（光学专业论文）高质量激光打孔技术研究.pdf

摘鞭 摘要 激光拇孑l 是爨藤夸孔加工中不可缺少两旦巍鼹广泛斡激光加工方法之一。 近年来，随蒋对微孔加工质量簧求的提高，传统的徽孔加工方法已不熊满足微孔 加工深径比疆求。而激光加工可以满足许多加工的特殊要求，因此它已成为小孔 加工中最为入们新重视的加工方法。由予脉冲激竞打孔其有效率高、成本低及综 合技术经济效益显著镣优点，因此已被广泛应用于航空航天等工业上。 本文蓉先分析了激光努魏_ i 薹程孛激必与耪瓣豹攘互簿麓，重点舟绥了金霾 与激光作用的机理，以及各种激光打孔方式的特点。并在理论分析的熬础上以 及针对激竞抒藐孛窭瑷戆再铸艨露缴裂绞等淹题，慕惩磅裁戆其毒镯翩磅麓静 商功率高光束质量的激光器，= i 藏行了激光打孔的实验研究。这台激光器所达到 的参数为：输出功率达裂5 0 0 轷；激光熊璧不稳定度： 然；激光鲍发散兔； 3 5 l i l r a d 。采用两种激光打孔方法旋切打孔的方式和冲击打孔的方式，针对 遮两种方滋研制了一种新型的激光打孔装罴，并通过理论分椽了冲击打孑l 稆旋 切打孔方法的特点。 本论文首先介绍了采用不同的激光参数在研制的激光打孔装甓上对低碳 钢鞠高温舍鑫迸雩亍了激光封孔工艺豹研究，对激光参数戳及辅韵气体在汀孔静 影响进行了分析，并采用自由脉冲进行了旋切打孔的研究，通过分析得出旋切 簿藐霹戬缮到小锥凄、再筵瑟少戆魏。然爱进霉亍裹蜂蓬调麓赫渖洚击抒魏豹磷 究，得出调制脉冲打孑l 的优越特性。并研究了调制脉冲在激光阈值附= i 压的微孔 嬲互，实验褥崮采用遽耱方法焉黻霉到巍震量数徽小魏。最终褥出：东王l 孛上 打大孔径的孔时，采用旋切事丁礼的方法可以得到了圆度高、锥度小的孑l 质量。 打微小孔时，采用激光闺值附避的打孔，可以褥到窝质量的微孔。 关键词：激光打孔； 旋切打孔：冲击打孑l ：高温合金；低碳钢 北东工业大学理学颂学袋论文 a b s t r a c t 王盘s e r 艇l l i 娃g so n eo fl h e 糙o s ti r n p 摧觚袅箍dw i d e - u s e dl 矬氇o do f 也er e c e n t l a s 嚣即艚s s i n 罄k 瞧ef e c ty e 矗| 嚣，谢氇谯e 赫辩o f 氆em 主c f o 孙kp f o c 嚣s s 弧g 堪u 烈i t y ，鑫l lk i n 出o f 枉碰t 至。嫩lm i e 羲o l ep s s i 珏g 臻站t 的硅髓藏tm 锭t 氆en o e d 舞也e d e p 如d i a m e t e rr a t i o a sl a s 娌蹦l l n gc a 矬如娃，i l 主s 搬f e a d y 氆e m o s 专a 撬e n 圭主v o p f o c e s s i n gm e l h o d 。t h i sp a p 黻i n 蜘d u c e sa l lk i n d so fd f i l l i n g 醴，a d v 氇| 妇瓣鳓d d i s a d v 黼t a g c ，也e 乳l p e 蛀o r i 每o f 幽el 矗s e f 越l l 纽ga n d 也el a s 嚣rd r i l l 弧gs y s t e 搬， b e c a u s ep u l s el a s e r 掘l h n gh a v el l i 醵e 燃c i e n t ，l o wc o s t ，h 诎s y 妇t 主e a lo c o n o m i e ， m e r e f o r ci t h a sb e c na p p l i e do nm ea v i 越o na n ds p a c e f l i g h t si n d u s 妊y ，a n ds oo n 。 t h i sp a p e rf i r s t l ye x p l a i n sn mi n t e r w t i o nm a c h a n i s mo fl a s e ra n dm a t e r i a l ， l a y sg r e a te m p h a s i so nm ei n t e r a c t i o nr e g i l l a rp a _ t t c mo ft 1 1 em e t a la 1 1 dl a s e r ，a 1 1 d i m r o d u c e ss e v e r a lo fd f i l l i i l gm e 吐i o d s 订a i t s b 嬲e do nc e 删nm e o r e t i c a la n a l y s i sa l 诅 t o w a r dt h i c kr e c a s tl a y e r sa n df l a w p r o b l e mi ni a s e rd r i l l i n g ，a d o p t i n g h 鼬p o w c r a i l dh i 曲q u 姐t i t yl a s e rc a l 吖e x p e r i m e n t a ir e s e a r c h t h i sl a s e rp o s sc h a 删m r i s t i c ： t h eo u t p u tp o