（精密仪器及机械专业论文）声控激光打孔技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 激光力n - r - 技术是涉及光学、机械学、电子学、计算机等多种学科的高新技术， 激光打孔是较早达到实用化的激光加工技术，但是目前还有许多问题需要进一步 深入研究。由于激光打孔时激光焦点和打孔对象的相对位置、材料反射率的变化， 激光峰值功率调节都影响到打孔速度和质量。因此，为了对不同材料进行有效地 打孔，需要对激光束的能量、脉冲宽度和激光焦点相对位置等打孔参数进行综合 控制。 本课题的任务是在对激光打孔过程物理机理研究分析的基础上，研发用于金 刚石拉丝模激光自动打孔的数控加工系统。 本文主要研究了在激光与材料相互作用下声波信号随时间变化关系，高频超 声波q 调制方法，以及配合计算机研究出声控激光打孔系统。 一、首先论述了激光打孔技术目前国内外的发展状况，并结合激光与物质相 互作用的原理，在理论上深入分析了激光打孔过程的物理机理，研究了在激光脉 冲作用时材料升温、熔化、气化以及产生冲击波的条件。本文提出了一种具有创 新性的用于对金刚石拉丝模打孔的方案。 二、为获得快速打孔的效果，在激光器上也做了创新性的改进，采用高频超 声技术控制压电陶瓷换能器，把谐振腔q 值的调制频率提高到1 5 0 k h z ，在2 0 0 w 以上的高功率激光器上获得了高峰值功率的激光脉冲。 三、通过打孔过程伴生声波现象的研究，分析了大量的实验数据和曲线，发 现了打孔产生的声波信号能反映打孔过程的状态，证明用声波能够控制打孔过 程，同时还证明了打孔过程产生的红外光不适合控制打孔，并提出了按照材料的 特性改变打孔速度的) j dt _ 方法。 四、综合上述研究成果，结合计算机技术，研究出了激光打孔专用的声控打 孔控制系统，这套系统是通过声波传感器在线测量，按照打孔工艺要求，控制工 作台的移动，激光束焦点始终处于最佳正确位置，使打孔过程精确而快捷。这种 方法在国内外均未见报道。大量的实验表明，对金刚石拉丝模打孔有很好效果。 文章最后也提出了今后研究方向，以及需要进一步解决的技术问题，对于 完善这项新方法指出了方向。 关键词：声控激光打孔；超声调制；声波传感器 a b s t r a c t l a s e rm a c h i n i n gp r o c e s s i n gi sah i g ht e c h n o l o g yr e l a t e dt ol o t so fb r a n c h e so fs c i e n c e sa n d t e c h n o l o g i e s ，s u c ha so p t i c s ，m a c h i n e r y , e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r , l a s e rd r i l l i n gi so n eo ft h eo l d a p p l i c a t i o n so fl a s e rm a c h i n i n gp r o c e s s e s y e tm a n yi s s u e sr e m a i nt ob es o l v e dw h e nh i g hq u a l i t y h o l e sa r et ob ed r i l l e di nv a r i o u sm a t e r i a l st o d a y b e c a u s eo fl a s e rd r i l l i n gs p e e da n dq u a l i t yi s e f f e c t e db yt h ec h a n g i n gi nl a s e r sf o c u sp o s i t i o n , r e f l e c t i v i t ya n dl a s e rp e a kv a l u ep o w e r t h e r e f o r e ，l a s e rp o w e r , p u l s ew i d t h ，l a s e rf o c u sp o s i t i o na n ds o m eo t h e rp a r a m e t e r ss h o u l db es e t d i f f e r e n t l yt od r i l ld i f f e r e n tm a t e r i a l sw i t hh i g hq u a l i t ya n ds p e e d t h eo b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o nw a st os t u d yd i g i t a l l yc o n t r o l l e dl a s e rm a c h i n i n gs y s t e m f o rd i a m o n dd r i l l i n gf o rw i r ed r a w i n gd i e s ，o nt h eb a s i so fs