（机械设计及理论专业论文）碳钢激光打微孔作用机理及工艺研究(1).pdf

摘要 本文结合激光与物质相互作用的机理，系统的论证了激光打孔的基 本原理。利用有限元法，分析并解决了建立碳钢激光打微孔中热源模型 的难题：非稳态问题、非线性问题及相变问题。利用有限元分析软件 a n s y s 对碳钢激光打微孔过程的温度场进行模拟分析，得出不同时刻其 温度场分布情况。 选取含碳量不同的三种材料：3 5 # 碳钢、4 5 # 钢和t i o 钢，进行碳钢 激光打微孔实验。把模拟值与实验值进行了比较，为碳钢激光打微孔实 验参数的选取提供了依据。在实验的基础上对激光打孔的工艺进行了分 析和研究，得出了激光打孔中的参数：脉冲能量、脉冲数量、脉冲宽度、 离焦量、脉冲重复频率，对碳钢激光打微孔质量的影响情况以及这种影 响情况随着含碳量不同的变化。对打孔中重铸层的产生原因进行了分 析，得出了重铸层厚度与激光脉冲重复频率的关系及小孔表面粗糙度与 含碳量多少的关系。 关键词：激光打孔碳钢有限元模型重铸层 a b s t r a c t l a s e rd r i l l i n gb a s i cp r i n c i p l ew a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya c c o r d i n gt o t h ei n t e r a c t i n nm e c h a n i s mb e t w e e nl a s e ra n dd r i l l e ds u b s t a n c oi nt h i sp a p e r p r o b l e mo fu n s t a b l es t a t u s ，n o n l i n e a rp r o c e s sa n dp h a s ct r a n s i t i o ni n d r m i n gb o r e sw i t hl a s e ro nc a r b o ns t e e lw a ss o i v e db vu s i n gm e t h o do f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s h e a rs o n r e em o d e la n dt e m p e r a t u r eg r a d e sm o d e l w e r ea l s os e tw i t ht h es o f t w a r eo fa n s y sf o rc a r b o ns t e e lt oi n d u c et h e d i s t n q u t i o no ft e m p e r a t u r es t y l e t h r e ek i n d so fc a r b o ns t e e i sf 3 5 以4 5 # a n dx 1 0 # ) 硼t hd i f f e r e n t q u a n t i t yo fc a r b o nc o n t e n t sw e r eu s e di nt h ed r i l l i n gt e s ta n dt h er e s u l tg o t b yc o m p a r i n ga n a l o g u ev a l u e sa n de x p e r i m e n t a ld a t ao f f e rp r a c t i c a lg i s tf o r l a s e rd r i l l i n gb o r e so nc a r b o ns t e e l t h a tk i n do fd r i l l i n gt e c h i n c sw a sa l s o s t u d i e d , t h ei n f e c t i o no fi m p u l s ee n e r g y , i m p u l s eq u a n t i t y , i m p u l s e f r e q u e n c ya n df o c u sd i s t a n c 宅f o rt h i sk i n do fl a s e rd r i l l i n go nd i f i e r e n t c a r b o ns t e e l sw a sa n a l y z e d b ya n a l y z i n gt h e i n - c o m i n gr e a s o n so f r e c a s tl a y e r si nc a r b o ns t e e i s , n e x u sb e t w e e nt h i c k n e s so fr e c a s tl a y e ra n d l a s e rf r e q u e n c y , a n db e t w e e nb o r es m o o t h n e s sa n dc a r b o nc o n t e n t sw a s e l i c i t e d , t o o k e yn o r d s ：l a s e rd r i l l i n g c a r b o ns t e e l m o d e lo