（光学专业论文）新型多脉冲yag激光器在打孔上的实验与研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 ! li i ii iii ii ii iii iii ii ii y 17 4 0 9 8 6 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，新型多脉冲y a g 激光器在打孔上 的实验与研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：幽童生兰月竺日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：螂 l 7 一 新魏国阻 地年兰月旦日 2 塑年月旦日 摘要 激光打孔是精密机械加工中的一种高端技术，由于激光光束具有定向发光、能量 密度极大等特性，使激光打孔成为了一种有效的加工工艺。为了满足工业生产中对高 质量打孔的需求，本论文设计并制备出一台新型多脉冲y a g 激光器，应用该激光器在 0 1 m m 厚度的薄钢片上进行高质量打孔。 本论文阐述了单脉冲激光打孔的基本原理，分析和讨论了多脉冲激光打孔过程。 提出了新型多脉冲激光打孔将比传统单脉冲激光打孔获得更好打孔质量的设想，进而 对其进行了实验研究。 采用灯泵浦y a g 激光器获得高功率密度的激光输出，在相同的输出能量下，以不 同的激光输出波形对同种材料进行打孔。在单脉冲激光打孔和新型多脉冲激光打孔的 比对中，证实了新型多脉冲激光打孔所获得的打孔质量明显更好，并得到了多脉冲个 数的理想值。 关键词：激光打孔质量单脉冲多脉冲 2 t h i sp a p e ri l l u s t r a t e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs i n g l e p u l s el a s e rd r i l l i n g ，a n a l y z e da n d d i s c u s s e dt h ep r o c e s so fm u l t i p u l s el a s e rd r i l l i n g an e wi m a g i n a t i o nt h a tt h eh o l e s o b t a i n e db yn e wt y p em u l t i - p u l s el a s e rd r i l l i n ga r eb e t t e rt h a no n e so b t a i n e db yt r a d i t i o n a l s i n g l e p u l s el a s e rd r i l l i n gh a sb e e np r o p o s e d a n de x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d e h i g hp o w e rd e n s i t yl a s e ro u t p u th a sb e e no b t a i n e db yl a m p - p u m p e dy a gl a s e r i nt h e s a m eo u t p u te n e r g y , w ed r i l l e dh o l e so nt h es a m em a t e r i a lw i t hd i f f e r e n to u t p u tw a v e f o r m o fl a s e rp u l s e t h ee x p e r i m e n tr e s u l tc o n f i r m e dt h a tn e wt y p em u l t i p u l s el a s e rd r i l l i n gc a n o b t a i nh i g h e rq u a l i t yh o l e s a tt h es a m et i m e ，t h ei d e a ln u m b e ro fm u l t i - p u l s eh a sb e e ng o t k e yw o r d s ：l a s e rd r i l l i n gq u a l i t ys i n g l ep u l s em u l t i p u l s e 3 目录 第一章绪论1 1 1 概述 1 2 激光打孔的特点 1 3 激光打孔的发展概况 1 4 本文研究的主要内容 第二章激光打孔的基本理论5 2 1 单脉冲激光打孔理论5 2 2 多脉冲激光打孔理论1 l 第三章激光打孔设备1 3 3 1 打孔用激光器1 3 3 2 激光电源系统1 6 3 3 光路系统设计2 0 3 4 打孔机床2 2 第四章实验测量与分析2 6 4 1 实验参数2 6 4 2 单脉冲与多脉冲激光打孔质量的比较2 7 4 3 激光输出功率及多脉冲个数对打孔质量的影响3 3 4 4 本章小结3 5 结论3 6 致谢3 7 参考文献3 8 4 1 1 概述 第一章绪论帚一早三：酉了匕 近年来，随着现代科学技术的高速发展，激光加工已经越来越广泛地被投入到 日常生活、生产应用中。