t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so f p h y s i c a lm e c h a n i s mf o rl a s e rd r i l l i n gp r o c e s s t h ei n v e s t i g a t i o n sp e r f o r m e di nt h i sd i s s e r t a t i o nw e r ef o c u s e do nt h et i m ed e p e n d e n c eo f a u d i b l es o u n ds i g n a l su n d e rl a s e rb e a ma n dm a t e r i a li n t e r a c t i o n ，d e v e l o p m e n t so fah i g hf r e q u e n c y q - m o d u l a t i o nm e t h o du s i n gu l t r a s o u n da n daa c o u s t i c a l l yc o n t r o l l e dl a s e rd r i l l i n gs y s t e mi n c o m b i n a t i o no fc o m p u t e r i w ei n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fl a s e rd r i l l i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d a n dw ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yt h el a s e rd r i l l i n gp h y s i c a lp r o c e s s ，i nw h i c hd e t a i l e dc o n s i d e r a t i o n s o ft h em a t e r i a lt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ，f o r m a t i o no fm e l t ，v a p o r i z a t i o na n di n t r o d u c t i o no fr e c o i l p r e s s u r eu n d e rt h ec o n d i t i o nw h e nm a t e r i a l sa r ee x p o s e dt ot h el a s e rb e a m a ni n n o v a t i v es o l u t i o n w a sp r o p o s e di nd i a m o n dd r i l l i n gf o rw i r ed r a w i n gd i e s 2 t oi m p r o v ef u r t h e rt h ed r i l l i n gs p e e d ，a l li n n o v a t i v ei m p r o v e m e n tw a sp e r f o r m e da tl a s e r r e s o n a t o r , t h eu s eo fah i g hf r e q u e n c yo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ni n t o t a lr e f l e c t i o ni n i l t o re n a b l e s q m o d u l a t i o nf r e q u e n c yi nl a s e rr e s o n a t o ru pt o 15 0k h z ，h i g hl a s e rp e a kp o w e rp u l s e sw e r e o b t a i n e da t2 0 0wa n di tm e e t st h er e q u i r e m e n t so fl a s e rd r i l l i n gp r o c e s s 3 ，w ef o u n dt h i ss o u n ds i g n a l sr e p r e s e n t e dd r i l l i n gp r o c e s sa n dc o n c l u d e dt h a td r i l l i n g p r o c e s sc o u l db ec o n t r o l l e du s i n gs o u n ds i g n a l s ，w h e r e a si n f r a r e ds i g n a l sm e t c o n t r o lr e q u i r e m e n t o f t h ep r o c e s s ，t h r o u g ht h e s t u d yo f p h e n o m e n ao f s o u