ff i n i t ee l e m e n t sr e c a s tl a y e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文碳钢激光打微孔作用机理 及工艺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： 三三年坤 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： 指导导师签 第一章绪论 激光技术是2 0 世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技 成果之一1 9 6 0 年，美国休斯实验室的t h m a i n m a n 用矿0 6 m 坍、长 4 5 r , v a 的红宝石固体工作物质，成功地产生了波长为0 6 9 4 3 ，研的脉冲 激光，这就是世界上第一台激光器，它受到科研领域的高度重视。 随着科学技术的迅速发展，激光技术应用范围越来越广，尤其在加 工领域中的应用。激光加工是指激光束作用于物体的表面而引起物体形 状改变或物体性能改变的加工过程。激光加工技术己广泛应用于汽车、 电子、电器、航空、能源和机械制造等国民经济重要部门，对提高产品 质量、劳动生产率、自动化、无污染及减少材料消耗等起到越来越重要 的作用，被誉为“未来制造系统的共同加工手段”，将成为2 1 世纪世界 工业中的骨干产业【1 j 。 我们目前正处于激光开始向传统制造技术中许多工艺过程积极渗 透的阶段。作为科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术支 柱之一的激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。激 光加工、激光快速成型、激光制膜和激光检测等技术的迅速发展促进了 新的先进制造技术一激光先进制造技术的形成。激光先进制造技术在汽 车、冶金、航天航空、机械、纺织、化工、建筑、造船和微电子工业等 领域得到了广泛的应用。 1 1 激光束的特点 激光加工技术之所以能够这样迅速的发展，主要是由于其自身的特 点。概括地说，激光有四大特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相 干性，激光所具有的优异特性是普通光源望尘莫及的1 2 j 1 激光的高亮度 光源亮度是描述发光表面特性的一个物理量。光源的亮度( b ) 定 义为光源单位发光表面( s ) 沿给定方向上单位面积上发出的光功率( p ) p 的大小，口一一壬；_ 了 ( 1 1 ) 石a0 式中：a _ 光斑直径；0 一发散角。b 的单位为硎2 盯 太阳光的亮度值为2 1 0 3w c , 2 耵，而气体激光器的亮度值为 1 0 。咖”s r ，固体激光器的亮度高达1 0 “矸，册2 例如，一支输出 删功率为i m w 的h e - n e 激光器输出的激光，经过透镜聚焦后，其亮度 比太阳的亮度高1 0 万倍。这是由于激光器的发光截面( s ) 和立体发散 角( q ) 都很小，而其输出功率( p ) 都很大的缘故。不仅如此，具有 很高强度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点处产生数千度甚至上万度 的高温，这就使其几乎可以加工任何材料。 2 激光的高方向性 普通光源发射的光射向四方，谈不上什么方向性，光束发散角大； 而激光发散角小，一般为几个毫弧度，方向性也好如将激光射向月球， 则在月球表面的光斑直径不超过2 k m 激光束通常按照高斯光束传播，在激光束聚焦后也是如此，激光束 的发散及光强分布见图1 1 所示 图1 1 高斯光束 ( a ) 高斯光束的光斑尺寸与距离的关系 ( b ) 高斯光束的光强分布( z = o ，- - ；i z l o ，- ) 发散角是光束能量及发散程度的衡量，也是光束方向性的度量，其 大小由高斯光束的光斑尺寸随z 的变化决定： 2 0 。2 d w ( z ) 出 式中，0 为光束发散角( 半角) ， z 轴传播的距离。 ( 1 2 ) 形( z ) 为高斯光束半径；z 为沿 激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证 聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件 3 激光的高单色性 普通光源发出的光均包含较宽的波长范围，即谱线宽度宽，激光为 单一波长，谱线宽度极窄，通常在数百纳米至几微米，与普通光源相比， 谱线宽度窄了几个数量级。激光器所发出的激光具有其它光源的光所难 以达到的、极高的单色性，这是由于构成激光阴谐振腔的反射镜具有波 长选择性，并且利用原子固有能级跃迁的结果激光是受激发射的，它 的频率宽度很窄，比普通光源( 加氖灯) 的频率宽度要窄几个数量级。 2 由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上， 得到很高的功率密度 4 激光的相干性 相干性主要描述光波各个部分的相位关系。其中，空间相干性描述 垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系；时间相干性则描述沿 光束传播方向上各点的相位关系。