激光打孔是激光加工中的重要应用领域之一，是最早应用 的激光加工技术。这是因为在许多飞机、列车、电子仪表、医疗器械等高精尖端的 产业发展过程中，需要集成在一起的小巧型模块化元器件。为了提高产品的价值和 使用价值，许多元器件都设计有很多的微孔和深孔以完成某些特定的功能。于是， 人们对高精度和高质量的激光打孔提出了更深层次的要求。 激光打孔之所以可以有效的实现上述要求，是因为激光打孔利用激光光束的定 向发光、单一波长、能量密度极大等特点，通过使激光经过光路传导系统到达光学 聚焦系统，进而输出功率密度可高达兆兆瓦每平方厘米的激光光束，用这种高功率 密度的激光输出完全可以对常用材料实行激光打孔。同时，激光由于自身特性在打 孔上的应用有一系列特点，比如说打孔速度快、成本低廉、工作效率极高、对材料 产生的形变小、对任何材料都能进行j 口- r 等特点。这些特点使激光打孔成为了精密 机械加工中一种非常有效的加工工艺。 激光打孔质量的好坏取决于激光器的各项参数和全套打孔设备的稳定性。所 以，我们在认真学习和了解激光打孔原理的同时，还要不断对激光打孔技术进行实 验创新，只有做到理论联系实际，才能设计出满足工业上要求的打孔用激光器。 1 2 激光打子l 的特点 激光打孔的原理就是将激光光束照射到加工材料的表面上，使材料中的电子和光 子通过共振线性吸收作用而获得热能，使被加工材料逐渐熔化，进而蒸发，最后达到 去除加工材料的目的，最终实现对被加工材料进行打孔。激光打孔一般采用高功率密 度的激光光束来进行，它的输出激光光斑很小，能量高度集中，这样就与传统机械打 孔和电火花打孔技术相比有很大的不同，激光打孔具有以下特点： 1 、激光打孔可对熔点高、硬度强、脆性大的各种材料进行加工。 由激光光束自身的特性决定了它在对材料进行打孔时，将不会受到材料的软硬、 刚脆和强度等机械性能的影响。所以激光打孔是其他打孔方式难以替代的一种加工手 段。用激光对常规方法难以加工的材料进行打孔可以轻易地解决材料特性对加工过程 干扰的问题。激光打孔不但适用于金属材料，而且还适用于非金属材料。对于硬度比 较大的、经济价值比较高的红宝石和蓝宝石而言，激光打孑l 是最合适的一种加工手段。 用传统的机械打孔，加工难度大，极容易对这些高经济价值的材料进行损伤和破坏； 对于陶瓷和金刚石等脆性材料，传统的加工方法极容易造成材料表面开裂或者直接破 碎，从而在大量浪费被加工材料的同时还难以提高加工效率。此外，激光打孔对材料 的热影响作用小( 即热形变小) ，加工精度高，可对复合材料进行激光打孔。 2 、激光打孔与被加工材料无机械接触，可以对不易加工的材料进行d , 孑l 2 n 工。 用机械法打孔时，必然会与材料直接接触，这就无法避免打孔用刀具的损伤。然 而，激光打孔不存在这样的问题。由于用激光进行打孔不和材料相互接触，所以激光 加工出来的材料干净而且没有污染，有利于对环境的保护，在大力提倡环保的今天， 激光打孔的好处无疑在此体现出来。 用机械法对有一定倾斜面的材料进行打孔时，因为存在转头和被加工材料之间的 角度问题，所以刀具很不容易被固定，加工精度难以保证。最主要的问题是在斜面上 加工小孔时，钻头由于自身特性很难入钻，硬度越大的材料入钻难度越大，当然对脆 性材料更是难以加工，而激光打孔却可以轻易地在材料上打出任意角度的斜孑l 。 3 、激光打孔可由计算机控制从而实现高难度、复杂形状的自动化加工。 激光经聚焦之后，可以得到具有很高功率密度，直径很小的激光光斑，在此基础 上以合适的程序用计算机对激光打孔设备进行合理控制，二者的完美配合实现了光机 电算一体化。因此不但可以利用高功率密度激光光束加热、熔化以至汽化任何材料， 还可以对被加工材料进行局部区域的精细加工以达到生产中所要求的孔形。此外，激 光打孔不仅可以对真空中的材料进行加工，还可以对常规工艺难以达到的部位进行小 孔加工，这是其他打孔技术无法比拟的。 4 、激光打孔可获得较大的深径比，同时适合于数量多、高密度的群孔加工。 在小孔的加工过程中，深径比是精密加工中要求的一个关键问题。对于用激光进 行打孔的这种方式来说，通常可以获得的深径比比常规机械钻头打孔和电火花打孔大 很多。机械钻头打孔和电火花打孔深径比一般不超过2 0 ：1 ，激光打孔却可以达到1 5 0 ：1 以上。由于在激光打孔过程中有了计算机的控制，使打孔速率上升的同时失误率下降。 编写合适的程序应用到激光打孔上，可以对材料进行连续的、高密度的群孔加工，这 种规模不是机械钻头打孔和电火花打孔所能相比的n h 引。 综上可知，由于激光打孔可节省能源，速率快，效率高，节约原材料，降低了生 产成本，使其无疑成为了一种用于打孔加工上的高效工具，所以许多科研院所和企事 业单位对激光打孔技术投入了大量的实验与研究。 1 3 激光打孑l 的发展概况 1 9 6 0 年出现了世界上第一台激光器红宝石激光器。