n dp r o d u c e di nl a s e rd r i l l i n ga n da n a l y s i so f m a s s i v ed a t ao fe x p e r i m e n t sa n dg r a p h s ，a n dm e t h o d st oi m p r o v ed r i l l i n gs p e e dw e r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt om a t e r i a lp r o p e r t i e s 4 ，b r i n g i n gt o g e t h e ra l lo u rr e s e a r c hd a t a , a na c o u s t i c a l l yc o n t r o l l e dl a s e rd r i l l i n gs y s t e m f o rs p e c i a lp u r p o s ew a sd e v e l o p e di nc o m b i n a t i o no fc o m p u t e r o nt h eb a s i so f0 1 1 l i n ed e t e c t i o n o fa c o u s t i ct r a n s d u c e ra n dp r o c e s ss c h e d u l e ，t h i ss y s t e mc o n t r o l l e dt h ew o r k t a b l em o v e m e n ts o t h a tt h el a s e rf o c u sc a nb ep u to nas oc o r r e c tp o s i t i o n ，t h i sm e t h o dn l a k e sl a s e rd r i l l i n gp r o c e s s p r e c i s ea n dq u i c k l y t h em e t h o dh a sn o tr e p o r t e dy e t l o t so fe x p e r i m e n t ss h o w e dg o o dr e s u l t sa t d i a m o n dd r i l l i n gf o rw i r ed r a w i n gd i e s af u t u r ei m p r o v e m e n to ft h i sm e t h o dw a sp r o p o s e di nt h e e n do ft h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：a c o u s t i c a l l yc o n t r o l l e dl a s e rd r i l l i n g ；u l t r a s o n i cm o d u l a t i o n ；s o n i cs e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤童盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：瓠 签字日期a 唧年 学位论文版权使用授权书 6 只昔日 本学位论文作者完全了解苤叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位亲文作者签名：砥 签字嗍却年f 导师签名 签字日期： 融眵j 6 其如 赫彳瓣叶 第一章激光打孔技术概述 第一章激光打孔技术概述 1 1 激光打孔原理及特点 激光a n - r - 技术是涉及光学、机械学、声学、电学、计算机等多种学科的高新 技术。近几年来，它所囊括的激光切割、激光焊接、激光打标、激光微细a n i 、 激光热处理、激光毛化、激光熔覆、激光表面合金化、激光快速成型、激光雕刻、 激光打孔等技术已经在工业、军事、商业和医疗等领域得到了越来越广泛的应用， 发展十分迅速1 1 】。1 9 8 5 至u 1 9 9 5 年间，国外激光产业以1 0 的比例增长，1 9 9 8 年 销售额达n 9 7 0 亿马克，至t j 2 0 1 0 年世界光电子工业的产值将达至u 4 0 0 0 亿美元， 2 1 世纪被称为“光加工时代咀z 】。而在我国，据中国光电子工业协会统计，激光加 工产品的年销售额一直保持高速增长。如2 0 0 3 年比2 0 0 2 年增长了2 1 6 ，而2 0 0 4 年比2 0 0 3 年增长了1 8 。 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， 而传统的打孔方法已不能满足某些工艺需求。例如，在高熔点金属铜板上加工微 米量级小孔，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 米的小孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。