激光打孔技術簡介

來源:AWS亞洲    關鍵詞:激光打孔, 優勢, 激光器,    發布時間:2019-01-24

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激光打孔是通過高功率密度、短時間停留(低于激光切割)的脈沖熱源進行打孔的激光加工技術。孔徑的形成可以通過單脈沖或多脈沖實現。相比傳統的機械鉆床、電化學和電火花放電等打孔技術,在加工深度較淺的孔位時,激光打孔是更有經濟效益的打孔技術。雖然基于切割設計的激光熱源也可以用于鉆孔,但是使用基于鉆孔設計的激光熱源在工作時更為有效。同時這個高功率、可重復的脈沖激光可以通過加工一系列緊密相連的小孔來實現激光切割。一般來講激光打孔的直徑一般在0.075~1.5mm之間。(0.003~0.060英寸)。

由激光制備的小孔孔內清潔,并伴有少量的重鑄層,也就是說在打孔過程中熔化的金屬可能會附著在小孔的內壁。當需要孔徑較大時,就需要采用切割模式下的激光束打孔技術來獲取需要的孔徑。在打孔過程中,首先使用打孔模式制備足夠尺度的小孔,從而使后續的切割過程從此處開始作業。鉆孔或穿透過程需要具有高峰值功率的可重復脈沖激光束,同時配合較高的氣壓來實現,工件穿透之后,激光束通過峰值功率降低甚至轉變為無脈沖模式實現切割。

固體激光器波長較短,能夠實現高強度的脈沖輸出,因此更適用于激光打孔,比如Nd:YAG激光器、Nd:glass激光器和Nd:ruby激光器。在工程應用中,對于金屬材料的激光打孔常采用Nd:YAG激光器實現(如圖1所示)。CO2激光器常用來進行非金屬材料的開孔,如陶瓷、復合材料、塑料或者橡膠。

金屬材料的激光鉆孔需要脈沖激光,光束聚焦功率密度要在10^5 W/mm^2 (6.5 W/in.^2 × 10^7 W/in.^2)以上。切割過程中聚焦光束擊中材料表面,材料發生熔化并揮發,熔融和蒸發的金屬會被噴射出來,從而在工件上形成孔洞。一般來講激光開孔的深度一般為孔徑的6倍。對于厚壁部件的激光開孔,可能需要多次脈沖才能實現材料的完全穿透。激光開孔技術最大能達到25mm厚材料的打孔。

激光束的聚焦

在激光打孔模式下,需要使用短焦距透鏡將脈沖激光的高峰值功率光束聚焦到直徑為0.6毫米數量級的光斑上以達到鉆孔所需要的功率密度水平。

通過特定的激光諧振器可以實現激光束的低發散度。在打孔過程中,低發散度的激光束改變了工作時的光束的反射傳播,從而提高了鉆孔的質量和孔深。通過改變聚焦裝置的光圈可以實現光束直徑的控制。因此光圈可以用來提高聚焦光束的能量密度,提高光束的強度分布,這些原理都對激光打孔的應用具有一定的借鑒意義。

圖1:使用 Nd:YAG激光器在發動機活塞桿上開設滑油孔


激光打孔技術的優勢

激光鉆孔具有激光切割的大部分優點。當需要的孔直徑小于0.5毫米(0.020英寸)時,激光鉆孔尤其有利,而且在常規工具無法進入的區域進行開孔時,僅需要使光束與材料表面形成一定的角度就可實現激光束的攝入打孔,有效避免了機械加工時因結構干涉帶來的撞擊破碎事件的發生。

其他激光打孔的優勢如下:

  • 開孔時間短

  • 自動化適應性強

  • 可用于難于開孔材料的穿透加工

  • 與機械開孔相比,開孔過程中與工件之間不存在任何形式的機械磨損

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