随之，人们利用激光对刀 片进行了打孔研究。1 9 6 2 年人们利用红宝石激光器对金刚石进行打孔研究。随着科学 技术日新月异的高速发展，激光打孔在航天航空领域、食品药品方面、电子仪器和医 疗器械等各种关系到人们生产生活的行业中，越来越多的被投入到生产应用。激光打 孔的显著优点被越来越多的人们所认识，于是不论是发达国家还是发展中国家都对激 光加工中的激光打孔技术研究投入了大批科研人员和科研物资。一大批长年从事激光 打孔技术工艺研究人员崭露头角。在8 0 年代时，发达国家中的大多数国家已经开始 将激光打孔技术大规模大范围地应用到飞机制造、轮船制造等行业，这些国家中以美 国、英国、德国尤为突出。例如，8 0 年代初，美国汽车制造公司对汽车上的微小发动 机零件利用激光打孔进行加工，获得良好的经济效益和使用性能。与此同时，英国和 德国的研究人员也实现了在钢板上进行数十万孔的精确群孔加工，加工出来的小孔孔 径达到0 6 咖，孔深达到6 唧，深径比达到1 0 ：1 。 进入9 0 年代之后，发展中国家在激光加工尤其是激光打孔方面的科研技术和生 产技术日趋完善，一步步向发达国家赶超。国外一家公司研究出在5 胁厚的碳钢上以 5 0 孔秒的速度进行激光打孔，我国已经可以在4 姗厚的不锈钢上以7 0 孔秒的速度 进行激光打孔。在日本研究出对厚度为2 舳的不锈钢上打出孔径0 5 姗的小孔后，我 国科研人员于1 9 9 3 年用激光光束在8 m m 厚的硬质合金上打出孔径为o o l 一- - 0 6 m m 的 深微孔。 近些年来，人们对激光打孔工艺进行了深入细致的实验研究。2 0 0 0 年德国科学家 科沃勒等人通过将单个脉冲激光放到一起进行叠加，然后再对不锈钢进行打孔，大大 提高了打孔效率，这成为了一个创新性的想法。2 0 0 1 年，中国科学技术大学的吴气虹， 马玉蓉等人研究发明了一种包括一台长脉冲激光器和一台短脉冲激光器的激光打孔 装置，两台激光器输出的激光在同一水平面上相互垂直。在两束激光相交处放置一个 与两束光线均成4 5 0 角的光学透镜。一个能沿光路方向移动的聚焦透镜被放置在光学 透镜激光输出端上。用这种激光对材料进行打孔时，加工的过程就不再是通常情况下 的简单过程。激光打孔过程中长波长的激光脉冲先对材料进行作用，随后再用短波长 的激光脉冲对材料进行作用。这种方法提高了打孔的质量的同时，也提高了打孔效率， 这同样是激光打孔技术上的创新性研究。随着超短脉冲激光加工技术的发展研究，超 短脉冲激光打孔的优势突显而出，激光打孔技术研究达到一定的高度。 1 9 9 8 年，华中理工大学的李又生提出了一种适合于深孔加工的激光脉冲波形，发 表了文章深孔激光加工研究。2 0 0 0 年，有人申请了二氧化碳激光器的双脉冲激光 打孔专利。2 0 0 6 年，北京工业大学发表了关于激光打孔脉冲波形对激光打孔质量有着 重要的影响的文章。2 0 0 9 年，武汉光学实验室和华中科技大学在“o p t i c s & l a s e r t e c h n o l o g y 上发表了在不锈钢上用纳秒量级的双脉冲激光输出波形进行打孔的文 章，其中双脉冲波形的脉冲间距为5 2 n s ，单个脉冲的脉冲宽度为2 1 n s ，被加工不锈 钢材料厚度为i m m h 1 3 1 。本论文在前人工作的基础上，对激光打孔脉冲波形进行了研 究和讨论，提出了一种新型的多脉冲激光打孔用脉冲波形。利用这种新型多脉冲激光 波形进行打孔，在实验中所获得的打孔质量极高。 1 4 本文研究的主要内容 为满足当今工业日益发展下对激光打孔质量的更高要求，本论文实验在单脉冲激 光打孔实验的基础上，进行多脉冲激光打孔技术的研究。本论文研究的主要内容包括 以下几点： 1 、对多脉冲激光器以及光学聚焦系统进行设计研究； 2 、比较多脉冲激光器和单脉冲激光器在打孔质量上的区别； 3 、研究多脉冲激光输出波形形状不同对激光打孔质量的影响； 4 、研究多脉冲的相对时间内间隔的不同对激光打孔质量的影响： 5 、研究多脉冲打孔的重复频率对激光打孔质量的影响： 6 、研究多脉冲激光器在能量上的变化对激光打孑l 质量的影响； 7 、研究多脉冲激光器激光输出功率对激光打孔质量的影响； 8 、研究多脉冲激光器用于打孔时脉冲个数的理想值。 4 第二章激光打：f l b c j 基本理论 2 1 单脉冲激光打子l 理论 众所周知，激光光束的能量密度极大且方向性好( 即发散角极小) 。将激光光束通 过光学聚焦系统会聚到毫米量级的范围内，它的功率密度可以达到1 0 5 1 0 6 w c m 2 。用 这种高功率密度的激光光束照射到材料表面时，由于高强度能量对材料加热的结果， 材料表面的温度瞬间上升，使材料表面被照射区域瞬间熔化并大量汽化蒸发。汽化蒸 发产生的压力使材料熔化区内的熔融物猛烈f 甸# i - 喷射，从而实现激光打孔加工。 单个激光脉冲打孔的过程，可以描述为如下几个过程：表面加热、表面熔化、蒸 发、熔融物的喷发。当激光光束聚焦到被加工材料表面时，被；b n - f 材料表面温度升高。 