这种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? l 贝j j 不难实现【3 1 。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打孔。在一般材料上开个小孔是很容易的事。但 是，如果要求在坚硬的材料上，比如在硬质合金上打0 1 毫米到几微米直径的小 孔，用机械a n i 手段怕是不容易办到，即使能够做，加工成本也会很高。现有的 机械加工技术在材料上打小孔是采用每分钟数万转或者几十万转的高速旋转小 钻头加工的，用这个办法一般也只能加工孔径大于0 2 5 毫米的小孔。在今天的 工业生产中往往是要求加工直径比这还小的孔。比如在电子工业生产中，多层 印刷电路板的生产，就要求在电路板上钻出千上万个直径约为0 1 0 3 毫米的小 孔【4 j 。显然，采用刚才说的钻头来加工，遇到的困难就比较大，精度很难保证， 加工成本也高。经过几十年的改进和发展，如今已经可以用激光在材料上打直径 很小的孔，而且加工质量好。小孔孔壁规整，没有什么毛刺。打孔速度又很快。 大约千分之一秒的时间就可以打出一个小孔。 激光在材料上a n t , j , 孔的原理很简单，做法也不复杂。激光的相干性很好， 通过光学系统可以把它聚焦成直径很微小的光点，这相当于用来钻孔的。微型钻 头”。其次，激光的亮度很高，在聚焦的焦点上的激光能量密度会很高，普通一 第一章激光打孔技术概述 台激光器输出的激光，产生的能量就可以高达1 0 9 焦耳，厘米2 ，足够可以让材料 发生熔化并气化，在材料上留下一个小孔，和用钻头钻出来的一样。怎样用好激 光。钻头”，激光科学工作者也做了许多研究工作。他们发现，用每秒发射许多个 光脉冲( 通常较高重复率激光脉冲) 作。钻头”，打出来的小孔质量比用单个脉冲， 或每秒时间内少数几个光脉冲打出来的更好。原理如下：在用每秒一个光脉冲或 少数几个脉冲打孔时，对每个脉冲的激光能量要求比较高，让材料能被加热至熔 化才能打出孔。但是，融熔了的材料没有办法充分气化，却把在它附近的材料加 热、气化，结果，被打出来的小孔在形状大小上就不那么规整。如果使用的是高 重复率激光器输出的光脉冲，这时每个激光脉冲平均的能量并不很高，但光脉冲 的宽度窄，峰值功率却不低。于是每个激光脉冲在材料上产生的融熔体不多，主 要是发生气化。由于小孔附近的材料加热时融熔体很少，因而也就不出现在用单 脉冲打孔时出现的情况。打出来的小孔形状和大小就规整的多了。 要求打出的小孔质量高，还需要注意激光焦点位置的选择。焦点位置选择原 则如下：对于比较厚的材料，激光束焦点位置应位于工件的内部，如果材料比较 薄，激光束焦点需放在工件表面的地方。这样可以让打出来的小孔上下大小基本 上一致，不出现“桶状”的小孔。 用激光在材料上钻孔，钻出的小孔质量不仅非常好，尤其在大量加工同样的 小孔时，还能保证多个小孔的尺寸形状一致，而且钻孔速度快，生产效率高。所 以，除在电子工业生产中用激光打孔外，其他许多工业生产部门都在采用，比如 香烟过滤嘴上的小孔，喷雾器阀门上的小孔，也在采用激光加工。喷雾器罐和瓶 子颈部有一个用来控制压缩物质( 比如除臭剂，油料或者其他液体) 流量的阀门。 阀门小孔直径为1 0 微米n 4 0 微米，采用传统方法极难实现，用激光来加工，质 量可以保证，每个小时可打4 万个小孔。激光打孔主要用于材料钢、铍、钨、钼、 钽、镁、铜、锌、铝、不锈钢、耐热合金、镍基硬质合金、钛金、白金、普通硬 质合金磁性材料和陶瓷基片、人工宝石、金刚石模、陶瓷、橡胶、塑料、玻璃等 材料。 和其他打孔方法比起来，激光打孔受到很多因素的影响，因此其分类方法也 很多。一般打孔的原理分为复制法和轮廓迂回法；根据激光运转方式不同可以分 为连续激光打孔、自由振荡脉冲激光打孔、调q 激光打孔和超短脉冲激光打孔； 根据激光波长可以分为紫外激光打孔( 如准分子激光器) 、可见及近红外激光打 孔( 如红宝石、n d ：y a g 激光器) 、远红外激光打孔( 如c 0 2 激光器) ；根据材 料不同可以分为金属、陶瓷、玻璃和有机物打孔等；根据孔的类型分为盲孔、通 孔和异形孔等。下面仅就复制法和轮廓迂回法作简单介绍。 复制法是指成形面以一定的精度再现光束形状的打孔方法。激光束以一定 2 第亭激光打孔技术概述 的形状及精度重复照射到工件固定的一点上在利辐射传播方向垂直的方向上 没有光束和工件的相对位移。复佑0 法包括单脉冲和多脉冲，如图1 1 所示阿。 s i n g l ep u i s e d er c u s s i o n 图1 1 复制沾 目前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，面不j ：被材料表面吸收同。激光束的形状可通过光学系统获得。如在蒙 焦光束中或在透镜前方放置一个所需形状的光栏，u 可以打山异形孔。 轮廓迂回法指加工表面的形状由光线和被加工零件相对位移的轨迹所决定 的打孔方法j ，如图1 - 2 所示。 t r e p a n n i n gh e l i c a ld r i l l i n g 皤 裹y 髫 圈1 之轮j l ；辽嗣泣 加工表面形状由激光柬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。