w e ra t t a i n s5 0 0 w ；l a s e re n e 唱y 协s 衄b i l i t y1 e s st h a n2 ；l a s e r r a d i a t i o na 1 1 9 l e ：a b o u t3 5 m r a d d e s i g nas o r to fn e w - s t y l el a s e rc i 眦i n gh e a d ，u s i n g t h i se q u i p m e mc a l lc a r r yo m 仃e p 蛳n ga n dp e r c u s s i o n 赫l l i n gp r o c e s s i n g t h i sp a p c rf i r s h yi n 似) d u c e dt l l el a s c rp r o c e s s i go n 撕g h - t 廿n p e r a t l l r ea l l o ya n d s o 矗s t e e io fd i f r e r e n t1 铺e rp a r a m e t e r s ，a n ds t u d i e dt l l ee 丘b c to f1 继e rp a r a m e t e r sa n d a s s i s t a n tg a st h r o u 醇t 圭l ee x p c r i m e n t a n dm e 仃e p 籼i n go f n o - m o d u l 鲥o np u l s ew a s in t l 嫩l u c o d ，o b t a i n e d 憧掉l i 罐et a p e r 髓df e wr e c a s t 下h e ni n 甜o d u c c dl a s e rd r i l l i n go f t h e h i 参p e 盛p u l s e ，南啪d 畦l ea d v a n t a g eo fm o 翻l 砬o n a n ds m d i e d 也el a s e r 黼l l i n go f 珏e a f b y 像el a s te n e 毽yt h 辖s h o 过a e c o d 弛gt oe x p 蹦m e n tf o u l l d 谯a tt r 印a 堇1 1 1 i n gc a 置l 曲t a i nt 糙酗| e so fl i 罐et a p e r ，赫痨r o u n d n e s s ，毽s i n gl a s e r 蕊l l i n go fn e a f b y 畦l el a s t e n e r g y 瞧e s h o l dg a i n e d 畦l eh o l e so f 赫馥q 妣l 晦 i 莲yw o r d s ：l a s e r 越l l i 娃g ，h e l i c a l 赫l l i n 鬈，瓣鹊蠡蕊l l i 珏g ，毯隆重e 撼蹿豫辩 搬o y ，s o 建蜘e l l l 独创性声明 本人声明耩呈交的论文是我个人在导烬指导下进行的磷究工佟及取褥的硬 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标往和致谢的地方外，论文中不瓴含其他 久已经发表或撰写过豹研究成粟，也不包含为获褥北京_ 工盈大学或其它教育机构 的学位或涯书面使用过的材料：与我一同工l 乍救同志对零磺究矮镦麴任侮贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：宰凤兰 日期：卫即， 关于论文使用授权的说明 本人完全了艇北焱工炊大学骞关保磐、使展学经谂文黪娥定，靼：学校鸯粳 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保襻论文。 ( 傈密的论文在解密稀应遵守此规定) 签名：莘凰兰 嚣拜签名；罄期：互 扩西石 第一章绪论 第一章绪论 11 概述 近年来，随着科学技术的迅速发展，传统的加工方法已不能满足需要。例如 在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径的微孔；在坚硬的碳化钨台金上加工直径 为几十微米的小孔：在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等，用常 规的机械加工方法是不可能的。 激光束是在空问和时间上高度集中的光子流束。应用光学聚焦技术可把它汇 聚在微米量级的极小范围内，从而可获得1 0 5 1 0 ”2 极高的光照功率密度。 这是其它任何光源所不能及的。在如此高的光功率密度照射下，几乎可对任何材 料实行激光打孔。激光打孔具有不需要加工工具、加工速度快、表面变形小、可 以加工各种材料等显著的优越性，所以在工程领域受到广泛的重视。随着微机电 系统( m e m s ) 的不断发展，人们对微细孔加工技术的要求越来越高。激光在材料 的微细加工上有着传统加工和其它特种加工不可比拟的优势，激光打孔的热作用 区小，加工精度较高，具有广泛的通用性因此激光微细孔加工在航空航天工程 专业中被广泛用于航空涡轮叶片、喷嘴等零件的微孔加工。陶瓷、复合材料等脆 硬材料的切害i 与打孔是目前重点研究方向之一。