随着激光能量的不断输入，一旦光照强度达到足够高就可以使材料表面开始熔化。由 于激光光束作用在材料上的时间极短，以至于来不及对材料内部进行有效的热传导， 所以激光打孔的热影响区域非常小，对被加工材料的损伤也就很小。当材料表面温度 高于材料沸点时，蒸发开始发生，当蒸发的材料自由排放到大气中时，蒸汽压力比周 围压力高出很多，这使溢出的蒸汽加速排出。高压蒸汽的压力带着孔内的熔融物向外 高速喷射，在短时间内形成小孑l 。其中，材料的蒸发和熔化是激光打孔过程中最重要 的两个基本过程。 对于一维无限大物体模型，设激光的功率密度为q ，激光的功率密度下限为印：， 蒸发的边界运动速度为_ l ，。，材料的密度为p ，材料的比热容为c ，当激光加热被加工 材料使其温度达到某一温度瓦时，被材料吸收的激光能量：一部分用于蒸发，另一部 分用于传递到材料内部，此时激光功率密度为： q = v o 瓦+ l 嚣( t o ) 】 ( 2 1 ) 式中，l 8 ( 瓦) 是准稳定蒸发温度为t o 时的蒸发潜热。 图2 1 孔深h 和半径r 随时间的变化 一光锥的半张开角；一孔起始半径 图( 2 1 ) 表示的是孔深和孔径随时间的变化，由此可写出激光光束发散角为2 痧 时的光锥方程： r ( t 1 = r o + h ( t ) t a n 矽 ( 2 2 ) 在熔化和蒸发的过程中，小孔内的瞬态能量可以表示为： p ( t ) d t = 口刀2 ( t ) d h + l 。2 a r ( t ) h ( t ) d r ( 2 3 ) 式中，p ( t ) 为激光瞬时功率；岛为蒸发比能，三册为熔化比能，单位是j c m 。 式( 2 3 ) 中p ( ，) d ( f ) 表示单位时间内材料吸收的激光能量，l 占r c r 2 ( f ) 砌表示蒸发单 位厚度所需要的激光能量，l 。2 x r ( t ) h ( t ) d r 表示熔化单位厚度和高度所需要的激光能 量，这里不考虑热传导布朗作用。 当p ( t ) 为一稳定值时，在开始的时间内有fh ( o ) = 0 ，( ，) = ，联立方程式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ，在办( f ) r o 时，则为： 川慨+ 筹 砸) 老n r ol 口 ( 2 4 ) 砸) i 磊匆 - 汜5 ， 心础口3 + e t 历 j 实际上由于l 曰 l 。，相对孔深可以写作为： hh1 一= ：= 一 d2 r 2 t a n 矽 ( 2 6 ) 其中有： e = p t ( 2 7 ) 从式( 2 6 ) 中，我们可以得到，t a n 矽越小越容易获得较小直径的深孔。这里m n 可以表示为： t a n 矽= 百d - 2 1 0 2 ( 2 8 ) 。 厂 式中，d ：、，、一- r - a 至；2 0 为激光光束发散角：，从激光工作物质边缘 到光学透镜前焦点之间的长度，其中f 为焦距。当t a i l 矽：0 时， 办：妻；，：o f ( 2 9 ) 办2 而；，2 2 2 9 通常情况t a i l 矽0 ，在材料达到一定深度的时候，由于激光光束在孔底部功率密 度的减小使孔产生了一个极限尺寸： fefe 监t a n 害；缸 陌 1 万 ( 2 1 0 ) 赢 l 式( 2 1 0 ) 中，q 为激光脉冲快要结束时材料蒸发的能量密度阈值。 综上可以求得在一定能量下打孔的深度h 和孔半径之间的关系。由此可以看出 设l p 为单位体积材料所耗能量，则有： 铲嘉 ( 2 1 1 ) 田ih 通过式( 2 1 1 ) 可以得出半径r ，其中式中的0 和b 值由材料特性可知。同样， 厂= 塑蛐警些型 j 亿蚴 式中，s = ( d 一2 0 ) 2 ，s = 三p 占。 在激光对材料进行加工的过程中，一部分激光能量被材料吸收，被吸收的激光在 材料中发生热扩散，一部分激光能量被材料透射和反射。这些能量都应该满足能量守 局= e 反射+ e 吸收+ e 透射 ( 2 1 3 ) 式中，毛为激光能量，e 吸收为材料表面吸收到的能量，e 反射为材料反射的能量， 射为透过材料的能量。激光输出的能量一部分被材料表面吸收，一部分被材料表面 1 ：争+ 譬+ 争= 勺 ( 2 1 4 ) e ne oe o lh hl 其中，p 尺口一彳，分别为反射、吸收、透射所占能量的比值。当然对于光不能透射 1 = 风+ 口月 ( 2 1 5 ) 1 = 0 e 一触 ( 2 1 6 ) 根据方程： 刀2 n i + 即2 式中，1 3 为复折射率。于是p 只可以写成： 当口4 = 1 一p r 时，有： 胪阱= 器耀 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 口彳：_ 戛 ( 2 1 9 ) 2 瓦商 坦 于是吸收系数a 为： a 1 ，” 彳= 二竺 ( 2 2 0 ) 刀 式中，五为激光波长。 在激光打孔过程中，当激光对被j j n - r 材料进行作用时，激光能量被加工材料所吸 收，被加工材料温度随之上升，这就改变了材料的内部结构，使材料的性质发生了变 化。