用脉冲方式叫，由 于孔以一定的位移量连续的彼此选加从而形成一个连续的轮廓。采用轮廓加工 第一章激光打孔技术概述 可把孔扩大成具有任意形状的横截面。 激光打孔技术与机械钻孔、电火花j n t 等常用打孔手段相比，具有显著的优 点：( 1 ) 打孔速度快，效率高，经济效益好。( 2 ) 可获得大的深径比。 ( 3 ) 可在硬、脆、软等各种材料上进行。( 4 ) 无工具损耗。( 5 ) 适合于数量多、 高密度的群孔加工。( 6 ) 可在难以加工的材料倾斜面上加工小孔。 激光打孔具有很多的优点，但是同样还存在一些不足：打孔工艺参数比较多， 精度不容易保证，重复精度差。 各种材料对激光参数要求不一，理论计算与实际情况有较大误差，对新材料 的打孔，需要通过实验方法确定最佳参数。 1 2 激光打孔系统 典型的激光打孔系统包括：激光器，观测与定位系统，控制系统，光学传输 系统，精密机床和制冷器等。 1 2 1 激光打孔用激光器 激光器是激光打孔设备的核心组成部分，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光能。在激光打孔行业里常用的是气体激光器和固 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y a g 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，可以被 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) 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1 0 0 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。 n d ：y a g 晶体的优点是阈值低，导热性好，热负荷及机械负荷均很高，可以 制作成高重复频率或者连续输出的器件，是目前工业上最常用的固体激光器，其 1 0 6 4 n m 波长的激光输出是c 0 2 激光器的1 0 6 0 0 n m 波长的1 1 1 0 ，对金属的力n - r - 更 为有效，另外它的光传输系统除用传统的反射镜外，也可采用光纤，传输灵活方 便，其调q 或调制器件的配套也很容易，因此n d ：y a g 激光器是目前最常用的打 孔激光器。但对于大能量的n d ：y a g 激光器，因热效应的缘故存在光束质量及稳 定性差的缺点。 第一章激光打孔技术概述 近年来半导体泵浦的固体激光器，以其高效率，长寿命，光束质量好的特点， 随着制造成本的降低，逐渐被激光打孔所采用。另外最新发展的光纤激光器，具 有更高的电光转换效率，与固体激光器相当的波长，很好的光束质量，以及寿命 长等优点，对传统n d ：y a g 激光器也是很大的挑战。在微电子领域，发射紫外光 的准分子激光器打孔也有少量应用。 1 2 2 激光打孑l 用机床 激光打孔用机床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x 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闱内群孔的 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3 6 0 度的旋转，我们定义它为a 轴，x y 平面在z 方向上的0 9 0 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。 目前市场上用于激光加工的激光器- 丰要有c 0 2 和y a g 两种，由于激光打孔主 要针对的是金属产品加工，因此可采用输出波长能被金属很好吸收的这些激光 器，此# f c 0 2 和y a g 激光器还有效率高、质量好、功率范围大、运行费用低等优 点，十分适合于金属的加工。 1 2 3 光学系统 一台激光打孔设备的光学系统，除了激光谐振腔和激光束参数变换系统外， 还包括对被加工零件的显微观测与激光瞄准定位装置，以保证打孔位置的精确， 并检测打孔情况。它们并不改变激光束的参量，对加工只起辅助作用。 图1 3 是一台精密激光打孔系统的光学原理图。激光束只通过一次转折便进 行聚焦打孔，可以减少激光能量的损失及通过反射镜时光束的可能畸变。观察瞄 准望远镜是通过插入一块转向棱镜与激光束联系起来的。为保证观察者的眼睛不 受到激光的伤害，观察和打孔通过控制光闸或控制激光器电源交替进行。为了在 打孔的同时观察孔的成形情况，也可以用c c d 成像元件代替人眼，通过显示器 观察并实时调整设备的工作状态，彻底避免人眼可能受到的误伤害。 第一章激光打孔技术概述 图1 3 激光打孔光学系统原理图 为便于观察，还需要辅助的照明系 统，照明分垂直反射式的明、暗视场照 明及透射式照明。反射式照明用于定位 瞄准及观察孔的上表面。采用暗视场照 明可增强用双目显微镜观察孔进口部 分的立体感。透射式照明用于观察打孔 的贯通情况，应用精密工作台的螺旋测 微装置也可以直接测出通孔的孔径。 聚焦工作物镜是激光打孔机必不 可少的部分。较大能量的打孔机，往往 采用单片镜。因为胶合起来的复合透 镜，虽然消象差比较理想，但是粘合剂 承受不了高强度激光束的照射，易损坏。