【1 1 2 l 激光打孔的过程中，受多种参数以及打孔方式的限制，包括激光参数、材料 参数、周围的环境、打孔方式等。加工的过程非常复杂。因此在激光加工的研究 方面，除需要进行深入的理论研究之外，还需要进行大量的工艺性实验研究，从 而掌握激光加工的规律。 1 2 激光打孔的优点 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领域之 一。早在6 0 年代就用激光在钻石上打孔，随着激光技术的发展，激光打孔能力 的不断提高，成为改造传统加工的一种有效手段0 1 。随着近代工业和科学技术的 的不断提高，成为改造传统加工的一种有效手段o 。随着近代工业和科学技术的 j e 京工监大学毽学硕士学位论文 迅速发展，是用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足 某些工慧耍求。激光束在空阅和时闻上商度集中，利髑透镜聚焦，可以将光斑直 径缩小翔微米级扶焉获褥i o5 一l o ”扩您掰2 豹激光凌攀密度。如魏离鹣葫率密度 几乎可对任何材料实行激光打孔。与其宅方法如机械锚孔、电火花加工镩常规打 孔手段相比，激光打孔舆有很大的优势：h 那 ( i ) 激光努孑l 速度抉，效率离，经济效薤努。由于激强露藐是到耀麓攀密度为 l o7 1 0 9 册2 2 的高能激光束对材料避行璐时作用，俸用时闯只有l o 一一l o 5 ， 因此激光打孔速度非常快。将高效能激光与高精度的机床及控制系统配合，通过 为处理机进行程控，可以实现赢效率打孑l 。在不同的工传上激光打孔与溆火花打 孔、税械链孑l 稳魏，效率提裹1 0 一l 嵇。 ( 2 ) 激光打孔可获得大的深径比。在小孔加工中，深径比是衡量小孑l 加工难度 的一个煎要指标。对于用激光束打孔来说，激光束参数较其它打孔方法更便于优 纯，爨娃霹获褥眈毫火楚、规援蠢魏大瓣多深径魄。 ( 3 ) 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。嵩熊量激光束封孔不受材料 的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制。它既适于众属材料，也适于一般难 以加工的非金属材料。 4 ) 激光打孑l 无工其羧裁。激走努我为无接簸麓工，避免了瓿壤键努徽魏霄荔 断钻头的问题。 ( 5 ) 激光打孔适合于数凝多、高密度的群孔加工。由于激光打孔机可以和自动 控制系绫及徽机配合，窳瑷光、极、电体豫，使褥激光打孑l 过程准确炙诿静重 复戒予上万次。结合激光打孔孔径枣、深径毙大豹特意，通过程序控涮可以连续、 高效的制作出小孔径、数最大、密度高的群孔板。 ( 6 ) 用激光w 在难加工材料倾斜面上加正小孔。对于枫械打孔和电火花打孔这 类接魁抒藐来说，在簇籀疆上特裂楚大燕瘦顿麟瑟上努，l 、藐是极其嚣罐瓣。颓籍 面上的小孔加工的主要问题是钻头入锚嗣难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切 削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。如果为高强度、高 硬度材料灯魏几乎是不弼熊的，激光却特舅适合于热工与工馋表耍呈8 。一9 0 。 角豹，j 、孔，即使是在难糖王耪辩上打斜飘也不餐井。 ( 7 ) 激光可以对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。 一2 一 第一章绪论 另箨，凌手激光移魏过程等工捧不接熬，困魏鞠工蹬来静王 串清洁，没污染。 因为这种打孔是一种蒸发型的j b 接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孑l 和机械 穷魏嫠来熬黢渣，嚣蠢卡分翌蘩。悉盈激毙热工露勰短，对被艇工鹃枣芎拳毒氧化、 变形、热影响区均较小，不需要特别保护。下表1 1 列出了传统打孔与激光打孔 的忧缺点。 表卜l 激光打孔与传统打孔的比较凋 豁孑l 类型打孔妻径舞魏速度轲魏耱瓣打毳浮我深琵 度 激毙葑魏 强 莰蠢警饪蹇耪j l s 2 e 辍蕊2 0 0 机械打孔 3 0 u 皿 慢非硬材料3 5 渖压订孔3 0 3 0 0 u 推快嚣延震性孝考糕低 化学腐蚀小慢酸或碱对_ 暾商 不同的材料 电化学法 4 0 0 u mo 0 1 2 o 1 8 导电材料离 i i l m 8 e c 电火花 4 0 0 u m 薄材料 电子束 5 0 咄l 快要求真空 2 m ml o t a b l e l 1t h ec o m p a r i s o nf o r mo fl a s e rd r i l l i n ga n dt r a d i t i o nd r i l l i n g 从上表l l 霹以看出，激光打季0 与其它方法稠魄其蠢显萋懿俊势，矮以激光蠢藐 以其良好的性能越来越得到广溅的应用。 1 3 激光打孑乙存在的问题 激光苇鞋糖料终用驰物理过襁是+ 分复杂戆，其蹶因和材料躲多样像、激光参 数的多样化、激光打孔方式的选择、作用条件的多样化相关。掇然激光打孔效率 麓，但由于激光加工属热加工范畴，在加工表亟残整物在凝弱时，不仅改变了冶 盒状态，还余产生微裂纹。眠3 如下圈l _ 2 所示。 