所以激光输出功率密度大小的选择决定了被加工材料在被激光作用时熔化的深 度。当材料的热导率很大时，熔化速度就快，也就是说熔化穿透深度就大。为了提高 被加工材料的熔化深度，应该使用较小的激光功率密度。因此，当激光输出脉宽一定 的情况下，为获得较高的熔化深度就需要对激光输出功率进行调节。 在激光打孔过程中，随着激光对被i j n - r 材料的不断作用，材料达到熔点时发生熔 化，从而形成一个熔融层。随后材料温度继续上升，材料开始蒸发。激光能量的一部 分用于蒸发，一部分变成使蒸发物向外喷发的动力，另一部分成为了蒸汽的热量，剩 余部分被材料吸收。最后，随着激光功率密度的下降，材料达到一个稳定状态。 激光等离子体是指激光作用在被加工材料表面时，随着时间的增加，材料的表面 区域在熔化之后发生汽化，这是由于材料表面的温度达到了沸点。汽化蒸发而出的气 体随着温度的继续增加发生电离，变成了一种密度很高的状态。在激光与材料的相互 作用中，对激光等离子体的讨论是至关重要的，激光产生等离子体的示意图如图2 2 所示。 9 加t 材料 等离子体 | 一一一乒 激光光束 图2 2 激光作用材料产生等离子体图示 通常激光等离子体i 司隔地从孔内向外喷射出来，在实验中可以观察到，等离子体 的一种颜色为淡蓝色，在靠近材料表面的地方；另一种颜色为粉红色，这种颜色距离 材料表面较远。当采用测量谱线强度方法计算等离子体的温度，在针对不同的波长测 量之后，可以得到如下式的等离子体温度表达式： 黜一寿礼 慕 ( 2 2 - ) i 。( 岛以。)t z ( t ) 。 式中，为原子的密度；e 。为能级的激发能量；为n 能级跃迁至m 能级的辐 射光波长；i 。为谱线的强度：厶为n 能级跃迁至m 能级的跃迁几率；岛为n 能级原 子的统计权重；z ( t ) 为温度t 时的原子部分函数；k o 为波尔兹曼常数；h 为普朗克常 数；c 为光速。 现在我们设一功率密度为e 。的入射激光，穿透长度为，的蒸汽等离子体区域，透 射激光功率密度为p ，那么有 华：一k 只 ( 2 2 2 ) d o = _ r oa 可p s = - - n 殳1 , o - 哮 ( 2 2 3 ) 式中，d o 为光学厚度，指激光穿过蒸汽等离子体被吸收的情况。 如果把蒸汽等离子体看作是均匀的，那么有 以= k ，出= f k 出= 蜒， ( 2 2 4 ) k 。= d o l ( 2 2 5 ) 1 0 r = 1 一e x p ( 一d 口) ( 2 2 6 ) 只要测出只。、只和等离子体线度，就可以得到光学厚度d 日、吸收系数k 。和等离子 体屏蔽系数等啼1 。 综上，为了保证激光打孔时获得良好的打孔质量，必须对等离子体进行控制和抑 制。在激光打孔过程中产生的等离子体具有时间效应和浓度效应，因此，在等离子体 的抑制过程中，应该从等离子体的时间效应和浓度效应两方面进行考虑。在激光打孔 实验中，目前通常采用辅助吹气的方法来抑制等离子体。 2 2 多脉冲激光打孑l 理论 单脉冲激光输出波形用于激光加工时，由于发生的物理现象十分复杂，被j - r 材 料受到激光辐射参数变化等因素的影响很大，所以单脉冲激光打孔加工过程是非常困 难的。在单脉冲激光打孔的过程中，最难于控制的就是以下这几个过程：第一，打孔 过程中熔融物喷射时形成孔道的过程；第二，激光打孔过程将要结束的前后，孔壁上 熔化的液体金属的状态分布情况；第三，激光输出功率密度在准稳定边界上的变化过 程。 单脉冲打孔过程中的这些难于控制的过程，就带来了影响小孔质量的诸多因素。 首先，打孔过程中熔融物喷射时形成孔道的过程极容易导致孔形畸变；第二，熔化后 的液体金属分布直接导致的后果就是热影响区扩大、孔表面溅射不均匀；第三，激光 输出功率密度的改变可能导致的结果是材料的表面开裂或者其它不理想的现象。正是 基于以上原因，人们由此发现利用多脉冲激光输出波形对材料进行激光加工，可以减 小这些不稳定的因素，改善小孔质量。 多脉冲激光打孔加工可以看作是许多单个脉冲叠加在一起对材料进行打孔，也就 是说加工出来的小孔不是由一个脉冲对材料作用形成的，而是由多个脉冲对材料共同 作用所形成。目前现有的多脉冲激光打孔理论认为这些脉冲具有相同的能量和脉宽， 这些多脉冲连续不断地对材料进行加工直至达到所需要的尺寸。设多脉冲加工能量的 平均值为e 平均，则有： e ， e 平均= 式中，e 为单个脉冲的能量：刀为激光输出脉冲的个数。 利用多脉冲进行打孔所得到的孔的深径比可由式( 2 2 8 ) 、( 2 2 9 ) 求得： ( 2 2 7 ) 榔疗+ 等； 铲南c 厚训 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 式中，q 为激光作用材料结束前材料汽化的阈值功率密度，一般来说q 应该大 于1 0 5 w c m 2 。 对多脉冲激光打孔加工过程进行讨论，设想第一个脉冲作用到材料表面时，使材 料表面温度迅速升高，起到加热材料表面的作用。当材料表面温度达到材料的熔点时， 材料开始熔化。