不具有依賴性。然而因?yàn)檩斎氲臒崃肯鄬?duì)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(duì)一個(gè)給定的平均功率，有無(wú)窮多個(gè)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(zhǎng)的脈沖將導(dǎo)致峰值功率較低，這樣材料在加熱時(shí)只能熔化而不會(huì)被去除。脈寬短、頻率低時(shí)，峰值功率將非常高，但是，由于作用時(shí)間很短，只有很薄的一層材料會(huì)因燒蝕而剝落。
利用準(zhǔn)分子激光器來(lái)進(jìn)行打孔
由于和Nd:YAG激光器相比，它們的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)材料的去除將成為一項(xiàng)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(xiàng)脈沖寬度對(duì)打孔效率和質(zhì)量影響的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl 308nm激光器對(duì)125μm厚的鋁板進(jìn)行打孔，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)發(fā)現(xiàn)累計(jì)能量一定的情形下，單個(gè)104 ns的脈沖的效率比12個(gè)9 ns的脈沖的效率要高。
效率的不同是因?yàn)榧訜岬哪芰勘仨殢谋砻鎮(zhèn)鲗?dǎo)至材料內(nèi)部。這項(xiàng)研究的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是，即使在激光脈沖停止后，孔中的材料仍會(huì)排出。對(duì)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(zhǎng)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(lái)得短，這樣熱影響區(qū)域?qū)⒑苄?。同樣的時(shí)間內(nèi)功率密度將更高。這樣，有更多的材料將被去除時(shí)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(guò)程的質(zhì)量更高。
激光打孔作為一項(xiàng)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(jī)組件如刀片，葉片，燃燒室耐火層，補(bǔ)燃器，以及其他組件如燃料柴油機(jī)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(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)樽罱?，利用回轉(zhuǎn)的中空電極和線性馬達(dá)來(lái)實(shí)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(duì)材料的電導(dǎo)率不具有依賴性。然而因?yàn)檩斎氲臒崃肯鄬?duì)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(duì)一個(gè)給定的平均功率，有無(wú)窮多個(gè)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(zhǎng)的脈沖將導(dǎo)致峰值功率較低，這樣材料在加熱時(shí)只能熔化而不會(huì)被去除。脈寬短、頻率低時(shí)，峰值功率將非常高，但是，由于作用時(shí)間很短，只有很薄的一層材料會(huì)因燒蝕而剝落。
利用準(zhǔn)分子激光器來(lái)進(jìn)行打孔
由于和Nd:YAG激光器相比，它們的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)材料的去除將成為一項(xiàng)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(xiàng)脈沖寬度對(duì)打孔效率和質(zhì)量影響的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl 308nm激光器對(duì)125μm厚的鋁板進(jìn)行打孔，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)發(fā)現(xiàn)累計(jì)能量一定的情形下，單個(gè)104 ns的脈沖的效率比12個(gè)9 ns的脈沖的效率要高。
效率的不同是因?yàn)榧訜岬哪芰勘仨殢谋砻鎮(zhèn)鲗?dǎo)至材料內(nèi)部。這項(xiàng)研究的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是，即使在激光脈沖停止后，孔中的材料仍會(huì)排出。對(duì)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(zhǎng)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(lái)得短，這樣熱影響區(qū)域?qū)⒑苄?。同樣的時(shí)間內(nèi)功率密度將更高。這樣，有更多的材料將被去除時(shí)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(guò)程的質(zhì)量更高。
光束外形
需要打的孔，一般來(lái)說(shuō)其截面是圓柱形的，而準(zhǔn)分子激光器出來(lái)的原始光束是矩形分布。一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)打圓形的孔是使用遮光板。一個(gè)或者多個(gè)透鏡被用來(lái)對(duì)遮光板在材料表面成像。這個(gè)方法的缺點(diǎn)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(duì)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(lái)聚焦光束的方法3，它可以實(shí)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(gè)孔，還可以得到環(huán)形的光束來(lái)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(shí)，Nd:YAG激光器遇到涂層剝離問(wèn)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(shí)又不會(huì)發(fā)生剝離現(xiàn)象。
由于波長(zhǎng)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(gè)應(yīng)用是利用燒蝕來(lái)對(duì)珩磨過(guò)的汽缸表面結(jié)構(gòu)進(jìn)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)?huì)更小，通過(guò)選擇合適的參數(shù)，再鑄層將更薄。
需要打的孔，一般來(lái)說(shuō)其截面是圓柱形的，而準(zhǔn)分子激光器出來(lái)的原始光束是矩形分布。一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)打圓形的孔是使用遮光板。一個(gè)或者多個(gè)透鏡被用來(lái)對(duì)遮光板在材料表面成像。這個(gè)方法的缺點(diǎn)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(duì)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(lái)聚焦光束的方法3，它可以實(shí)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(gè)孔，還可以得到環(huán)形的光束來(lái)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(shí)，Nd:YAG激光器遇到涂層剝離問(wèn)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(shí)又不會(huì)發(fā)生剝離現(xiàn)象。
由于波長(zhǎng)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(gè)應(yīng)用是利用燒蝕來(lái)對(duì)珩磨過(guò)的汽缸表面結(jié)構(gòu)進(jìn)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)?huì)更小，通過(guò)選擇合適的參數(shù)，再鑄層將更薄。
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