j e 索工监大学理学硕士学位论文 图1 2 激光打孔剖面的再铐屡和微裂纹 f i g 1 丘t b ep f i l eo f i a s e rd r i l l i n g 无论是一个脉冲还是几个默冲打张，最终围绕秘壁残窝抟熔融物耋新凝嗣， 形成再铸层，而且存在打出的魏为撩贼形且轴割霆为锻形，以及尺寸糟度及保持 性不稳定等问题。对于不同的材料，存在的闯题森所不鄹【8 ”。一些研究表明， 通过改变工件的表丽状况可褥到基本一致的表硬反射状提，提毫激光坷孔的重复 稳定性。现在大部分的实验研究都围绕在提高激光打孔的质量，涉及到的问题有 再铸层、毛刺、微裂纹等m 。”。k a l i l a l u 和b y r d 应用防止飞溅的覆盖层，有效 地减少了工件表面的飞溅物 l e 】。由于覆盖层具有较高的吸收攀，增加了激光的 效率，产生强烈的蒸发，减小了熔化材料数薰。1 l o wd k y 和l il 等采用反飞溅 覆盖物，打出表面没有飞溅物的高质量的微孔。即j 激光打孔中需要解决的主要问题就燕打孔过程中产生的再铸屡以及微裂纹， 激光抒孔静重复稳定性蓑，如果参数选择不当，辛丁孔孔径相差很大。针对这些问 题。德国 a n sl ( u r tt 蚤n s 韵f f 利臀超矮脉冲激光鸯舀工机加工出了高质量的微孔。 这萃孛激光麴工枧的脉冲宽度为飞秒数量缀，能够快速去除材料译】。对薄的材料和 楣对低熔点的金属材料蔼言，飞秒激光不如纳秒激光在材料的移宙率方面更有 效，但飞秒激光轲孔对硬度高鹩材料和深孔的加工方面蹙有优势捧j 。实验表鞠采 月飞秒激光打孔熊减小等离予体屏蔽，热影噙区减小等优点，雨置在没有辅驹气 体积预先处理的情况下，裁霹以褥到裹震量、小壹径的微孔。h “”j 虽然这类激 光静孑l 方澹能获雩寻裹质量攮缨的静裂羼量，毽是由手超短脉i 申激光器价格昂贵， 丽且平均能量比较l 氐，不毙获愿嶷速度的激光抒钝，阂样限制了激光打魏在工控 中的应用。越赢的峰值功攀密度，越短的脉冲宽度可以 | 譬到更好的小孔的圆桂度， 即可以减小孔的锥度，并能增加打孔的重复性。熔化喷出物和滚滚的形戏瓣孔舱 第章绪论 重复性的影响起到副作用。m l 研究结果表明：采用高弥冲功率、短脉冲时闽，高脉冲频率和较低的平均功 率是打孔过稷中控卷4 和减少微裂纹和重铸层蠢效方法。 1 4 激光打孑l 发蹑现状以及发展趋势 lal 激光打孑l 技术发展现状 近几年随着激光技术的发展，皮秒、飞秒激光和准分子激光等离性能激光器 在工照上豹庭瘸越寒越广泛，激光蠡魏工艺技术遣蘧之有了缀大静发展。随餐科 学技术的飞速发展，猩航天、航空、电子、制药、食晶、纺织、仪器和医疗器械 等芎亍渡中，繁裔，j 、孔豹零薛材辩越来越多，并鼗对孔静精度和尺寸要求越来越裔， 孔径越来越小。同时，工件的材料多种多样；既有盒属也有j 金属；还有许多难 加工的材料。因此8 0 年代的中、后期，以美国、德豳为代表的工业发达的豳家 已将激光深微孑l 技术大规模的应用到飞枫制造业等行业。例如： 1 985 年英鼹 的一家公司用高功率的激光荣精确可控的加工小孔：在o 0 5 英寸脬的不锈钢 稆钛叛主加工出手l 经麓o 0 2 5 英寸瓣小琵3 5 万令。强嚣，国羚激光打孑l 主 要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。 激光打孔筢迅速获震，圭蘩体瑗农轲于l 瑶褥激必器静平鹭输出功率已藏 5 年前的4 0 0 w 提高到了8 0 0 w 雁l o o o w 。打孔峰值功率高达3 0 5 0 k w ，打孔用的 脉滓宽度越来越窄，攥复频率越来越裔，激光器输出参数豹掇高，穰大程度上改 善了打孑l 质量，提高了打孔遴度，也扩大了打孔的应用范围。美国通用电器公司 研制了一台计算机控制的激光打孔机。使用y a g 激光器和数控多坐标定位工作 台，打孔速发为2 0 3 0 孔s 。戆辩拇逛豹魏进行联枫尺寸捻测，并携实现爨遥 应控制( 即自动调整激光能爨、离焦爨等激光参数) 。能在气冷或涡输叶片、喷 骧、外罩窝燃烧室努漱壹径为0 1 2 7 l 。2 7 黼，深度洚1 5 。2 4 蕊豹夸藐。【4 国 内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造众刚石和天然金刚石拉熊模的生产 及手表宝石颡承静生产中b ”。 9o 年代开始采用调q 脉冲n d ：y a g 激光器产生高峰值功率、窄脉宽、离重 复率的激光打孔；由予光束质最好；所以工件打孔重缀性好。德国柏林的一家科 硬机构应用平均功率碡w 的大功率声光调qy a g 激光器旋切趱工靛空发动褪 一5 一 北京工业大学理学硕士学位论文 具有0 5 m m 陶瓷隔热涂层燃烧室部件上小孔，再铸层厚度小于2 0 “m ，无微裂 纹，无毛刺，且加工效率提高4 1 0 倍。【”1 德国j j a n d e l e i t 等学者对纳秒和皮 秒激光加工进行了基础性的研究。【2 研究结果表明，皮秒激光和纳秒激光可以 用于材料的精确去除，并用皮秒激光在几种材料上加工出了直径小于1 0 “m 的小 孔。”德国学者b n c h i e h k o v 等人研究了飞秒、皮秒和纳秒激光与固体材料的 作用理论，建立了加工的理论模型，并进行了实验研究。【2 2 1 ( 如图1 3 所示) 。 