如果第一个脉冲能量足够大的话，继续对材料表面进行加热，使材料 表面温度达到沸点，当材料表面达到沸点之后，材料开始蒸发，从而达到去除材料目 的。 对于传统单脉冲激光打孔而言，激光打孔的过程到此为止。在打比较深的d , - 孑l 时， 为了使孔深达到理想的要求，单脉冲激光器只能从提高激光输出能量和提高激光脉冲 重复频率入手。激光输出能量的提高和激光脉冲重复频率的提高对材料的破坏程度随 之加大。用这种方法进行深孔加工时，获得的小孔几何尺寸精度差，即小孔质量比较 差，然而多脉冲激光打孔却可以解决这个问题。 在多脉冲打孔过程中，第一个脉冲结束之后，第二个脉冲继续对材料进行作用， 这就增大了打孔过程中的蒸汽压力，于是打出的d , - 孑l 不容易造成堵塞。而且第二个脉 冲还解决了常规脉冲在激光对材料作用结束前，功率密度下降而产生的孔内壁堆积残 留物的问题。此外，在激光与材料的相互作用中，产生的等离子体的现象可以通过第 二个脉冲进行抑制。在连续不断的脉冲作用下，孔深的问题得以解决。在多脉冲波形 中的第三个脉冲及后来的脉冲很好地延续了第二个脉冲的作用，这种多脉冲打孔方式 打出孔的质量是可想而知的。对于多脉冲激光打孔过程我们也可以这样认为：前两个 脉冲的能量主要用于使材料熔化和汽化，后来的脉冲起到彻底去除孔内残留物的作 用。 综上可知，利用多脉冲进行激光打孔加工是有很多好处的。本论文实验中研究的 多脉冲加工是指各个脉冲之间并不一定具有相同的能量或者相同的脉宽，所以本论文 所进行的多脉冲激光打孔实验不全符合现有的多脉冲激光加工理论，故多脉冲激光加 工理论有待进一步完善。 1 2 第三章激光打孑l 设备 激光打孔的全套设备主要包括以下几个部分：激光器和激光电源、光学监测系统、 光路传导系统、光束转换系统、精密机床和控制系统。 激光器是打孔设备中最重要的一部分，它的作用是发射出高功率密度的激光光 束。激光器电源为激光器提供所需要的能量，是激光器必不可少的组成部件，它包括 预燃系统、触发系统、充电电路、放电电路、同步电路。光路传导系统和光学监测系 统是将激光器发出的光束聚焦后投射到材料表面，然后观察和调整激光光束作用在材 料表面的焦点位置，它包括显微镜瞄准系统、激光光束聚焦及加工位置的控制。精密 机床大多采用数字计算机来控制平台的移动，从而实现激光打孔加工的连续性、稳定 性和精确性。精密机床主要包括床身和可以在三维空间范围内移动的工作平台以及步 进电机控制系统等。 随着当今科学技术的日益发展，市场上出现了各式各样的激光打孔加工机，本实 验所采用的激光打孔整套设备示意图如图3 1 所示。 3 1 打孑l 用激光器 图3 1 激光打孔加- t 机 激光器是激光打孔设备中必不可少的一部分，能否对加工材料进行打孔或者打孔 质量的好坏主要取决于激光器的输出参数。同时激光器是否稳定运行也直接影响对材 料加工的优劣。目前工业上普遍用气体激光器和固体激光器来打孔。固体激光器由于 具有输出波长短、整机体积小、使用维护方便、可以用普通的光学材料进行传递等优 点，在激光打孔中得到了广泛的应用。在固体激光器的工作物质中，由于掺钕钇铝石 榴石晶体( y a g ) 这种工作物质具有诸多优点，所以本实验采用y a g 固体激光器进行 激光打孔实验研究。 本论文实验主要利用多脉冲输出激光进行打孑l 实验研究，所以如何产生多脉冲激 光输出波形是本论文讨论的主要问题之一。多脉冲激光输出波形的产生主要有以下几 个方式： 1 ) 、多个激光器相互合成的方式 如图3 2 所示，将多个单脉冲激光器处于一个共同的光学系统内，第一台激光器 发出激光形成光路，第二台激光器和第三台激光器发出的激光经过光路中的透镜反 射，从而使三台激光器输出的激光在同一轴线上，这就完成了多个激光器光路的合成。 接下来对这些激光器产生的激光在时间上进行同步控制，利用这种时间上的同步控 制，可以对各个激光器产生的激光脉冲间距( 即时间间隔) 进行精确调节，从而达到 了产生可调节多脉冲激光光束输出的目的，进而通过该激光器完成对材料的激光打 孔。利用这种多脉冲激光输出的方法进行激光打孔所具有的优点是：各个激光器的输 出能量可以独立调节。这种方法存在的主要缺点有： 1 、实验中需要三台激光器，成本较高。 2 、三台激光器的光路合成比较困难，光学透镜将带来一定的损耗。 3 、三台激光器占用的体积较大，所以移动性能较差。 图3 2 多个激光器合成示意图 2 ) 、单路激光器的多次放电方式 如图3 3 所示，对可控硅( s c r ) 输入多个电信号以完成多次放电。这样的激光 器配备的激光电源需要具有非常高的重复频率。如果要使脉冲时间间隔在1 0 0us ，那 么激光器的重复频率将非常高，需要达到i o k h z 。这样的技术是目前大功率激光器所 不能实现的。 1 4 l a m p 图3 3 单路多次放电示意图 3 ) 、单路电源分路充电方式 如图3 4 所示，这种激光电源共用三个继电器。这种多脉冲输出方式不但可以解 决重复频率过高带来的问题，还可以解决放电脉冲独立调节的问题。这种多脉冲输出 方式存在的优点是简单、方便，不用大功率的高重复频率电源。