相干性完全是由光波场本身的空间分 布( 发散角) 特性和频谱分布特性( 单色性) 所决定的 ( 1 ) 时间相干性 图1 2 为迈克耳逊干涉仪的光路图，表示出了光束的时间相干性 当光束产生相干时，有一个相干时间f ，则其光束的纵向相干长度为 c f ，c 为光速。以h e - n e 激光束为例，它的相干时间t 近似为1 0 “s ， 故其时间相干长度为3 0 册对t 有l 石1 ( ，为谱线宽度) l r 一 i l ： o f e 图1 2 迈克耳逊干涉仪光路图 其中，s 为光源，g 为分光器，e 为观察屏，材，和肘：是两块平面 反射镜，m ，固定不动，m 可沿法线方向移动；当两束光会合叠加，就 会产生干涉现象，从e 处可观察到干涉图样。 对于一台激光器，a ，近似为5 0 0 h z ，相干时间t 为2 1 0 4 s ，则 激光束的时间相干长度能达到6 1 0 7 硎：如果对激光器进行锁模，t 可压缩到1 0 4s ，则此时锁模激光束的时问相干长度仅为c - b = c 3 1 0 ”x l o - 9 硎= 3 0 c m ( 2 ) 空间相关性 如图1 3 所示，s i ，d d ，空间相干长度f 筹z - t w ，o ，a 一为波长。对于由点源伸长的扩展源，要得到很好的相干性，必须使d 5 ；d l 或d 2 ( 这里一2 ) s s ， h s s ， l 一d o 图1 3杨氏双缝实验光路图 其中，s 为光源，墨和是为两窄缝，d 为s 至s 和是缝问的距离， 从这里可以看出，空间相干长度与口有关，对于普通光源，为了得到空 间相干光，必须通过针孔，而激光束具有很好的空间相干性 1 2 激光打孔的优点 随着航空航天、电子、仪表及医疗器械等工业的发展，许多高精尖 产品的关键零部件( 如飞机防冰系统、航空发动机气冷式叶片、陀螺仪 表零件、计算机打印头等) 都设计有许多微孔，以完成特定功能，从而 提高产品的性能。在机械加工中孔加工是所占比例较大的一道重要的加 工工序。这些孔的特点是：尺寸微小，数量巨大，费工费时，加工精度 要求高，形状复杂，加工难度大。 虽然目前已发展了大约有5 0 余种微小深孔的加工方法，其中最常用 的小孔加工方法有：机械加工、电火花加工、电解加工、超声加工、电 子束加工及激光加工等由于硬度大、熔点高的材料的使用越来越多， 传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。 激光打孔是新型高效的小孔加工技术。例如，在高熔点金属钼板上 加工微米量级孔径；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝 石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等 这一类的加工任务用常规机械加工方法很困难，有时甚至是不可能的， 而用激光打孔则不难实现。所以激光打孔也成为适应时代需要的一种技 术与传统的机械加工方法相比，激光打孔具有如下的优点l i j ： 1 激光打孔速度快，效率高，经济效益好 由于激光打孔是用功率密度为1 0 7 1 0 9 卅册2 的高能激光束对材 料进行瞬时作用，作用时间只有1 0 3 1 0 - 5s ，因此激光打孔速度非常 快。将高效能激光器与高精度的机床系统配合，通过微处理机进行程序 控制，可以实现高效率打孔在相同的工件上激光打孔与电火花打孔及 机械钻孔相比，效率提高1 0 1 0 0 0 倍。 2 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行 激光打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，用 4 高能量密度的热能进行加工，几乎能在所有的材料上打孔它既适于金 属材料，也适于一般难以加工的非金属材料。较难加工材料大都具有高 强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力强等性质，因此在 切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短、表面粗糙度差、倾斜面上打 孔等因素使打孔的难度更大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 料进行激光打孔所以这种加工方法速度快、效率高、热影响区小 3 激光打孔无工具损耗。 激光打孔是非接触加工，降低了机械加工惯性和机械变形，不存在 工具损耗及机械钻微孔时易断钻头等问题，对工件几乎无作用力。所以 能在易变形的工件上打孔，且易实现自动化连续操作。 用机械钻加工直径为0 8 删以下的小孔，即使是在铝这样软的材 料上，也常常出现折断钻头的问题，这不仅造成工具损耗而加大成本， 而且会因钻头折断致使整个工件报废。而激光打孔就不会产生这样的问 题，当然此时的激光打孔设备必须具备精密的瞄准装置，以便准确无误 地打掉折断的钻头。 4 激光打孔可获得大的深径比。 激光能聚焦成极细的光束，聚焦直径可至o 3 毫米，能加工细而深 的小孔。激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局 部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小因此，其热影响区小， 工件热变形小，后续加工量小。