图卜3 用飞秒激光在硅片上加工孔的图片2 2 1 图l - 3f e m 姗瞎c o n d _ _ p u l s el 硒e ra b l a l i o n 孤dp r o c e s s i n go f s i l i c o n 新加坡的k v e n k a t a k r i s h n a n 等学者作了飞秒激光切割金薄膜和硅片的研 究啦。2 ”，得出飞秒激光加工有两个过程组成：第一个过程是激光的能量密度在材 料的去除阈值附近，材料以气体或者小颗粒的状态被去除：第二个过程当激光的 能量密度在材料的去除阈值之上，加工中可以看见材料的熔化状态，在此状态下 加工质量最差。新加坡t k i m 等学者研究飞秒激光切割氮化镓( g a n ) 时也得到 相同的结论【2 5 】。 1 9 9 3 年我国的科研人员用激光在8 唧厚的硬质合金上打出孔径为0 0 卜0 6 哪的深微孔：而在多种非金属材料上如人造钻石、陶瓷、玻璃、人类牙齿上打孔 也相当的成功，孔径可以小到o o3 聊，最小孔径可达到6u m ，深度 l o 姗， 而且孔的圆度也较理想。哈尔滨工业大学的王扬等人对激光水下打孔进行了研 究，并对加工结果进行了分析。【2 6 1 国内的学者张罡等通过设计超音速喷嘴来减 少y a g 激光加工4 厶0 1 陶瓷时的重铸层，获得最小重铸层厚度和裂纹长度的高 效率激光切割方法。【2 7 4 叫清华的郭冬用n d ：y a g 在一种新的改进陶瓷材料上加工， 获得了比较好的加工精度和质量1 。( 如图1 4 所示) 一6 一 第一章绪论 曲在一黢鬻瓷主打孔b ) 改避嘲瓷上麴王豹孔 图卜4n d ：y a g 激光在陶瓷上加工的孔 f i g + i s e b e 斑a t i co f 黼：￥悠l a s e rd r i l l i n gi ne e r a l i l i e a )h 0 1 ed r i l l e di nn o r m a lc e r 籼l i c 秘珏o l 母s 赫l l 酣辆懿聃 e 瓣翻曲yg e l e 懿t 重e 曲n o l o g y 用传统的n d ：y a g 激光器( 脉宽1 m s ，功率密度1 0 6 缈c m 2 ，波长1 0 6 4 n m ) 在高 温台鑫上打魏会产宝缀厚鹣褥铸层，魏靛死释稳定性楚。能公司静静囱力黼3 博 士用高亮度的n d ：y a g 激光器和超快的t i ：s a p p h i r e 激光器程镍基超仓金n 5 上做 了打孔实验p a ( m a s t e r o s c i l l a t o r p o w e r a i l l p l i f i e r ) n d ：y a g 激光器( 它是q 开关和或锁模激光器) 具有平均功率1 0 0 w 的光束质量，由予脉宽程几百皮秒到 几百纳秒之间，所以能得到功率密度1 0 8 矿一1 0 9 c m 2 的光束。与其商1 i i l s 脉宽 的燃；y a g 激光打魏耀比，魏熬质量囊明显改鼹，熬变为l f s 懿蕈i ：s a p p h i r e 激光器甚至能产生更高功率镶度的光束，约畿1 0 ”w c m 2 左右，在相同的总激光辐 照施溪下，飞秒级蒎宽靛激强去除赘孝孝辩量舞缡移级躲宽激巍鹣2 3 倍，缝褥蓟 更好的加工质量。 翊波长为1 0 6 4n l l i 的一次谐波激光和5 3 2 n m 豹二次谐波激光骰了打孔实验， 后者与前者相比具有更高的峰值功攀发现后糟产生的再铸艨和热影响区明疆减 薄。m u r r a y a 和t y r e r j r n 2 2 对c 0 2 和n d ：y a 6 激光器打的孔做了对比研究，发现 c 0 2 激光产生的热破坏近乎怒n d ：y a g 激光产炭躲热破坏熬鼹镶。分毫睡认炎：睫着 激光波长的增加，材料对激光的吸收熊力下降，激光辐射的光予的能爨下降，这导 致了熬影嚏嚣热赘盛力熬增大窝淹爱褥铸屡袈绞戆产生，襞潋爨有较燕是子麓壁 和较长波长的c 0 2 激光比n d ：y a g 激光产生爨大的热破坏，即产生的褥铸层更厚， 徽襄纹更多。 6 2 5 所在九五期间，主要应用大功率( 最大平均功率4 5 0 w ) 的脉冲y a g 激 一7 一 i 寡工业大学理学硬士学位论文 光器及小功率( 最太平均功率仅2 0 w ) 的声光调q y a g 激光器开展了加工叶片 气膜孔的工艺研究，但是效果都不理想，离实际生产魔用尚有相当大的差距。 不论国内或国外激光打孔机共同缺点：( 1 ) 打孔熏复精度差；( 2 ) 打孑l 锥度 大；( 3 ) 孔边缘容易产生裂纹和再铸屡 1 4 2 激光打孔发展趋势 微芋l 激光搬工技术经过了二卡几年瓣发展基逐渐戏熬起来，并被越来越多菸 入 | 、】掰认识、接受辩采耀。隧豢科技_ 稻柱会生产静迅速发袋，一方面给激光打孔 提淝了各种各样更高的要求；茹一方面使得生产高功率、高质餐的激光打孔机成 为可能。这为徽孔激光加工技术的不断发展提出了目标，间时也提供了保障。激 光打孔的发展趋势有以下几个特点： f 4 2 9 】 a 激光打孔将朝着高速度、商效率方向发展 以前的激光打孔由于受到激光器的输啦能量低、重复频率低、脉；孛峰僮功 率低的因素的照割；使激光打孑l 速度不能提离。尽管这一速度融毙枕搬链季l 鼹邀 火花打强速度亵了且十倍，仍举缝灌是嗣懿增长懿社会需求。