發布日期：2022-10-09 點擊率：59
在材料加工中，打孔作業是激光器在工業上的最早應用之一，當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。
激光打孔作為一項合適的技術，主要被用于氣膜冷卻孔的打孔作業，它用于燃氣輪機組件如刀片，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(EDM)競爭，因為最近，利用回轉的中空電極和線性馬達來實現高壓供油的技術發展，大大的提高了EDM的打孔速度，這樣從質量上看此加工技術的性能就優于激光打孔了。
激光打孔比EDM優越的方面在于激光對材料的電導率不具有依賴性。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。其平均功率由下列關系給定：
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果。很長的脈沖將導致峰值功率較低，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。在參考文獻1中給出了尋找最佳參數組合的簡便方法。
利用準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(如表格所示)，準分子激光器與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。
傳統的準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量影響的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl激光器對125μm厚的鋁板進行打孔，發現長脈沖(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔質量(如圖1)。他同時發現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(如圖2)。
圖1：使用XeCl激光器來對125μm厚的鋁板進行打孔，發現長脈沖（104 ns）、
高峰值功率（15 kW）下可以得到最好的打孔質量。
圖2：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傳導至材料內部。這項研究的另一項發現是，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Nd:YAG激光器相比來得短，這樣熱影響區域將很小。同樣的時間內功率密度將更高。這樣，有更多的材料將被去除時是氣相，這就導致了再鑄層的厚度降低。所有這些效應都到促使打孔過程的質量更高。
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來聚焦光束的方法3，它可以實現90%的效率。使用全息技術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，還可以得到環形的光束來打直徑更大的孔。
打孔應用
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生剝離現象(如圖3)。
圖3：使用準分子激光器在有陶瓷涂層的超耐熱不銹鋼上得到的孔。
由于波長短導致光子能量大，因此準分子激光器也非常適合于許多不同復合材料的打孔，比如，碳纖維復合材料(CFC)。圖4和5給出了在CFC材料上打孔的例子。圖4中的孔直徑是0.2 mm，它被用于降噪面板。
圖4：在碳纖維復合材料制成的降噪面板上直徑為0.2mm的孔。
另一個應用是利用燒蝕來對珩磨過的汽缸表面結構進行處理，這種經處理的結構提高了表面的摩擦學特性，降低了磨損。
圖5：在航空應用中使用的碳纖維復合材料上打的安裝孔。
高功率的準分子激光器打孔，其脈沖寬度范圍在100-200ns。在利用Nd:YAG激光器打孔在孔質量上遇到困難的領域，它吸引了各界的注意。熱影響區域將會更小，通過選擇合適的參數，再鑄層將更薄。
參考文獻
1. M.H.H. van Dijk, "Pulsed Nd:YAG laser cutting," The Industrial Laser Annual Handbook, 1987, pp 52-65.
2. A. Schoonderbeek, C.A. Biesheuvel, R.M. Hofstra, K.-J. Boller, J. Meijer, "The influence of the pulse length on the drilling of metals with an excimer laser," Journal of Laser Applications, vol.16, nr2, pp. 85-91, 2004.
3. C. Biesheuvel, E.A., High speed parallel laser drilling with a high power excimer laser, ICALEO 2004.
關于NCLR
NCLR位于荷蘭Enschede。該公司開發了準分子激光器Sirius 1000，其平均功率為1kW。得到脈沖長(200ns)，使激光器很適合于打孔。光束可以被聚焦到10 μm的光斑大小，這樣能得到的功率密度為10TW/cm2。如此高的平均功率使得同時打多個孔成為可能。該公司設計和制造了專門的全息分束器，其光學效率高達90%或更高。Twente大學的設備被用來生產這些裝置。需要更多的信息請訪問www.nclr.nl。
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