同样，这种多脉冲输 出激光器的缺点是，在实验中对脉冲波形中各个脉冲能量的调节有一定难度。 ( a ) ( b ) ( c ) 图3 4 单路电源分路充电方式示意图 4 ) 、连续电源斩波方式 如图3 5 所示，这种多脉冲激光输出方式的优点是重复频率可以做到较高，而且 脉冲宽度可以任意调节，整机电源重复频率也可以做到很高。这种方式存在的问题是 单个脉冲实现大功率输出有一定的难度。要想实现大功率激光输出，需要有大功率、 大电流的i g b t 功率开关管，电流需要大于1 0 0 0 a 。 i g b t l a m p 图3 5 连续电源斩波方式示意图 本论文实验所用激光器应该在后两者中选择，因为本实验室有脉冲激光电源，所 以本实验将采用第三种单路电源分路充电的方法，即一次充电而多路放电的方式。该 激光器与普通激光器相同，只需要一个激光器和一个激光器电源。 本论文激光器参数如下： 聚光腔内表面涂有漫反射的聚四氟乙烯椭圆柱体聚光腔。 激光谐振腔平平谐振腔。其中，全反镜采用的是平面镜，反射率r = i ；输出 镜采用白片，透过率为t = 9 0 ；激光谐振腔腔长l = 5 0 c m 。考虑到激光输出能量大于1 焦耳，谐振腔中所采用的n d ：y a g 激光棒直径d = 6 m m ，棒长l = l o o m m 。 泵浦光源采用氙灯作为泵浦光源，灯长l = 9 0 m m ，直径d = 5 m m 。 准直系统采用h e - n e 激光器作为准直系统。 本论文实验所用激光器如图3 1 2 所示。 3 2 激光电源系统 按照小节3 1 打孔激光器设计中的第三种多脉冲输出方式，对激光电源进行设计， 如图3 6 所示。 本实验电源的充电电路中，采用l - c 谐振变换器组成的逆变器，对储能器进行恒 流充电。由于这种充电电路对储能器容量没有体积限制，因此，可以不断地对三路储 能器进行充电。对三个储能器充电的电量可以不同，从而获得不同的激光能量和所需 要的脉冲形状。 1 6 第一个脉冲 冲可以做成方波网络，如图3 8 所示；第三路可以做成由低到高的能量形式，如图3 9 所示，这些波形都可以由l - c 网络组成。为了能够相互隔离放电，各个电容器组之间 采用s c r 相互隔离，如图3 4 所示。图3 4 中的( a ) 、( b ) 、( c ) 对应着这三个脉冲 波形。 图3 7 第一路放电示意图 图3 8 第二路放电示意图 幽3 9 第三路放电不意图 考虑到激光输出能量大于1 焦耳，e j , = i 焦耳( j ) 。由激光的注入能量和输出 能量之间关系，可得注入能量： 厶= = i 0 0 2 = 5 0 j( 3 1 ) 式中，m 为激光器的转换效率。由方程： j = l c v 0 2 ( 3 2 ) 知，当电容的容量c = 1 0 0 , u f 时，电源的电压为v o = 1 0 0 0 v 。 根据所查文献知，逆变器输出电压： v 0 = 磊，z ( 3 3 ) 式中，刀为升压变压器的变压比，s o 为电源电压的平均值。其中昂= 2 8 0 v ， = 1 0 0 0 v ，则由式( 3 3 ) 可得： 2 鲁锄叫2 8 嘲， 考虑到逆变器的效率问题，则有： n o 刀= 叩 ( 3 4 ) 式中，以为升压变压器的实际变压比，刁为逆变器的效率，q = o 8 。则实际中 刀= 7 i 0 8 = 8 8 7 5 ，这里取刀= 9 。 当激光电源输出功率气= j f = 5 0 0 w o 8 = 6 2 5 w 时，由下式： i | 只= 2 磊2 f c ( 3 5 ) 得出c = 芴南0 2 厂，其中f 取3 。k h z o 由谐振变换理论知道，充电网络的周期应该取为导= 3 3 # s 4 = 8 2 5 # s ，这时得出 t o = 万瓜，所以t 。2 = 万2 l c ，即： l = 差 慨6 ， 上式代入数值求得电感量，l = 2 4 x1 0 击h = 2 4 # h 。 对于变压器的设计主要是对变压器磁芯功率容量的选取，计算出磁芯体积参数 a 。x a 。，其中a 。为变压器磁芯的有效截面，单位为c m 2 ，a 。= a xb ，a 和b 为芯柱 的横截面的长度和宽度；a 。为变压器铁芯的窗口面积，单位为c m 2 。这里的窗口面 积指两个磁芯合在一起时的单个窗口面积，a 。= h x l ，h 和，为窗口的高度和宽度。 用a p 表示磁芯的功率容量，则有： a p = p t 1 0 4 两 c3 7 ， 式中，b w 是磁芯工作磁通量密度：k w 为磁芯窗口中铜线的占空系数；k ，为波形系 数，是有效值与平均值之比，对于正弦波k ，= 4 4 4 ，对于方波k ，= 4 ；e 为工作频率； k j 为电流密度。x 为常数，对于c 型铁芯x = - 0 1 4 。 选取一个在允许范围内的a wxa 。值是设计变压器的主要思想，本论文实验中选 取的磁芯是e 2 8 ，利用式( 3 7 ) 对a p 计算得知，e 2 8 的a 。xa 。值远远大于该值，因 此e ：。是实验所用的理想磁芯。 