锯懿，菜些簸空零 箨要求毒上吾万个瓣精密魏；佼佼健用酱逶翡革赫释打孑l 和低羹复频率的多脉冲 打孔，其打孔速度邑远近不能满足要求。茸前，入释】解决这一问题的方法有两种： 第一种是让工件在光束下自旋转，并使激光脉冲的频率与工件旋转同步。激光器 发射第一个脉冲到工件上形成一个礼，利用第一个脉冲到下一个脉冲到来之前的 间隙，使工件旋转到下个孔能，再发射第二个脉冲。由此延续下去，当繁一个 孑l 回到光束下方原米的位置时。再发射脉冲到第一个孔上，此时第一个孔体躲等 离子体巴封 除予净，使打孔过程颇利进行。这魏抒孔方法鲍速度霹达到6 5 一1 0 0 孔秒，且孔鑫冬震爨裹。龅方法懿特殊鼹隈是：工传必须允许旋转：第二种方法 是焱y a g 激光器串采粥两组振荡放大器，通过采羽改进亳源，可黻使激光器输 出5 0 k w 酶值葫率，此时可以在5 m m 蓐的不锈钢上每秒钟加工蠹径为0 8 m m 的 孔5 0 0 个，而且孔的精度商、质量好、速度侠。【1 9 】 由此看来，不断的提高激光器的输出参数并与其它打孔辅助工茳配合；提离 激光打孔速度已成为必然。 b 激光打孔虼深度不叛的增期。 长期以寒，激巍抒魏鳃深度一豢在尼个毫米懿范器内，使褥激光籍孔鹃痤翔 一8 一 第一章绪论 受到限制；其主要原网是脉冲激光在脉宽状态下的脉冲频率太低。随着激光打孔 工艺瓣不叛豹深入礤究及激光器拳平静挺毫，激光撩王深魏簸必虿艉。闺内嚣蔫 可以进行厚1 5 2 2 m m 的深孔激光加工。国外浆公司用大功率的激光器进行打孔， 打孑l 速度为4 个秽，努孔深度灸1 9 0 5 黼。 随着激光器的发展和对打孔工瓮的深入研究，激光打孔的深度还将继续的 增翔，这将满足模其镣l 造业和高压力喷嘴生产对深孔的需要。 c 用激光加工微米量级的小孔。 一般的激光打孔在对激光器不加调制的情况下；打孔的孔径在o 2 一o ，4 帆 范匿沟。大予o 。4 渤浆孑l 可以通过激光束与王馋黪鞠对运动实现( 邸轮露迂强 法) ：而对于孔径小于0 2 咖歪几微米的孔：必须通过特殊的手段对激光束进行 羧模藏溪裁方哥实瑗。 近几年来我国的有关人员通过腔内增设光栏和缩短透镜焦距等的方法获得 了孔径为6 2 3 膨静，j 、孔。丽营羚眷天乖j 焉激光器的窄聚焦光束迸行3 0 掣掰高 精度孔的激光加工。 d 激光打孔树料多样亿。 以前人 | 、】已经尝试熙激光在许多葶孛搴孝辩上据瑟，翔金属孝考料中鲍碳钢；裴金 属材料中的红窟石、人造金刚石、玻璃、像胶、陶瓷簿。现在可应用激光打孔的 耪辩越来越多，在金瓣毒葶餐巾骞镶、铁、钨、稷、镁、锗、硅、轻金麟、镊、镑、 铝、不锈钢、耐热合金、镍艇硬质台盒、钛、金、酱通硬质合金以及磁性材料 等，都有久蠲来镀过激光努孔。 众多材料的激光打孔不仅显示了激光打孔的优势和能力，还大大的提商了 许多难以加工的材料的使用价值；在发挥难以加工材料不可 斋量的作用的同时： 使许多行业的产品质爨褥到了提高。 e 激光打孔的质量不断提高。 凑予激必努孑l 摄予热烧镶熟工；魏懿尺寸精度受型影穗，打魏：l 篷程孛嵝瓣 的熔融状金属氧化物使孔板的一t 下表硒发黑、粗糙，由于光束的发散角等原因造 成了孔静锥度。这些震量溺鬈无疑将彩确激巍努毳静疲矮。 现在人们正在使用多种方法对激光打孑l 的质量进行有效的改善。例如用增 设石漓涂层静方法醴谶少出、入日处静沉淀物；利翔戳油减小孔的锥度；利用铝 一9 一 l b 哀工业大学理学硬士学位论文 箔等薄片粳盖工件表预形成屏蔽臌，以清除孔口修缘现象，并可清除工件表面沉 积物等。还可通过对激光器输出参数、脉冲形状等进行修整，使孔的尺寸精度不 断得以提高。 总之，微细孑l 激光加工技术的发展越势烂良着更加完善、应爆范圈更广泛、 质量更高的方向发展。随蓑微细孔激光加正技术的不叛成熬，进髫激必抒魏黪激 光烟工系绞鲍数量垮不断增热。 。5 课题研究的来源和论文豹主要内容 ，5 1 课题来源 十五国防科_ 工委熏点预言项目“高峰值功率声光调q 脉冲y a g 激光打孔机 理研究”。 “北京市科技新屋”项目 横向项目 1 5 ，2 研突的主要内窑 在理论分析基础上以及所要打孔工件的具体参数要求( 弹壳打礼厚度约为： 2 5 舯，直径1 m m 一2 5 嗍，打孔的精确威达到1 0 0 小) ，采用自发研制的高功率 高光束质量激光切器4 机进行了激光打孔实验研究。并封激光器输出特性进行了 测试，得到激光的平均功霉为5 0 0 w ，重复频率w 以达到l o o o l z ，爨由运转激光 脉j 巾峰健功率达到6 艘，能爨不稳定度2 ，光轰发散热 4 糙聪。这耪输出特挂 能魄较遥台用于激始搀魏。 设计了一种新鼙的激光打孔装麓，誉j 群这种装置可戳实现冲击打孔和旋切 打孔两种打孔方式豹打孔。乖j 阕研制的激光打孑l 装置在低碳钢和高温台金上分 别采用了自由激光脉冲和调制激光脉冲的冲击打孔试验研究，并通过试验分析 了备种激光参数对激光打孔的影响，并进行了旗切打孔的实验研究，分析这种打 孔方式的特点。采用高峰值功攀的n d ：y a g 对激光阈值附近的微孑l 加工进萼亍了研 究，对比了皂由脉冲和调制脉冲打芋l 之闻的区别。 邋过慰打强试样遴撂辑磨，撼必瑟进行金耀分橱，对激光打孔静王艺避幸亍 了分凝耱总结。 一1 0 一 第二章激光与材料的作用机蠼研究 第二章激光与材料的作用机理研究 2 。 激光打孔的特性 激光和材料相互作用就是利用了它的独特特性，如高亮度，方向性，单色性 秘于涉。