激光打孔(论文)

1激光打孔技术班级：XX作者：周欣指导老师：XX摘要:激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺需求,而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上的高度集中，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得很高的功率密度，几乎可以对任何材料进行激光打孔。关键词:激光打孔一.激光打孔的原理激光束打孔机一般由固体激光器、电气系统、光学系统和三坐标移动工作台等四大部分组成。１）固体激光器工作原理当激光工作物质钇铝石榴石受到光泵(激励脉冲氙灯)的激发后，吸收具有特定波长的光，在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数，这种现象称为粒子数反转。一旦有少量激发粒子产生受激辐射跃迁，就会造成光放大，再通过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，最后由谐振腔的一端输出激光。激光通过透镜聚焦形成高能光束照射在工件表面上，即可进行加工。２）电气系统包括对激光器供给能量的电源和控制激光输出方式(脉冲式或连续式等)的控制系统。在后者中有时还包括根据加工要求驱动工作台的自动控制装置。３）光学系统的功能是将激光束精确地聚焦到工件的加工部位上。为此，它至少含有激光聚焦装置和观察瞄准装置两个部分。４）投影系统用来显示工件背面情况，在比较完善的激光束打孔机中配备。2５）工作台由人工控制或采用数控装置控制，在三坐标方向移动，方便又准确地调整工件位置。工作台上加工区的台面用玻璃制成，因为不透光的金属台面会给检测带来不便，而且台面会在工件被打穿后遭受破坏。工作台上方的聚焦物镜下设有吸、吹气装置，以保持工作表面和聚焦物镜的清洁。二、激光打孔的特点激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺需求。例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径，在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几十微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。这一类的加工任务用常规的机械加工方法很难，有时甚至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上的高度集中，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得很高的功率密度，几乎可以对任何材料进行激光打孔。激光打孔技术与机械钻孔、电火花加工等常孔打孔手段相比，具有显著的优点：（1）激光打孔速度快,效率高,经济效益好由于激光打孔是利用功率密度为l07-109W/cm2的高能激光束对材料进行瞬时作用,作用时间只有0.001-0.00001s,因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合,通过微处理机进行程序控制,可以实现高效率打孔。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比,效率提高l0-1000倍。（2）激光打孔可获得大的深径比小孔加工中,深径比是衡量小孔加工难度的-个重要指标。对于用激光束打孔来说,激光束参数较其它打孔方法草便于优化,所以可获得比电火花打孔及机械钻孔大得多的深径比。一般情况下,机械钻孔和电火花打孔所获得的深径比值不超过10。（3）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行高能量激光束打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，它既适于金属材料，也适于一般难以加工的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。由于难加工材料大都具有高强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力强等性质，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短，表面粗糙度差、倾斜面上打孔等因素使打孔的难度更大。而用激-光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得到解决。我国钟表行业所用的宝石轴承几乎全部是激光打孔。人造金刚石和天然金刚石的激光打孔应用也非常普遍。用YAG激光在厚度为5.5mm的硬质合金上打孔，深径比高达l4:1，而在1l.5mm厚的65Mn上可打出深径比为l9:1的小孔。在l0mm厚的坚硬的氮化硅陶瓷上可容易地打出直径为0.6mm的小孔，这都是常规打孔手段无法办到的。特别是在弹性材料上，由于弹性材料易变形，很难用一般方法打孔。3（4）激光打孔无工具损耗激光打孔为无接触加工，避免了机械钻打微孔时易断钻头的问题。用机械钻加工直径为0.8mm以下的小孔，即使是在铝这样软的材料上，也常常出现折断钻头的问题，这不仅造成工具损耗而加大成本，而且会因钻头折断致使整个工件报废。如果是在群孔板的加工中出现钻头折断，将使问题更为严重。在这种情况下，去除折断钻头的最好方法也仍然是激光打孔。当然此时的激光打孔设备必须具备精密的瞄准装置，以便准确无误地打掉折断的钻头。（5）激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工由于激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机、电一体化，使得激光打孔过程准确无误地重复成千上万次。结合激光打孔孔径小、深径比大的特点，通过程序控制可以连续、高效地制作出小孔径、数量大、密度高的群孔板，激光加工出的群孔板的密度比机械钻孔和电火花打孔的群孔板高1-3个数量级，例如，食品、制药行业使用的过滤片厚度为1-3mm，材料为不锈钢，孔径为0.3-0.8mm，密度为l0-100孔/cm2。（6）用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔对于机械打孔和电火花打孔这类接触式打孔来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜面上打小孔是极为困难的。倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。如果为高强度、高硬度材料，打孔几乎是不可能的，而激光却特别适合于加工与工件表面成6o-90o角的小孔，即使是在难加工材料上打斜孔也不例外。另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，没污染。因为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而十分卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特列保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。三、激光打孔的分类1、复制法激光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，在和辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相对位移。复制法包括单脉冲和多脉冲。目前一般采用多脉冲法，其特点是可使工件上能量的横向扩散减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够的热量沿着孔的轴向扩散，而不只被材料表面吸收。激光束形状可用光学系统获得。如在聚焦光束中或在透镜前方放置一个所需形状的孔栏，即可以打出异形孔。2、轮廓迂回法加工表面形状由激光束和被加工工件相对位移的轨迹决定。用轮廓迂回法加工时，激光器既可以在脉冲状态下也可以在连续状态下工作。用脉冲方式时，由于孔以一定的位移量连4续的彼此迭加，从而形成一个连续的轮廓。采用轮廓加工，可把孔扩大成具有任意形状的横截面。四、激光打孔设备1、激光打孔用激光器激光器是激光打孔设备的重要组成部分，它的主要作用是将电源系统提供的电能以一定的转换效率转换成激光能。按激光器工作物质性质，可分为气体激光器和固体激光器。用于打孔的气体激光器主要有二氧化碳激光器，而用于打孔的固体激光器主要有红宝石激光器、钕玻璃激光器和YAG激光器。二氧化碳激光器有许多独特的优点，它的转换效率高于其它激光器，可以为许多非金属材料（如有机玻璃、塑料、木材、多层复合板材、石英玻璃等）所吸收。更为重要的是，二氧化碳激光器与其他激光器相比，可以进行大功率输出。当与其他技术配合时，可以实现高速打孔，最高速度可达100孔/秒，这是其他激光器很难做到的。虽然如此，但由于二氧化碳激光器的对焦、调光都不方便，设备一次性投资也比较大，在激光打孔设备中不及其他三种激光器应用普遍。固体激光器以其独特的优点在激光打孔中得到广泛的应用。它的主要优点是：（1）输出波长短。（2）输出的光可用普通的光学材料传递。（3）整机体积小，使用维护方便，价格低于二氧化碳激光器。2、激光打孔用机床激光打孔用机床简单又通用的形式为三维机床。两维运动在水平面，以X、Y表示，两坐标轴相互垂直，第三维Z轴与Z-Y平面垂直。每一维可通过步进电机带动滚珠丝杠在直线滚珠导轨上运行，它的精度由丝杠的精度和滚珠导轨的精度确定。如果配以微处理机系统，三维机床就可以完成平面内各种孔及一定范围内群孔的激光加工。当需要在管材或桶形材料进行系列孔的加工时，机床应具有五维功能，除了前面提到的三维以外，增加的两维是X-Y平面360度的旋转，我们定义它为A轴，X-Y平面在Z方向上的0-90度倾斜，我们定义它为B轴。这样多种类型的激光打孔加工，五维工作台都能胜任。在需要节省设备投入的情况下，可将B轴的数控改为手动。这样既能节约资金，也基本能完成所有的打孔任务。3、激光打孔整机设备近年来，国内外激光打孔机整机水平处在一个迅速发展的阶段，激光器输出功率逐渐提高，脉冲宽度越来越窄，频率范围越来越宽，其他参数也越来越趄着有利于打孔的方向发展。导光系统和激光打孔机的控制部分的柔性不断提高，使得打孔范围不断扩大。目前国内已形成商品的激光打孔机有几十种，除了大专院校和科研院所之外，专门经营制造激光设备的公司也逐渐增多。这表明中国的激光加工正朝着产业化方向发展。五、激光打孔工艺51、工艺过程第一步，详细了解打孔材料及打孔要求。第二步，模拟实验与检测。第三步，设计便利、快捷的工装夹具。第四步，程序设计。第五步，实施有效的打孔加工及必要的检测。2、影响打孔质量的主要参数激光打孔的过程是激光和物质相互作用的极其复杂的热物理过程。因此，影响激光打孔质量的因素很多。为了获得高质量的孔，应根据激光打孔的一般原理和特点，对影响打孔质量的参数进行分析和了解。这些参数包括：激光脉冲的能量，脉冲宽度，离焦量，脉冲激光的重复频率，被加工材料的性质。3、辅助工艺为了提高激光打孔的精度，有时需要采用一些辅助的工艺工序和工艺措施，包括：（1）在工件的表面施加一个正向压力，或是在工件的反面装一个低压仓，可有助于打孔过程中清除汽化材料并增加液相的排出。（2）在工件下面的安全位置装一个光电探测器，可以及时探测到工件穿透与否。（3）利用液体薄膜或金属铂覆盖工件，能够使孔的锥度减小，并防止液相飞溅。（4）为了及时防止熔化物积聚在孔里，可以把汽化温度低于被加工材料熔化温度的物质放到被加工工件的后面。（5）利用激光作为加工工具在工件上打毛孔，再用其它方法达到所需要的精度。目前一般采用的有金刚砂的机械加工，用冲头、金属丝进行孔径精加工，化学腐蚀方法等等。六、激光打孔的应用领域及应用举例激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。1.激光打孔技术在汽车工业中的运用激光打孔效率很高，仅在千分之一秒左右时间内就能完成一个孔的加工，并对打孔周围的氧化、变形、热影响区域很小，不需后处理工序，不仅如此，它还可在工件移动过程中进行打孔，因而易于加工自动化；也可以在各种材料的零件上加工各种直径和深6度的孔，如发动机的燃油喷嘴、散热孔、仪表盘上的各种孔、液压制动器中的细长油孔等，孔径可以小到0.1-0.13CM。当加工“全陶瓷发动机”中的碳化硅或氮化硅等高硬度（相当于钢玉）、高熔点（2690度）的脆性陶瓷件时，可采用多次重复打孔的办法，使孔的深径比达到25以上，这是通常加工方法无法办到的。此外，激光打孔过程为非接触加工过程，加工出来的工件表面清洁（原材料在加工时已被气化）、没有污染，同时省去了机加工过程中所造成的铅头断裂、磨损、更换等麻烦。激光打孔这一高效率的高新技术正以巨大的魅力吸引着不少汽车生