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工 难度的一项重要指标。对于用激光束打孔来说，激光束参数较其它打孔 方法更便于优化，可获得比电火花打孔及机械钻孔大得多的深径比 5 适合于数量多、高密度的群孔加工 由于激光束易于导向、聚集、实现作各方向变换，极易与数控系统 配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法激光打 孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机、电一体化，使得激 光打孔过程准确无误地重复成千上万次。激光加工出的群孔板的密度比 机械钻孔和电火花打孔的群孔板高l 3 个数量级，如食品、制药行业 使用的过滤片厚度为l 3 打肼，材料为不锈钢，孔径为0 3 o 8 m m ， 密度为l o 1 0 0 孔c a 2 6 可在难加工的斜面上打斜孔、异型孔 激光打孔时，由于激光可以在空中传输，即使孔的斜度很大，也能 轻易成孔。倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，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 生钻头折断而激光却特别适合于加工与工件表面成6 9 0 角的小 孔，即使是在难加工材料上打斜孔也不例外 5 另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁， 无污染。因为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了 常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而十分卫生而且激光加工时 间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特殊保 护激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其 它条件下的工件进行打孔 表1 1 为激光打孔与传统打孔各自的优缺点。 表1 1 激光打孔与传统打孔各自的优缺点 打孔类型打孔直径打孔进度打孔材斜打孔厚孔深比 度 激光打孔5 1 m快几乎任何材科2 嘶 2 0 d 机槭打孔3 0 p i慢非硬材料 3 ”8 冲医打孔 3 0 3 0 0 1 m 快非延展性材辩低 化学腐蚀 小 馒酸或碱对应高 不同扮材料 电化学法 4 0 0 p u a 0 0 1 2 呻1 8 蛩电材料 菇 l l s e c 电火花 4 0 0 1 m 藩材料 电子柬 s o r e 快饕求寅窀 2 i i1 0 由此可见，激光是一种高质、高效打孔的有效工具，发展前景很好 1 3 激光打孔技术国内外发展及应用现状 1 3 1 激光打孔技术国内外发展现状 激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术 经济效益显著，已成为现代制造领域的关键技术之一目前，国外激光 打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。瑞士某 公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔，可以加工直径从2 0 t z m 到8 0 # n 的微孔，其直径与深度之比可达1 ：8 0 激光束还可以在脆性材 料如陶瓷上加工各种微小的异型孔，这是普通机械加工无法做到的 激光打孔已有3 5 年的发展历史早在1 9 6 0 年世界上第台红宝石 激光器问世，1 9 6 2 年就率先应用于对刀片的打孔，开创了激光打孔应 用的先例，也开创了激光加工技术应用的先例。 1 9 7 0 年左右，国内几家大的手表厂，使用红宝石激光器和钕玻璃激 6 光器对手表窳橱轴承进行打孔。长眷光机学院于8 6 锥完成无烟水松纸 高速打孔机柴油机喷油咀的打孔、啤酒厂用不锈钢滤片的打孔( 深 2 m m ，孔m o 2 m m ) 吉林工大8 0 年代末研制出的趟声波激光脉冲打 毳，北京6 2 5 掰掰骧冲c 0 2 激光器对盼片打孔1 9 9 3 零我国的科研人员 翅激蹩在8 m m 箨戆疆凄合金上移窭魏经隽0 0 l o 。6 m m 豹深微曩i ；嚣 在多静菲金籁榜瓣上螽入造链磊、辫瓷、玻璃、入类雾穰上抒藐氇稳当 的成功，孔径w 以小到0 0 3 m m ，激小孔径可达弼6 z m ，深度l o m m ， 而且孔的圆度也较理想。 随着科学技术的飞跃发展，在机械加工领域中，带脊小孔的零件越 来越多，并且对孔的精度和尺寸袋求越来越高，孔径越来越小。同时， 工转豹材料多鄂多群，襞有金属识蠢菲金羼，还青诲多罐热工豹枋辩。 豁年戴懿巾、蓐麓，| | 鬟美霆、德嚣受筏表豹王簸发这戆国家已将 激光加工深徽张技术大规模的瘦溺秘飞杌制造照等纷娩。铡如，1 9 8 4 年美国一家发幼机制造厂利用激光打孔设备对涡轮发幼机零件进行数 万个冷却孔加工；1 9 8 2 年国外的袋公司在透平压缩机燃料室村砌里加 工的直径为1 1 7 1 2 5 m m 的小孔9 0 0 0 多个，且大多数孔与工件表面 成2 5 。