整姆等。 激光束的斑要特征参数是光泶的发散角疗和束腰的半径甜。在理想情况下这两 个参数量翡美系力” 口甜。生 ( 2 1 ) 式中a 激光静波长。 如式2 1 所示，在波长一定的情况下，口掰是一个常数。在“理想”的光的传播过程 中，这令关系隶远是羡确黪。嚣在实辩黧工蓬翟中，是素隶遮不霉携爨疆戆靛，这样 就存在一个用来比较真实的激光束和理想激光束之间的参数m2 ，这样真实的激光柬的 黟搿载变成瓷 p x ：m 2 兰 ( 2 2 ) 式中麓2 一激光束豹瀵薰因子。 程聚焦光路中，激光的发散角缎过透镜聚焦后改变，其值为： 够= 昙 e 。1 ， 式中秽，经过激光聚焦镶的光柬发散角 玲一激光束束腰的直径 f 聚焦透镜的焦距 这样就得到了最小的聚焦尺寸 艿：生冉9 2 名：( 2 _ 4 ) 帮d 式中占激光束的聚焦尺寸。 由式2 _ - 4 霹躲，要褥烈发散焦小的光柬，震要好鸵光束质鬃、短的波长帮短焦贩黪 j g 窳王鼗大学理学磉士攀位论文 聚焦透镜。袭2 一l 列出了魑激光束的特性。 特殊的低能量的n d ：y a g 激光器可以提供商质疑的单模式激凇，由此可以得到 尺寸较小憋聚焦必斑，甏好躺效果可塔遥避诞频来实现。 褒卜l 一燕鬻冕激残焱的特蛙表 b l e2 一le x a r n p l eo f b e a mp f o p e n i 锚 捩长毒 辘量 黛曩相冀散潮昀瓣获 澈搬 秘x 童 兜隶震曩溅激熊尺唾 鞋瞻) ，缔， 射2 拶撕) 稚x 瓣酬) 嫩氇翡垂。2嚣2 # 。鹁 s 麓d ：￥ 酽l 。秘 l 鑫 l 盎 嚣o 黜，￥黼 l 。蚤鑫l 瀚蕊 铽艄 口一s f i t 妯e d1 弧1 02 3l s 热 t 0 。毒黼l 垂 i 6骼 c 0 尊口e r v a p o r 瓴5 l帆5 38 t i ：s 睇p i r e识秘l 飘l 警3 一 x # i 黼r 蕊嚣 霪 夔嚣5 l 卜静静打孔帮切割模式2 普邋瀚z 城激光 2 2 激必打孔枧理 激悲抒毳楚糕爱豫冲激毙掰提禊垂每i 0 6 i 9 ，国矿豹嵩臻攀密瘦及饶懿 酌空阕榻于攫，使工俘被照_ 鸯孛都位瓣材料淬击汽纯蒸发进行金属等躺疆质材料的 抒孔。激毙打粒戆逡程燕一个激光器貔蕊穗嚣髂翔静热裙鬻过程，激光和工件褶 互律越，存在箍诲多不围的戆壁转换过程，包括发瓣、啜羧、气傀、褥辐瓣藕煞 扩鼗等，宅是凌激巍炎寒将链( 激遗戆波长，躲_ ；串宽鏖，聚焦姣态等) 帮榜辫诸多 的物理特镶决定匏，激光经袋焦詹接力裹强痰懿热源辩耪瓣送行热热。 与般光相比，激光具肖高强度、高方向性、商单色性的特点，糨激光经 透镜聚焦加热工件，在激光焦点附近被照射材料上形成上万摄氏度的离温，使誊孝 辩瓣时熔豫或汽证，由于熔髂瀣度瓣不凝舞蠢，阁瞬由于激炎辣秘戆热、蹿蠢终震， 耪鹳静汽健勃夹带麓熔纯镑致燔俸瘫帮豁稷丈豹疆力离舟磺葑，襻鹣辫瀑炼和游 击，予怒糕被加工零件上形成予乙洞，这就是脒_ 7 中激光打孔。具体过獠可以分为以 下西个除段：f 3 】 第一酚段表嚣燕热 一1 2 一 第二枣激光与材料的作髑机理研究 罄先聚焦的激光束入射到材料表露，通过薄涅尔吸收枧制在材糙表露几纳米 的厚度内聚集热量。材料吸收激光，入射光波穿透材料表面传播能量到材料表面 下静电予。被激发静电子磁撞金满点阵，能量檄侠转化为熟囊。激光束酌燕效斑 相当于在材料表面豹圆形热源，热通量分布由激光束的密度分布决定。传热速度 取决于金属表面的吸收率，不管魑n d ：y a g 激光还是c 0 2 激光，传热速度一 般都蔻缀低静。典羹的蔽救率分潮是3 懈和i t ，同时典黧静激光束密波是1 0 7 w m m 2 。几乎所有的激光打强都愚由一个激光默冲完成故，默冲宽度比金属的热 反应时间短。这一影响是稳定的状态不能获得的，传热只能被限制在很小的表面 层。 第二阶段表霹熔化 如果强度和时间充分的话，表面层开始熔化。无论怎样，任何有意义的热传 导对予榜辩采说，辩酒仍然是太簸。本阶段豹等温萄参见黼2 。l 。 图2 - l 激光打孔的第二阶段 鞘g 2 一ll 趟e r 赫l l i 裙翻黜s 协g e 谢。 第三阶段蒸发 假定给出充分的激光强度，熔化的表面开始蒸发。这时会发生很多状况， 完全致交了激淹打魏赘过簇遂震。 1 蒸发的出现增强了材料表颟上方的吸收，医此加速了蒸发。 2 由于表面蒸汽波，蒸发的过程致使固体表面变成液体、表面开始变得粗 糙。蒸发篷力；串击表面，液体祓喷莉出来。邋过光捕获可黻增强光束静 吸收，由此为通过表面的任何一部分反射回来的光撞击另外一部分光提 供一个好机会。另外，液体自身也可能吸收激光，从而变得更热，因此 在表舔产生了勇羚个热源。 一l 冀一 藏索王犍大学理掌硬士学链谂文 3 、在一趱的条件下，喷出的蒸汽加热副定温度时等离子体产嫩，通过逆 轻致辐射产，圭鼗辨黪啜收，在蒸发中党子碰攘巍甚l 邀子，把键粕鹑热量 转亿为患离蒸发静燕能。 谯邀一阶段发生的现象见图2 - 2 。 澈巍熏 鹫2 盘群料褒藏蒸发过程中酌可辘琨象 f 诲2 堙s o o n 鑫哟a te v a 辩 鑫鞋黼s t 鑫寥 捕图表明两束光冲击一个表两破裂的气泡，一束光( 内包) 由子低的吸收 率被立刻爱射。另一束觉 攥) 由子离静墩收率，经过了多次的爱瓣。 第瓣殓段蒸发凌蓥垂 自于表瑶液体黪蒸发，大量锈俸崧姹淤段簸我中搂射。 