变压器初级匝数方程如下，用w l 表示变压器初级匝数，用w j 表示变压器初级 匝数。 w = 瓦e ox 西1 0 s ( 3 8 ) 1 4 b w f s s 。 。 式中，b w 取2 0 0 0 ，f 。= 3 0 k h z ，s c = 7 8 4 。经计算得出： w = 砀意州8 取初级线圈匝数w l 为1 5 圈，则次级线圈匝数w 2 = 1 5 x 9 = 2 2 5 圈。 控制电路选取l m 4 9 4 脉宽调制器作为控制源。 3 3 光路系统设计 激光打孔光路传导系统的主要作用有两点：一点是使激光通过扩束准直望远镜传 递到材料的加工区域；另一点是激光经过聚焦透镜聚焦后达到足够高的功率密度，从 而实现对材料进行激光打孔加工。光束传导的具体过程是：当激光器发出光束以后， 由光学系统中的4 5 。棱镜或全反镜改变激光的输出方向( 见图3 i i ) ，将激光引导到 指定的加工点上。激光器发出的光束通过聚焦透镜聚焦后，可以在相纸上观察到极高 能量的激光光斑，最后用这种高功率密度的激光在材料的指定打孔位置上进行加工。 由此可知，一个设计合理的光路传导系统对激光打孔加工有着至关重要的作用。光束 聚焦原理如图3 1 0 所示。 i i 1。 ，一 r爿 ， ，。 g - - ，_ d 图3 1 0 激光聚焦原理图 1 一激光器；2 一光阑；3 一聚焦物镜 光学监测系统主要用于对加工材料进行观测和定位，只有细微地观察打孔位置， 才能保证对被加工材料打孔的准确性。并在打孑l 之后可以及时检测打孔状况。光学监 测系统对激光光束的能量等参数影响不大，是激光打孔加工过程中必不可少的一部 分，与激光器相辅相成的达到打孔目的。在利用光学监测系统时需要注意的是，在打 孔过程中一定要保护好眼睛，因此，不能同时观察和控制激光。 光束转换系统也是光路传导系统中不可或缺的一部分，因为，在实现高要求精密 打孔的过程中，激光光束都要经过扩束准直望远镜和光学聚焦系统等环节进行转换， 而这些环节又是必要的。在某些打孔激光器中加入小孔光阑来对激光光束进行限制， 从而提高打孔质量。本论文实验激光器中并没有小孔光阑，这是因为小孔光阑会使激 光能量和打孔圆度受到影响。 本论文实验目的是在加工材料上打出小孔孔径在0 1 5 0 2 5 m m 之间。设d 为小孔孔 径，则有 d = 厂p ( 3 9 ) 式中，厂为聚焦透镜的焦距，秒为激光经过光学传导系统之后的发散角。 一般用于打孔的激光器发敖角在l m r a d 到3 m r a d 之间，本论文实验欲通过对光学 系统的设计使激光发散角秒达到l m r a d 左右。则有 厂= d 9 ( 3 1 0 ) 这里，为防止打孔过程中飞溅物对聚焦透镜的损伤，设计聚焦透镜的焦距为1 8 0 m m 。 所以理论上输出激光发散角在l m r a d 时的聚焦光斑为0 1 8 m m 。 现以在相纸上打点的方法测量激光光斑大小，得出激光发散角酿在4 m r a d 以上。 扩束准直望远镜系统的作用是大幅度的减小光束的发散角，光束在经过扩束准直望远 镜( 如图3 1 3 ) 的前后关系是 乡= e o m ( 3 1 1 ) 在式( 3 1 1 ) 中，m 是扩束准直望远镜的放大倍数，于是求得m = 4 。从式( 3 1 0 ) 和式( 3 1 1 ) 可以看到扩束准直望远镜使聚焦光斑直径变为原来聚焦光斑直径的1 4 倍。 由式( 3 1 1 ) 知m = 4 ，即扩束准直望远镜中的物镜和目镜成4 倍关系。由于本实验 选用的激光器中激光棒的直径为矽= 6 m m ，为使激光光束能全部进入目镜，选择目镜的 直径为矽= 8 m m 。根据物镜和目镜之间的倍率关系，得出物镜的直径为= 3 2 m m 。 在光学聚焦系统中，采用矽= 8 c m 的单个聚焦透镜。由于本实验激光注入能量足够， 所以不需采用多个镜片粘在一起的复式透镜。单个镜片的优点是造价低廉且不易损坏。 在聚焦透镜下设计放置一玻璃片，玻璃片起到隔离和保护的作用，避免激光打孔时产 生的飞溅物和蒸汽杂质对聚焦透镜的损伤。 在对光路传导系统的设计中，应考虑该系统对激光能量的损耗。仅仅是目镜和物 镜所带来的能量损耗可以达到1 6 ，整个系统中的能量损耗可想而知。为了使损耗降 到最小，需要对扩束准直望远镜系统的各个镜面镀膜，使输出激光波段增透。对4 5 0 全 反镜、目镜、物镜和聚焦透镜镀1 0 6um 增透膜。镀膜之后，目镜的两个面损耗为2 ， 物镜的两个面损耗为2 ，全反镜损耗4 ，聚焦透镜损耗2 ，玻璃片损耗为2 。则可 知，光路传导系统中对激光能量的损耗达到1 2 。 光学聚焦系统原理图如图3 1 1 所示，聚焦系统的实物图如图3 1 4 所示。 2 1 3 4 打孑l 机床 图3 i i 光学聚焦系统 为得到高精度、高质量的孔形，实验中对打孔用机床也有一定的要求，打孔用机 床主要包括床身、工作平台、步进电机控制系统。 要想对加工材料进行激光打孔精密加工，就必须对被加工材料进行精确定位，这 就需要数字计算机对步进电机进行精确控制，其中包括控制激光光束与材料的相对位 置，当激光光束与加工材料不