角，燃料室衬砌是由2 3 6 m m 厚的长方形耐鼹滠的镍基舍金块 踅残，翔工难度失戮。1 9 8 5 年荚嗣瓣家公司用寓磅攀黔激必衷精确可 控鹁热工，j 、琵，在0 。0 5 英寸簿豹誉锈锈秘铗叛上魏烹毽魏径秀承阮5 英寸盼小孔3 s 刀个；1 9 8 6 年原苏联基辅工学院用z 娥激光器在硬质合 金毛坯上打中心孔，孔径为0 6 1 o m m ，深度为6 m m 9 0 年代歼始采用声光调q 脉冲 w ：y a g 激光器产缴高峰值功率、 窄脉宽、高频率的激光打孔，由予光束质量好，工件打孑l 重复性好，已 广泛的应用与菇静机械加工领域之巾。美匡体颠公司穰节公司、捂鲁门 公司、美国豹b o c 公司、蠢奉静娩攮式会整等蟓擦滋5 3 0 j 豹激蹩 打孔机产晶。搿麦一家公司研究渤糍邃努强技术，在3 m m 厚的不锈锈 材料上以6 5 孑l 秒的速度打孔，而猩1 m j n 厚的不锈钢上以1 0 0 孔秒的 速度打出高质擞的孔，以这样超级打孔的速度在1 小时内可加工出以往 需要5 天才熊打出的同样数量的孔。日本在厚1 r e i n 的氮化硅板上打出 孔径0 2 m m 的张，在0 0 5 m m 的陶瓷薄膜上加工出孔径0 0 2 m m 的孔； 嚣在钦、自金、钨、锾等难热工懿耪辩上也进行了存效豹激光翅工 夔着激瓷器魏技术豹不繇深入，激光嚣耱窭参数及激光器静静类、 激光加工祝的黧型都有了长足的发碰。激光器输出功率逐渐提高，脉；申 宽度越来越窄，重复频率范围越来越宽，其他参数也越来越超着有利予 打孔的方向发腱。导光系统和激光栉孔机的控制部分的粱性不断提高， 使得打孔范围不断扩大目前国内融形成商品的激光打孔机有几十种， 除了大专院校粒科研院所之外，专门经营卷4 造激光设锯的公司也逐渐增 ， 多国内外激光加工机生产技术日趋完善，激光打孔朝着多样化、高速 度、孔径更微小的方向发展 1 3 2 激光打孔应用现状 1 群孔激光打孔 群孔激光打孔集中地表现了激光打孔的高速度、高效率、非平面打 孔，定位准确、易于实现自动化等优点激光群孔加工主要用于飞机， 汽车、电器、制药、化工、化纤、食品、医学、制衣等行业。 目前，工业先进国家的航空产品生产线上都配有相当数量的多坐标 激光打孔机，因为它具有良好的柔性，故常作为c i m s ( 计算机集成制 造系统) 的一个单元 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，打孔速度为2 0 3 0 孔s 能对打出 的孔进行联机尺寸检测，并能实现自适应控制( 即自动调整激光能量离 焦量等激光参数) 。能在气体或涡轮叶片喷嘴外罩和燃烧室打出直径为 o 1 2 7 1 2 7 r a m ，深度为1 5 2 4 r t m z 的小孔。国际商用机器公司( i 叫) 用计算机控制的c 0 2 激光器加工2 0 层印刷电路板。输出激光分成4 束， 每束激光峰值功率为3 0 w ，脉冲宽度为i m s ，两个脉冲打出一个孔。美 国t r s 公司使用的激光加工系统，有一特殊的谐振腔可以降低激光器的 发散角，以使精确可控地加工小孔主要加工飞机防冰板上的群孔，孔 径为0 0 6 m m ，每块板有3 5 0 0 0 个孔( 防冰板尺寸为：1 8 m 0 1 5 m ) 美国伯罗兹公司的电子元件分公司在制造一种自动扫描荧光屏时，利用 激光在此屏幕的厚度为7 6 2 朋的金属阴极上精确地打出了直径为 5 0 8 p m 的1 6 0 0 0 多个孔。 2 在金属材料上打孔 用钕玻璃激光打孔技术加工柴油机喷油嘴，与电火花加工相比效率 提高了1 4 倍，工人减少了一半，单件加工成本下降4 0 ，喷油嘴孔壁 粗糙度小，其出入口均形成圆角，大大提高了使用性能生产化学纤 维用的喷丝板是用硬质合金制成，要求在1 0 0 m 直径内打出1 2 0 0 0 个 直径为6 0 a n 的微孔用机械钻孔需要4 5 个熟练工加工一周；现在用 激光加工只要2j i l 即可完成利用2 5 0 0 w c 0 2 激光机进行多种类型的筛 板加工；例如在直径1 1 3 r , n 的不锈钢上打出直径为0 5 枷l 孔1 0 0 0 0 个， 作为制药过滤板 3 在非金属材料上打孔 用红宝石激光器在金刚石拉丝模上打孔不仅效率高，而且锥形比较 平滑，前后方的锥形同心度好。氧化铝、碳化硅、氧化硅等各类陶瓷均 可应用激光打孔在陶瓷上打孔，用超声打孔深径比为4 ；1 ，而用激 8 光打孔已达到2 0 ：l 。美国西方电器公司使用2 5 0 w 功率的c 0 2 激光打孔 机，以3 6 i m n ，s 的进给速度，每秒钟可以打孔2 个，在陶瓷上连续打 9 2 0 个孔仅用8 r a i n 美国达乌化学公司使用功率为2 5 0 w 脉冲宽度为5 1 5 m s 的c 0 2 激光器，在聚氯乙烯塑料制成的灌溉用管上打孔，孔径为 0 5 m m ，年产3 亿米。聚碳酸酯制造的血液处理装置的调节孔是直径 为0 2 3 r a m 的小孔，并要求孔内部无毛刺。采用i o o w 的c 0 2 激光打孔， 每分钟可打4 8 0 个，而且质量高。c 0 2 激光器非常适合于橡胶打孔。美 国目前已有每分钟打1 0 0 0 0 个孔的快速激光打孔机，可用于橡胶阀门衬 垫绝缘材料等小孔加工用，激光器在香烟过滤嘴的两侧打两排小 孔，以降低香烟中的有害物质。