第赢阶段流体喷射 磐随着蒸发喷射，在流露袭蕊产生了令疆强懿蒸汽律鼹蘸交，鹾力 的作用迫使流体从激光通道侧排融。图2 3 为流体喷射示意豳。 到理褒戈止，只涉及到了热效应。另乡 ，激光支掩黪爆炸波移支持淤产生一个 驱渤力，缝襻懿热效应佟臻楚缓复杂懿。蒸发压力鞍驱秘佟薅力静佟震鬟逶遵滚 体层打一个通戮。只要光束持续作用，在热与漉体动力学秘激必专葶料憋期互l 乍照 下，礼褥按照一定匏方式掩续增翔。 第二牵激光与秘瓣静佟孀橇毽磅究 囊黛激轰裹 蒸材 ， 并黯瓤怀崖 图2 3 由于蒸汽压力产生的烙化喷射 f i g z 3 l e 硅e e 矗o n 协v a p o u rf e a 。t i o np 掉s s u f e 为了叙述方便，把激光脉冲分成五个小段，下图2 4 详细的表示了激光打孔 豹整个过程。“l ”袋为蓠缘，“2 ”、“3 ”、“4 ”袋为稳定输出，“s ”为尾缘。当“l ” 进入材料后，材料开始被加热，由于材料表面蠢反射，加热恩褥缓慢无力，由于 热向材料内部传导，造成较大区域材料的温升。相变易熔化为主。相变区面积大 褥有深疫浅。警“2 ”进入章芎辩爱，因车孝精裙交傻翔热显得潮烈褥多，溶融区瑟 积缩小而深度增加。孑l 径辨始收敛。“3 ”、“4 ”段进入材料藤，打孔过程提对稳 定。材料的气化比例剧增至最大稷度，形成孔的圆柱段。当“5 ”段进入材料后， 辖精静翻热已藕近终止，气纯及络伍逐遮趋子绪柬，觚丽形成了孔的尖稚形孔底。 由此可见，物质的蒸发租熔化是促馒激光农枣孝料上或孔的鼹个基本过程。其 中，增大孔深主要靠蒸发，增大孔径主登靠孔腱熔化和剩余蒸汽联力排出液体。 在大多数倩猿下，密度为1 妒1 扩矽，例2 酶激光辐射脉冲作用一开始就可以观 察到飞溅物蛇形成和飞数。以后，睫羞隧坑的尺寸在嶷径衣深度方蕊敕增艇，在 飞溅物中材料的熔化物占了大部分，它在凹坑的侧壁和底部膨成，并且被蒸汽的 蘩i 余压力摊挤国来。 一1 5 一 北京工业大学理学硕士学位论文 易易易溉 z 歹歹歹厂7 尹歹77 楚暨汐 警琴瑟 一1 6 一 第二章激光与材料的作用机理研究 2 3 激光与材料作用一般规律 激光入射材料表面，一部分反射，一部分进入材料内部。对于不透明物质， 透射光被吸收。其吸收率或辐射率为 a = l r( 2 7 ) r 为反射率，吸收的光在材料内部穿透。按朗伯定律，随穿透路径的增加， 光强按指数规律衰减，深入表面以下x 处的光强为： ，( z ) = ，o e 一 ( 2 8 ) ，。为表面( x = 0 处的透射光强，a 为材料的吸收系数。 如把光在材料内的穿透深度定义为光强降至钐时的深度，穿透深度为形 r ，a 及a 之值可由材料的光学常数或复数折射率的测定值进行计算。对光具有 吸收的材料的复折射率为 m = = n i k ( 2 9 ) 垂直入射下的反射率为： 屁= 揣 ( 行+ 1 ) 2 + 七2 吸收率为 止志 ( 2 _ 1 1 ) 0 + 1 ) 2 + 2 吸收系数为 口j ( 2 _ 1 2 ) 光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料相互作用的 结果。光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动起来。由 于电子比较轻，通常被光波激发的是自由电子或束缚电子的振动。红外光的频率 较低，它也有可能激起非金属中较重的带电粒子( 离子) 的振动。由于带电粒子的 振动，原子将成为振荡电偶极于而辐射出次电磁波即次波。次波之间以及次波与 入射波间是相干的，从而形成一定的反射波和透射波。 如上所述，物质吸收激光后先产生的不是热、而是某些质点的过量能量一自 由电子动能、束缚电子激发能、或者还有过量声子。这些有序的原始激发能经历 北京工业大学灌学硕士学位论文 两个步骤转化为热能。第一步是受激粒予运动空间和时间随枧业。此过程在粒子 碰撞时间( 动量弛豫时闻) 内完成，此时间比最短的激光脉冲宽度还短，甚至可能 簸予光波周期。第二步是能鬟在痿点简的均布。这个过程包含有大量碰撞和中间 状态，其中可能存在若干能鬟转换橇剁，每种转换又其有特定的对阉常数。例如 金属中受激运动的自由电子通过与摄体点眸磁攮憋多余黢量转化为晶体点阵的 振动。 为描述激光辐照的热效梁，入们常常忽略复杂的具体的弛豫途径，而用总 的能量弛豫对润f 。：表示辎照区内能量均匀仡过程的特征。对予金属，r ，的典型 馕必l o “3s ：藕对于非金属，f 。= l o 。2 1 0 4 j 吲。其体数值与丰才料和辐照激光 的功率密度有关。对于一般激光加工，均可认为材料吸收的光能向熟能的转换是 瞬间发生的。在这个瞬间，热能仅仅局照予材料豹激光辐照区遥过隧精豹热传导， 热量由高温区流向低温区。 2 4 激光打孑l 分类 激光龆工是建立在材料去除的基础上的，材料从加工工件的表面被去 除，这是一个复杂的过稷。激光拄张根据抒孑l 方式黔不同被分为激光热打 孔和激光冷打礼。” 2 。4 1 激光热打孔 l 6 0 年，孙e o d o r ei a i m a n 博士，一个美国的科学家用一个泵漓灯和红宝= 蠢 做试验，发现了第一束激光。1 9 6 5 年初，第一台工业红宝石激光器被应用在手 表宝石继承上打魏，这是激必最早的应用。以籍捅继出现了固体、气体、离子、 化学、热力学、二极管、卜射线、准分子激光嚣。今