小能量的打孔机可选用胶合的复合透镜， 比如李斯特型复合透镜。如果能采用无粘合剂的空气分离式的复合透镜则更好， 例如可以用薄纸垫圈将复合透镜各镜片沿周边隔开，中间保证光通过，然后以机 械的方式保证它们的“胶合”要求。 1 2 4 打孔控制系统 激光打孔设备的控制系统往往由普通数控机床的控制系统来承担，控制系统 除控制机床外，还要控制激光器的状态，如激光电源充电，激光发射，激光器温 度控制等。对于使用人眼观测的显微系统，往往采用光闸来确保激光被彻底关断， 因此控制系统还要处理光闸的开关。此外对于流水线作业系统，控制系统还要保 证正确的工件输送。 由于使用了成熟的数控机床控制系统，激光设备的控制可靠性和稳定性有了 很大的提高，完全可以满足要求严格的生产流水线作业。随着网络化加工技术的 发展，激光加工也将呈现出分布式、多机协作，和异地联动的新趋势。这对于控 制任务较重的激光打孔的控制系统提出了新的挑战嗍。 1 3 激光打孑l 技术发展趋势 近年来，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，其他参数也越来越朝着有利于 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 6 第帚激光引孔拄术概进 范同不断扩大。h 前国内已形成两品的激光打孔机有许多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。这表明中国的激光打孔 技术正朝蔚产业化方向发展。 激光打孔技术已成为现代制造领域的关键技术之一，目前，工业发达国家已 将激光打孔技术大规模地麻用到航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。 已将激光深微孔技术大规模地应用到飞机制造业食品加工业，医药制造业等行 业，激光打孔朝着多样化高速度，孔径更微小的方向发展。 国内爿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挝丝模 的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多屠印刷线路板等行业的牛产叶 。 1 4 前，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。例如在飞机机 翼上打上5 万个直径为00 6 4 毫米的小孔可以大大减小气流对飞机的阻力，取得 节油4 0 的效果。展近，3 d ( 三维) 孔的研究比较热门的，因为3 d 孔的制冷效 果 比传统散粜好很多。3 d 孔让制冷气体本身在整个叶片上面形成均一的薄膜。这 样能够得到发动机效率的1 改善，不j 立1 等于是1 0 0 。c 的温度差口】。最近，日 本丰桥技术科学大学成功完成了品体玻璃三维激光 t t ：j l 实验此技术可用于实现 只对加工孔的尖端部进 亍加工的三维打孔技术。由于所处位置的不同3 d 孔的 外形和k 寸需要设计成不同的参数，图1 - 4 是其中两种3 d 孔的外形图。 1 围1 4 不问3 0 孔的外j 口圈 14 激光打孔技术的发展现状 激光打孔机h 前具有多种机型种类可分为在线式和离线式。在线式对设备乖【 技术的要求较高要求产品的批量也较大，国外许多企业大多是使用在线式激光 打孔设备，至于在国内则基本上是采用离线式打孔设备。 第章激光打孔技术概述 目前国外的著名厂商及产品有德国的m l t 公司m l t l 0 单盘和m l t 5 0 多盘激 光打孔机【1o 】收卷最大速度能达到6 0 0 7 0 0 m ，m i n 。德国g o e b e l 公司的激光打孔 机【”】和r o f i n 公司的p e r f o l l a s 激光打孔机【馏。国内开发水松纸激光打孔机设 备的企业主要有华工激光开发的h g l t 1 0 0 2 型双盘水松纸激光打孔机，中星日 股份有限公司开发的在线式单盘和离线式可打1 4 盘的水松纸激光打孔机，上海 瑞杰电子的c r qa 2 0 0 0 激光打孔机，南京瑞驰电子技术实业有限公司的j k 2 5 0 p s 在线激光打孔机和金石凯g s d 1 0 0 p 离线式和g s d l 9 0 在线式激光打孔机【1 3 l 等。 生产单位大多是大专院校或科研院所，其中也有专门经营制造激光设备的公司。 激光器的输出功率最大的为5 0 0w - 2 0 0 0w ，一般都在几十瓦至2 0 0 瓦范围内， 脉冲重复频率一般在5 0 h z 以内。工作台一般为三维。在电子元器件生产中广泛 用于陶瓷基片和印制电路板的打孔。例如c o h e r e n tl a s e r 公司的c 0 2 打孔机【1 4 1 。 可在陶瓷基片上打直径小于0 2 m m 的孔，生产速率达5 0 0 10 0 0 个孔，s ；用四倍频 n d y a g 激光器可在聚氟类塑料基片上高速打出0 0 2 5 毫米的孔。2 6 6 微米波长 激光对孔周边材料的热影响比长波长的小得多。 虽然激光打孔是最早应用的激光加工技术之一，但是对于一些难以加工的材 料，一些关键的问题到目前为止还没圆满地解决，尤其是激光打孔当中光束焦点 位置的控制。