一台激光器输出的光束经过分束器被分 成4 0 路光，经4 0 个聚焦镜可在香烟过滤芯纸上同时进行4 0 列开孔 1 4 超微细孔腔激光加工技术应用展望 激光微细孔加工技术已经得到了很大的发展，它的作用和影响已远 远超出半导体科学技术的范围，在超导技术、新能源应用等技术领域都 有广泛用途。今后激光微细孔加工技术有以下几个方面的发展趋势1 6 j ； 1 激光打孔朝着更高速度、更高效率方向发展 激光打孔速度虽然已比机械钻孔和电火花打孔速度提高了几十倍， 但仍满足不了日益增长的社会需求例如，某些航空零件要求有上百万 个精密小孔，仅仅采用普通的单脉冲打孔和低重复频率的多脉冲打孔， 其打孔速度已远远不能满足要求。为此，必然要采取不断提高激光器的 输出参数并与其他的打孔辅助工艺相配合的措施，来提高激光打孔速 度。高速激光打孔主要用于汽车、飞机以及宇宙飞船的制造中 2 激光打孔材料多样化 激光在众多材料上打孔不仅显示了激光打孔的优势及能力，还大大 提高了许多难加工材料的使用价值，在发挥难加工材料不可估量的作用 的同时，使许多行业的产品质量及性能得到了提高。 3 用激光加工微米级小孔 在对激光器不加调制的情况下，激光打孔的孔径在0 2 o 4 m l 范 围内欲加工孔径小于0 2 n _ , n 至微米级孔必须通过对激光束限模或调 制方可实现。国外已利用连续波氩离子激光器在厚度为2 朋的锗膜上 打出直径为1 芦小的孔；利用激光器的窄聚焦光束进行3 0 胛高精度孔 的加工 4 激光打孔深度不断增加 如果激光打孔的深度一直限于几个毫米范围内，则激光打孔的优势 在某些领域不能充分发挥，应用受到限制国外用大功率激光打孔，打 9 孔速度为4 个s ，其打孔深度为1 9 0 5 m m 随着对打孔的深度还将继 续增加，这将满足模具制造业和高压喷嘴生产中对深孔的需要 5 激光打孔的质量的不断提高 目前，人们正使用各种方法对激光打孔的质量进行有效的改善。例 如，通过对激光器输出参数、脉冲形状等调整，使孔的尺寸精度不断得 到提高；用增设石油涂层方法以减少出、入口处的沉淀物；利用硅油减 小孔的锥度等等 总之，激光微孔加工技术是一种新型特种加工技术，具有打孔速度 快、工件装夹简单、经济效益高、加工材料范围广、无污染、对工件热 影响小等优点，尤其在航天航空工业的激光群孔加工中具有明显的优 势。随着激光打孔技术的不断成熟，激光打孔机的数量将不断增加；其 应用领域也是非常广阔的。 1 5 本论文研究的内容 激光打孔是利用脉冲激光所提供的1 0 1 0 sw c m 2 的高功率密度 以及优良的空间相干性，使工件被照射部位的材料汽化蒸发，进行金属 等硬质材料的打孔。在打孔的过程中，激光和工件相互作用，存在着许 多不同的能量转换过程，包括反射、吸收、汽化、再辐射和热扩散等， 它是由激光光束特性：激光的波长，脉冲宽度，聚焦状态等和物质诸多 的物理特性决定的，因此，影响激光打孔的因素很多为了获得高质量 的孔，应根据激光打孔的一般原理和特点，对影响激光打孔的主要参数 进行分析，找出激光打孔最佳的加工参数。鉴于以上因素本文的主要研 究内容为： 1 运用有限元分析软件( a n s y s ) 模拟碳钢激光打微孔时的工件内 部温度场变化情况，以确定实验用碳钢激光打微孔的加工参数 2 进行打孔实验，以碳钢为主要打孔材料，研究输出能量、激光重 复频率变化、离焦量、辅助气体、脉冲宽度、脉冲数目等对打微孔工艺 的影响。 3 工艺参数分析，总结碳钢激光打微孔作用机理并优化工艺参数 第二章激光与材料的相互作用 激光加工的前提是激光为被加工材料所吸收并转化为热能。在不同 的功率密度等条件下，材料表面区域发生各种不同的变化这种变化包 括温度升高、熔化、汽化、形成小孔和等离子体云等1 7 j 材料表面区域 物理状态的变化反过来又极大地影响材料对激光的吸收。因而有必要讨 论各种物理状态下的材料与激光的相互作用。材料在激光作用下的不同 状态如图2 1 所示。 忒彦逸 砌审 图2 1 材料在激光作用下的不同状态 固态加热；表层熔化；表层熔化，形成增强吸收等离子体云； 形成小孔及阻隔激光的等离子体云 激光功率密度较低( 对钢铁材料，c 0 2 激光，功率密度 ，1 0 w c r n 2 ) 、辐照时间较短时，被辐照材料由表及里温度升高，但 维持固相不变随着激光功率密度的提高和辐照时间的加长( 对钢铁， 1 0 4 w c r a 2 i 1 0 6 w c r a 2 ) ，材料表面逐渐熔化，其液相一固相分界 面以一定速度向材料深部移动驯。进一步提高功率密度和加长作用时间 ( 对钢铁，i 1 0 彤c ，l z ) ，材料表面不仅熔化而且汽化，汽化物聚集 在材料表面附近并微弱的电离形成等离子体，有助于材料对激光的吸 收。在汽化膨胀压力下，液态表面变形，形成凹坑。再进一步提高功率 密度和加长辐照时间( 对钢铁，i ，1 0 6 矽硎z ) ，材料表面强烈汽化， 形成较高电离度的等离子体，它阻隔激光对材料的辐照。就材料对激光 的吸收而言，材料的汽化是一个分界线。表面没有汽化，不论材料处于 固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化； 而一旦材料出现汽化并形成等离子体和小孔，材料对激光的吸收会发生 突变，其吸收率决定于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。 图为激光加热过程中测得的工件表面对激光的反射率变化。