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廣州市譜源氣體有限公司
準分子激光材料加工--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，主要是使用脈衝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，主要被用於氣膜冷卻孔的打孔作業，它用於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，以及用於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於激光打孔了。
激光打孔比EDM優越的方麵在於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塗層元件的打孔。
脈衝激光器通常用於打孔作業。其平均功率由下列關係給定：
Pavg = Pp * tp* νp
這裏：
Pp = 峰值功率 [kW]
tp = 脈衝寬度 [ms]
νp = 脈衝頻率 [Hz]
對一個給定的平均功率，有無窮多個峰值功率、脈衝寬度和脈衝頻率的可能組合，至少有一種組合能給出最佳的加工結果。很長的脈衝將導致峰值功率較低，這樣材料在加熱時隻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，由於作用時間很短，隻有很薄的一層材料會因燒蝕而剝落。
利用準分子激光器來進行打孔
由於和Nd:YAG激光器相比，它們的波長更短，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於打直徑小的孔。然而在打小孔時材料的去除將成為一項製約因素。
傳統的準分子激光器的脈衝寬度範圍在10到20 ns。在一項脈衝寬度對打孔效率和質量影響的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl 308nm激光器對125μm厚的板進行打孔，發現長脈衝(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔質量。他同時發現累計能量一定的情形下，單個104 ns的脈衝的效率比12個9 ns的脈衝的效率要高。
效率的不同是因為加熱的能量必須從表麵傳導至材料內部。這項研究的另一項發現是，即使在激光脈衝停止後，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後才停止，這比脈衝寬度的典型值長了100倍。另一方麵，脈衝寬度與用於打孔的傳統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。
激光打孔作為一項合適的技術，主要被用於氣膜冷卻孔的打孔作業，它用於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，以及用於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於激光打孔了。
激光打孔比EDM優越的方麵在於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塗層元件的打孔。
脈衝激光器通常用於打孔作業。其平均功率由下列關係給定：
Pavg = Pp * tp* νp
這裏：
Pp = 峰值功率 [kW]
tp = 脈衝寬度 [ms]
νp = 脈衝頻率 [Hz]
對一個給定的平均功率，有無窮多個峰值功率、脈衝寬度和脈衝頻率的可能組合，至少有一種組合能給出最佳的加工結果。很長的脈衝將導致峰值功率較低，這樣材料在加熱時隻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，由於作用時間很短，隻有很薄的一層材料會因燒蝕而剝落。
利用準分子激光器來進行打孔
由於和Nd:YAG激光器相比，它們的波長更短，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於打直徑小的孔。然而在打小孔時材料的去除將成為一項製約因素。
傳統的準分子激光器的脈衝寬度範圍在10到20 ns。在一項脈衝寬度對打孔效率和質量影響的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl 308nm激光器對125μm厚的板進行打孔，發現長脈衝(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔質量。他同時發現累計能量一定的情形下，單個104 ns的脈衝的效率比12個9 ns的脈衝的效率要高。
效率的不同是因為加熱的能量必須從表麵傳導至材料內部。這項研究的另一項發現是，即使在激光脈衝停止後，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後才停止，這比脈衝寬度的典型值長了100倍。另一方麵，脈衝寬度與用於打孔的傳統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，一般來說其截麵是圓柱形的，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麵成像。這個方法的缺點在於隻有一部分激光能量得到利用；許多情況下隻有30%或更少的光束功率被利用。對光束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
利用激光在陶瓷塗層的表麵打孔時，Nd:YAG激光器遇到塗層剝離問題的困擾。而準分子激光器，由於其脈衝寬度短，就能夠在打穿塗層的同時又不會發生剝離現象。
由於波長短導致光子能量大，因此準分子激光器也非常適合於許多不同複合材料的打孔，比如，碳複合材料(CFC)。
另一個應用是利用燒蝕來對珩磨過的汽缸表麵結構進行處理，這種經處理的結構提高了表麵的摩擦學特性，降低了磨損。
高功率的準分子激光器打孔，其脈衝寬度範圍在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。
需要打的孔，一般來說其截麵是圓柱形的，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麵成像。這個方法的缺點在於隻有一部分激光能量得到利用；許多情況下隻有30%或更少的光束功率被利用。對光束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
利用激光在陶瓷塗層的表麵打孔時，Nd:YAG激光器遇到塗層剝離問題的困擾。而準分子激光器，由於其脈衝寬度短，就能夠在打穿塗層的同時又不會發生剝離現象。
由於波長短導致光子能量大，因此準分子激光器也非常適合於許多不同複合材料的打孔，比如，碳複合材料(CFC)。
另一個應用是利用燒蝕來對珩磨過的汽缸表麵結構進行處理，這種經處理的結構提高了表麵的摩擦學特性，降低了磨損。
高功率的準分子激光器打孔，其脈衝寬度範圍在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。
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