理想的焦点控制系统应该有足够的空问分别率，并且工作当中保证 系统的实时性。最近焦点的光学控制系统【1 5 】得到人们的关注，这种系统采用在被 打孔的零件在激光照射下产生的光波来控制光束焦点。目前，国内激光打孔机都 有一定程度的发展，自动化程度也提高了不少，但一个在线监控打孔过程的激光 打孔数控系统尚属国内空白。 1 5 本论文研究的主要目标 本论文研究的主要目标是开发出可以对工业材料上自动进行有效打孔的在 线激光打孔系统。该系统采用氙灯泵浦n d ：y a g 激光器作为光源，利用高频超 声波调制技术、声波传感器在线监控技术实现对材料自动打孔，同时在系统软硬 件的开发以及控制技术方面，力求能够满足现场打孔时遇到的多方面的要求。为 了实现这些目标而确定了如下的研究内容： 1 通过对激光打孔时激光与物质相互作用机理的研究与分析，提出了对激 光束的要求和焦点在线控制方案。 2 采用p l x 公司提供的a p i 中包含的激光打孔系统需要的函数，在d d k 平台上实现w i n d o w sx p 操作系统下开发驱动程序和调用驱动程序a p i 函数的 动态链接库。 第一章激光打孔技术概述 3 研发由电压幅度控制电源、正弦波发生器、换能器组成的超声波振荡器， 而且和n d ：y a g 激光器结合起来，研制作为打孔光源的超声波调制激光器，该 激光器应适应生产现场的实际需求，可长时间连续运行和打孔效果稳定的特点。 4 研制一项自主知识产权的声波传感器在线监控激光打孔技术，该系统采 用声波传感器可以实时监测打孔过程，并按照打孔工艺的要求，实时控制整个打 孔过程。 9 第二章激光打孔技术理论 第二章激光打孔技术理论 激光是一种特定介质( 如红宝石、钇铝石榴石或c 0 2 ) 在电、光或者其他能 波的激发下反复振荡、放大后射出的一束光子流。这束光子流波长单一( 单色性 好) ，发散角小( 方向性好) ，具有相干、高能、高亮度等特性，经聚焦后可达到 很高的功率密度( 1 0 6 1 0 1 2 w c m 2 ) ，用它做热能源，对材料或者零件可以进行 高效率、高精度的加工。因此，在激光加工过程中，激光光束特性，材料对激光 的吸收作用和导热性等对加工过程有很大影响【。 2 1 激光与物质相互作用的物理基础 激光与物质的相互作用机理是激光加工的物理基础。因为激光首先要被材料 吸收并转化为热能，才能用不同功率密度或能量密度对其进行加工。当激光作用 到被加工材料上，光波的电磁场与材料即会产生相互作用，这一相互作用过程主 要与激光的功率密度、激光的作用时间、材料的密度、材料的熔点、材料的相变 温度、激光的波长和材料表面对该波长激光的吸收率、导热率等有关【1 7 】。 2 1 1 激光与物质相互作用物理过程 高功率激光光束 作用于物体表面时， 物体表面将吸收大量 的激光能量，引起温 度升高、熔化、气化 和喷溅等现象【1 8 1 。具 体过程依赖于激光参 业些避尊 a ) b )c)d) 图2 1 材料在激光作用下的不同状态 数( 能量、波长及脉宽等) 、材料特征和环境条件。当激光的作用时间较短，功 率密度较低，为10 3 10 4 w c m z 时，大部分入射光被吸收，材料温度逐渐升高， 这种情况下，一般只能加热材料，不能熔化和气化材料，如图2 - 1 a ) 所示；当激 光的功率密度升高到1 0 4 - - - 1 0 5 w c m z 时，温度达到材料的熔点，材料开始熔化， 形成熔池，如图2 1 b ) 所示；当激光的功率密度升高到达1 0 6 1 0 8 w c m z 时，达 到材料的气化点，材料开始气化和蒸发，形成等离子体，如图2 - l c ) 所示；再进 一步提高激光功率密度到10 8 w c m z 以上，并加长辐射时间，此时材料表面强烈 气化，形成较高电离度的等离子体，一方面它阻碍了激光对材料的辐射，另一方 l o 第二章激光打孔技术理论 面在较大的气化碰撞压力下，材料表面生成小孔，增强了材料对激光的吸收，如 图2 1 d ) 所示【2 3 】。以上四个阶段即为激光同物质相互作用的物理过程，从中可以 看出对相同物质而言，激光的功率密度和作用时间是影响作用效果的两个极其重 要的因素。 2 1 2 物质对激光的吸收及其影响因素 激光照射到材料表面上时，由于光波的电磁场与物质的相互作用，将产生反 射、折射和吸收，这一过程应当满足能量守恒定律，即： r + 彳+ t = l ( 2 - 1 ) 式中，r 为材料的反射率，彳为材料的吸收率，r 为材料的透射率。当激光 沿x 方向传播，照射到材料上被吸收后，其强度满足关系式： ，= f o e 柏 ( 2 - 2 ) 式中，i 为激光被材料吸收后的强度，i o 为入射光强度，此式称为布格尔定律。 由此可见，激光在材料内部传播时，强度按指数规律衰减，其衰减程度由材料的 吸收率尺决定，即物质同激光的相互作用主要取决于材料对该种波长激光的吸收 率的大小【2 3 1 。， 材料对激光的吸收率除了取决于材料的种类外，还与激光波长有关。r 及a 的值可由材料复数折射率的测量值进行计算。材料的复数折射率为： 甩= + i t ( 2 - 3 ) 其中p 为复数折射率的实部，即通常所说的媒质的折射率，而虚部r 1 为消光 系数。根据菲涅尔公式【2 4 1 ，当激光垂直入射到平板材料时，激光的反射率尺为： r ：l 霉i z ：婆巢乓( 2 - 4 ) 胛+ l 。 ( + 1 ) 2 + 7 2 对于不透明材料，材料的透射率t = 0 ，则有a = l - r ，从而： 肚尚( 2 - 5 ) 材料的吸收率4 也可由下式给出： 爿：挈 ( 2 6 ) 式中，n 为消光系数，人为入射光波长。 当激光斜射至平板材料时，垂直于入射面的s 分量的反射率尺，为： 第二章激光打孔技术理论 r = c 篙c o s 糍c o s ，2 玎，戗+ 刀，乩 平行于入射面的p 分量的反射率r p 为： 耻c 嚣糍，2 式中，n 1 和n 2 分别为两媒质的折射率， 岛= 岛= 0 时，光线垂直入射，此时： 驴耻掰 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) e 1 和e 2 分别为入射角和折射角。当 ( 2 - 9 ) 由上可以看出，材料的吸收率尺主要与激光作用波长、材料温度、入射光偏 振态、激光入射角和材料表面状况有关。首先，由式( 2 6 ) 可知，吸收率是波长 的函数，随波长的变化而变化，一般情况下，照射光的波长越短，吸收率越大。 其次，当温度变化时，材料对激光的吸收率也随之变化：温度升高，材料的吸收 增大。激光功率越大，使材料的温度上升得越高，则材料的吸收率也越大。此外， 若入射的激光为垂直于入射面的线偏振光，反射率尺随入射角增大而增大，而吸 收率彳随入射角的增大而减小；若入射激光为平行于入射面的线偏振光，则反射 率尺随入射角的增大而减小，吸收率随入射角的增大而增大【1 ”。并且，一般情况 下，材料的表面越粗糙，反射率越低，材料对光的吸收率越大，而且在激光加工 过程中，由于激光对材料的加热，存在表面氧化和污染，材料对光的吸收将进一 步扩大。 2 1 3 不同材料对激光的吸收 不同的材料对不同波长的激光表现为不同的吸收率，下面就分别探讨金属和 非金属对激光吸收的不同。 1 金属对激光的吸收 金属为导电媒质，内部有很多未被束缚的电子，当激光照射在金属表面上， 这些电子受到电磁波的强迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波和较 弱的透射波，透射波部分在很薄的金属表层被吸收。对于大多数金属而言，在可 见光和红外波段范围内都有很高的反射率，可达7 8 - - 9 8 ，而在紫外波段吸 收率较高。由于反射率和吸收率均随波长变化，因此在激光加工过程中，为了有 效地利用激光能量，应当根据不同的材料选用不同波段的激光。表2 1 为室温下 几种金属对特定波长激光的吸收率【z 3 】。 1 2 第= 章激光打孔技术理论 表2 1 室温下几种金属对特定波长的激光的吸收率 激光器氩离子红宝石蹈g c 0 2 波长5 1 4 5 n m6 9 4 3 n m 1 0 6 1 j m1 0 6 p m 铝 0 0 9 0 1 10 0 8o 0 1 9 铜0 5 60 1 70 1 0o 0 1 5 金 0 5 8 o 0 70 0 1 7 铁0 6 80 6 4 0 3 50 0 3 5 2 非金属对激光的吸收 非金属与金属不同，它对激光的反射率比较低，而吸收率比较高，同时非 金属的结构特征也决定了它对激光波长具有强烈的选择性。非金属材料的导热性 很小，在激光作用下，不是依靠自由电子加热。长波长( 低频率) 的激光照射时， 激光能量可以直接被材料晶格吸收而使热振荡加强。短波长( 高频率) 的激光照 射时，激光光子能量高，激励原子壳层上的电子，通过碰撞传播到晶格上，使激 光能量转化为热能被吸收【1 6 l 。 2 2 激光打孔的准稳定蒸发模型 2 2 1 激光打孔阶段 由前面的研究可知，激光作用于材 料表面，根据其波长以及材料物质的不 同，在被j 口- r 处会产生不同的变化，通 过控制激光功率的大小以及作用时问 长短，即可完成所需要的加工效果。 激光打孔是一系列复杂物理现象 的综合，很难建立精确的物理模型。对 不同的打孔材料，用不同的激光脉宽、 波形和能量打孔，所表现出的物理现象 大不相同。因此建立的激光打孔的物理 模型也只是针对某一种情况适用。目前 l2 移、f 钐；形矿万笏歹 3 456 缈磐蓼 图2 2 材料在激光作用下的不同状态 被广泛引用的是针对中等功率密度( 1 0 6 - , 1 0 8 w c m 2 ) 激光( 一般采用自由振荡 激光器) 对强吸收材料( 如金属，铁氧体等) 打圆柱孔的“准稳定破坏”模型1 9 2 0 1 。 对于使用中等功率密度激光对非透明材料的打孔，可以分为三个阶段：起始 第二章激光打孔技术理论 段，准稳定破坏段和收尾段( 见图2 2 ) 。下面以金属材料为例描述。 在打孔的起始段，由于材料表面对激光的反射损耗，加热比较缓慢。热向金 属材料内部传导，造成较大区域的温升；金属材料的相变以熔化为主，并伴随蒸 发，形成凹坑；随着激光振荡脉冲的不断注入，界面温度不断上升，凹坑不论深 度和直径而言都在不断变大；但从某一瞬间起，凹坑的形状便保持不变( 孔深和 孔径呈线性关系增长) ，同时，气流中液体与蒸气的比例以及物质的单位排出量 ( 单位激光能量下排出的质量) 趋于恒定，此时进入准稳定破坏过程，孔的基本 轮廓在准稳定破坏过程中形成；随着激光脉冲尾部的到来，进入打孔的收尾段， 激光能量的下降，界面温度降低，气化和熔化迅速趋于结束，形