当功率密度 大于汽化阈值( 1 0 0 形，硎z ) ，反射率r 突然降至很低值，材料对激光的 吸收剧增此证实了材料汽化在吸收激光过程中有突出作用 1 1 垂2 2 反射攀耩激毙功率密菠瓣交纯 激光与秘质楣互作用首先罴从入射激光被物质及射和吸收开始的。 激光束入射岛均匀、各向同性的物质时，部分能量被周围气体( 或微粒) 和物质表面所散射或反射，进入物质的激光能量部分被吸收，其余部分 则穿透物质继续传播。真空环境巾入射激光束的总能嫩( 功率) 是反射 ( 散射) 、吸收和折射( 透射) 聂部分之和，入射波的电、磁场强度即 舞反袈翻瓠射( 透麓) 光束电、磁场强度瓣囊量彝。对嗲金属窝电夯矮， 我们霹戳霜惫动力学静理论谤算穗 】对激光束的爱瓣秘啜l | 芟特往，餐囊 实材料对激光的反射和吸收数据与其入射表面状况、瀛度、样品纯度、 压力及环境状况有关，主要依靠试验测量。 从微观机理来看，激光与物臆的相互作用是高频电磁场对物质中自 由电子或束缚嗽子作用的结果，物质对激光的吸收与其物质结构和电子 能带结构有关。金属串的自由电子提激光终用下发生麓频振动，逶过韧 致疆瓣逶莛部分攘魂憝耋转交隽壤疆波( 瑟爱袈竞) 爨掺辐袋，其余转 亿为电子豹平麓动能，再逶过毫予岛黠格之闯的弛豫道程转交为燕靛 激光在金属中瞄服深度很小，对缎外波段吸收层厚度也只有几十微米， 因此金属对通常波段激光束的反射率都很大。激光与电介质的相互作用 涉及到束缚电予的极化，单光予赋多光子吸收引起的电子从价带到导带 的跃迁( 光致嗽离) ，以及多种机制的非线性光学效威许多电介质对 激光吸收缀弱，对手红强弱可见毙熬本透明。透骧电奔璇表嚣或体内翡 杂震帮缺貉谯缝疆烈趣暖| | 殳激光戆爱，戒为瑗嚣豹壤滚。 2 1 激光加工的原理 激光是单色光，强度高、相干性和方向性好，通过系列光学系统， 可将激光束聚焦成光斑直径到几微米，能量密度高达l o 1 0 6w o , , 2 ， 能产生1 0 i ；乏土鹩高温，并旋在十分之且秒甚至更簸熊酵勰内使柽何 可熔化、不可分解的材料熔化、蒸发、汽化而达到加工目的。 激光加工是以激光为热源对工件材料进行热加工。激光打孔也是一 样，它在激光加工中归类于激光去除，也叫蒸发加工刚其作用过程大 体分为如下几个阶段：激光束照射工件材料，工件材料吸收光能；光能 转变为热能使工件材料无损加热；工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出、 去除或破坏：作用结束与加工区冷凝 1 光能的吸收及其能量转化 激光柬照射工件材料表面时，光的辐射能一部分被反射，一部分被 吸收并对材料加热，还有一部分因热传导而损失这几部分能量消耗的 相对值，取决于激光的特性和激光束持续照射时间及工件材料的性能。 不同工件材料对不同光波的吸收与反射，差别很大，参见图2 3 所 示 收弗 图2 3 不同工件材料对不同光波波长的吸收率 卜耐烧玻璃；2 - a u ； 3 - - m o ；4 - n i5 - f e ；6 - a 1 一般，导电率高的金属材料对光波的反射率比较高( 大多数金属材 料的反射率为7 0 9 5 表面光亮度高的材料，反射率也较高一 些人为或加工中必然的因素都有利于提高材料的吸收率如加工过程中 金属表面的温升、加热而形成的液相或气相、粗糙或人为处理的工件表 面等都有助于光能的吸收。 激光束加工是一个高速熔化、汽化的过程，光能传至工件表面时， 工件材料吸收光能是一个瞬态过程。开始时，即使工件表面很粗糙，反 射率也都是较高的( 尤其是金属材料) ；当工件表面材料的温度逐渐上 升，高温下表面被氧化或成熔融状态之后，反射率便逐渐降低，吸收率 迅速增加。激光的功率密度愈高，这一过程作用时间就愈短此间，光 能转换为热能。 2 工件材料的加热 光能转换成热能的过程就是工件材料的加热过程激光束在很薄 ( o 0 1 o 1 肼) 的金属表层内被吸收，使金属中自由电子的热运动能增 1 3 加，并在与晶格碰撞中的极短时间内( 1 0 1 1 1 0 4 s ) 将电子的能量转化 为晶格的热振动能，引起工件材料温度的升高，同时按热传导规律向周 围或内部传播，改变工件材料表面或内部各加热点的温度 光照一定时间时，被吸收的能量、产生的温度、导热和热辐射之间 达到平衡状态，此时光斑中心温升可由下式确定： r ( 0 ，m ) 一足 ( 2 i ) 式中，r 为光斑中心温升( ) ；4 为吸收系数；p 为入射激光的功 率( w ) ；，o 为光斑半径( ，鲫) ；k 为材料的导热系数m 似2 j 【) j 工件材料加热后，进入稳态的熔化、汽化过程，但是，不同的工件 材料，其热学物理特性亦不同一方面，工件材料的熔点、沸点、汽化 热等愈高，所消耗的热量则愈大；另一方面，工件材料的导热系数愈大， 热传导损失愈大，工件材料的温升就慢。当激光功率一定时，照射时间 愈长，热损失也加大；激光功率密度的空间分布愈分散，被辐射工件表 面的温升愈慢。 3 - r 件材料的熔化、汽化及去除 物质吸收光能的过程可以分成以下几个物理过程刚： ( 1 ) 吸收与加热阶段 温度小于材料熔点，即t t l ，激光功率密度 约为1 0 5 w c m 当温度超过熔点l 时，材料开始熔化，熔液表面向材 料内部延伸。这一阶段适合焊接与在气体喷吹下的金属切削加工 ( 3 ) 汽化阶段 温度大于材料沸点，即t 正，激光功率密度在1 0 矽册2 到 2 5 x 1 0 w c m 2 之间，表现出的特征是材料先被熔化，同时有一部分被 汽化，表面开始出现圆窝，溶液表面继续向材料内部延伸这一阶段适 合打孔、切割、材料去除等。 ( 4 ) 等离子体产生阶段 温度远大于材料的沸点，即t ，激光功率密度大于 1 5 x 1 0 8w c m z ，现象为开始少量材料被汽化，同时把材料加热到高 温；又有少量材料被电离而产生一个不透明的高温等离子体，把材料与 激光隔绝等离子体产生爆炸式的膨胀，形成半球形的冲击波，给材料 1 4 一个强的反冲击力，使熔化的材料飞溅，薄金属板可能破裂 表2 1 物质吸收光能产生的几个物理过程【1 0 】 物理过程与 功率密度w 硎- 2 现象加工类 表面温度r别 可见与近 c 0 2 激 红外激光 光 吸收与加热，小于1 0 5小于金属材料的吸收系数一般为加热、 r r l化，熔液表面向材料内部延伸 气体喷 上l l 吹下金 属切 巡午 削 1 0 6 1 0 6 材料先被熔化，同时有一部分被打孔 汽化，表面开始出现圆窝，溶液 、切割、 拳 1 5 x 1 0 。2 5 1 0 表面继续向材料内部延伸材料去 除等 开始少量材料被汽化，同时把材 1 5 x l o o 2 5 1 0料加热到高温；又有少量材料被 电离而产生一个不透明的高温等 避 离子体，把材料与激光隔绝等 离子体产生爆炸式的膨胀，形成 半球形的冲击波，给材料一个强 的反冲击力，使熔化的材料飞溅， 薄金属板可能破裂 通过以上论述，我们知道在足够的功率密度的激光束照射下，工件 材料表面才能达到熔化、汽化的温度，从而使工件材料汽化蒸发或熔融 溅出，达到去除的目的。当激光功率密度过高时，工件材料在表面上汽 化，不在深处熔化；若激光功率密度过低，能量就会扩散分布，加热面 积较大，致使焦点处熔化深度很小。因此要满足不同激光束加工的要求， 必须合理选择相应的激光功率密度和作用时间。提高激光功率密度，使 工件表面部分材料被汽化，其材料汽化量取决于所能吸收的功率密度 由于激光进入工件材料的深度极浅，所以在焦点中央，表面温度迅速升 高因此，可在极小区域达到材料熔化和汽化温度。在脉冲激光的作用 下，先是一个脉冲被材料表面吸收，并在材料表面上产生熔化区域和汽 化区域，下一个脉冲来到时，光能量在熔融状材料的一定厚度内被吸收， 此时较里层材料的汽化温度更高，使材料内部汽化压力增大，促使材料 ( 包括熔融状态的材料) 溅出。通常，材料是以蒸汽和熔融状态的形式被 去除的。若激光的功率密度更高而脉宽很窄时，工件材料的去除形式是 汽化而不出现熔融状态 由以上可知激光入射到物质表面，其能量产生多种转换。一部分被 反射，一部分被吸收，物质吸收光能后，一般产生上述的物理过程。 4 工件加工区的冷凝 激光辐射作用停止后，工件加工区材料便开始冷凝，其表层将发生 系列变化，形成特殊性能的新表面层，新表面层的性能，取决于加工 要求、工件材料、激光性能等复杂因素。一般，激光束加工工件表面所 受的热影响区很小，在薄材上加工，汽化是瞬时的，熔化则很少，对新 表面层的金相组织没有显著影响。 以上四个阶段就是激光加工的主要过程，以此为基础我们看看激光 打孔的物理作用过程。 2 2 激光打孔的物理过程 激光打孔时，当温度升至略低于材料的蒸发温度时，激光对材料的 破坏开始进行，此时主要特征是固态金属发生强烈的相变，首先出现液 相，继而出现气相u 。热能的继续增加使金属蒸汽以较高的压力从液相 的底部猛烈喷出，并携带着液相材料一起喷出这正是通常激光打孔中 看到的火花溅射，从而完成打孔过程。 以激光脉冲为例分析激光打孔的过程，可把激光脉冲宽度分成5 小 段，如图2 4 所示。 舅鼻暴 7 7 刃7 弓孑，- 艿掣芗 田 粒磁移 图2 4 激光打孔过程 “l ”段为前缘，“2 ”“3 ”“4 ”段为稳态输出阶段，“5 ”段为尾缘 当。1 ”进入材料后，材料开始慢慢被加热，由于材料的表面反射，加 热比较缓慢，热向内部传导，造成大区域的材料升温，相交以熔化为主， 相变区面积大而深度浅。当“2 ”进入材料后，因材料相变吸收率增大， 加热剧烈，熔融区面积缩小而深度增加，孔径开始收敛，蒸汽开始出现 “3 ”“4 ”段进入材料后，打孔过程相对稳定，材料的汽化比例剧增至 最大程度，蒸汽带着液相材料飞溅，形成了孔的圆柱段当“5 ”段进 入材料后，材料的加热已临近终止，汽化及熔化趋于结束，从而形成了 孔得尖锐的锥形孔底。由此可见，物质的蒸发和熔化时促成激光在材料 上成孔的两个基本过程。假定在激光作用下材料达到完全汽化，则在材 料中所产生的最大汽化深度就由下式决定，即 d 。了下7 j 墅_ 1 ( 2 2 ) 朋o 。p 【c 一瓦j + k + l ，j 式中l ，l 分别为材料的熔化和汽化潜热这时材料的去除质量即 ，r a o z d p 。另外也可以从此式估算出激光打孔所需要的能量、材料的 汽化速度和时间。 2 3 激光与材料相互作用的一般规律 1 一般材料的作用规律 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 ，i r ( 2 3 ) r 为反射率。吸收的光在材料内部穿透。按朗伯定律，随穿透路程 的增加，光强按指数规律衰减，深入表面以下x 处的光强为： ，& ) 球一 ( 2 4 ) l o 为表面& o ) 处的透射光强，口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，。止时的深度，则穿透深度为： 蜘( 2 5 ) r 、a 及口之值可由材料的光学常数或复数折