[工学]3·5+激光气化及打孔应用.ppt

激光与物质相互作用 任课老师 秦应雄讲师电话 87541774 62274402Email qyx Laser MatterInteraction 本科课程 3 5 激光打孔技术 1 激光打孔的物理机制2 激光打孔的影响因素3 激光打孔的特点与应用4 激光打孔的新技术思考 1 如何打一个锥度非常小的小孔 2 连续激光能不能打孔 为什么 1 激光打孔的物理机制 金属材料被功率密度为106 109W cm2的激光辐射时 因激光功率密度很高 会使材料表面的温度超过沸点而产生熔化或者汽化 并将表面被氧化的分裂混合物喷射出来 在激光脉冲末尾 激光功率密度降低 分裂的喷射物减弱 随着分裂物的喷射 汽化以一定的速度向材料内部移动 材料被汽化去除 孔被逐渐加深 随着孔的直径和深度的增加 分裂物相继被蒸汽压去除 最后形成一个深孔 Increasingofnumbersoflaserpulse 单脉冲 多脉冲 掩膜 轮廓迂回法 2 激光打孔的影响因素 1 脉冲能量 2 脉冲宽度 3 脉冲波形 4 激光模式 5 聚焦条件 焦距 离焦量 6 材料特性 物理特性 外形尺寸 7 多脉冲打孔 8 激光打孔的辅助工艺 1 脉冲能量 Lm Lv分别为材料的熔化和汽化潜热 这时材料的去除质量即为 a02d C 比热容 Tb 熔点温度 T0 室温 E0 脉冲能量忽略热传导和表面发射 一次气化深度 2 脉冲宽度 脉宽的选择由孔的要求而定 打深而小的孔 宜采用较长的脉冲打大而浅的孔 宜采用较短的脉冲高质量的孔 宜采用较短的脉冲导热性差的材料 宜采用较短的脉冲脉宽增大 较多的热作用于材料的非破坏性加热 使材料变形大 热应力大 易出现裂纹 一般采用0 3 0 7ms脉宽 1 低脉冲能量和长脉冲时间 Thepulsepowerdensityislower106W cm2andpulsedurationisaroundms us Theheating meltingandevaporationaredescribingthewholeprocessofthelaserdrilling Thethermaleffectsplaythemainrole 2 高脉冲能量和短或超短脉冲时间 Thepulsepowerdensityishigher107W cm2andpulsedurationspanfromapproximately100ps 100ns Irrespectiveofthechemical opticalorthermo physicalpropertiesofalargevarietyofmaterialsincludingdiamond ceramics plasticsandsteel theevolutionofthedrillingprocessshowsaquitegeneralbehavior 3 脉冲波形 应尽量选择前后沿陡 激光光强逐步增大的波形打孔 一般要求激光的前沿控制在8 10us 即可获得较好的入口 后沿短于8us可以获得高的内壁质量 尤其对于小于50us的小孔 更增加后沿的陡度 防止孔被液相物质堵塞 4 激光模式 激光发散角主要影响进出口孔径差和锥度 通常 发散角增大 孔的锥度增大 激光束聚焦光斑直径也增大 聚焦半径近似公式 聚焦深度近似公式 模式越低 发散角越小 基模发散角最小 采用基模进行打孔锥度要小 5 聚焦条件 焦点在工件表面 锥度大 焦点在工件中间 打孔质量有好有坏 一定的正离焦 打孔效果好 不锈钢材料 3mm的试验 6 材料特性 在激光功率密度F较低时 铝的热扩散损耗比铁高 铝的孔深比铁浅 随着F的增大 材料会很快达到沸点 加热速度快 这时热传导损耗可以忽略 因为铝有的汽化潜热 则铝的汽化去除量比铁大 故铝的孔深比铁要深 采用激光打孔宜采用高功率密度的激光脉冲打孔 7 多脉冲打孔 单一脉冲打孔的孔深有限 仅为孔径的3 4倍 且精度和重复性难以控制 一般采用多脉冲打孔 多脉冲打孔可以控制孔形畸变 热影响区扩大 表面开裂等不稳定因素 8 激光打孔辅助工艺 改善孔的形状 a 涂覆表面张力低的液相薄膜 减少沉积物 减少孔的锥度 b 覆盖屏蔽层 使激光打孔的锥度在屏蔽层上 c 吹入压缩空气 提高表面质量 d 工件下面安装反射镜 e 多脉冲打孔 周期性把激光束聚焦到孔底某个位置 f 激光打孔后 辅助修正 4 激光打孔特点与应用 激光打孔应用实例 1 陶瓷 0 5mm孔 发动机叶片 0 5mm小孔 激光打孔应用实例 2 过滤板 82万个 0 7mm孔 3mm厚不锈钢板 过滤板 激光焊接 打孔 切割 飞机部件的激光打孔 Materialsuchassteel nickelalloys aluminum copper brass borosilicateglass quartz ceramic plasticandrubberareallbeingsuccessfullylaserdrilled RepresentativeApplication DualpulselaserdrillingWater jetlaserdrillingTrepanninglaserpulsedrilling Processofdualpulselaserdrilling PhaseI PhaseII PhaseI Twinpulseinterval30 150nsisirradiatingonthetargetsurface PhaseII Thefirstpulsecontactonthetarget plasma moltenandvaporizedmetalappearedimmediately Dualpulselaserdrilling GENERALATOMICSCo Sierraseriessolidstatelaserdrillingsystem Outstandingadvantage highefficiency highspeed highquality PhaseIII PhaseIV PhaseIII After30ns 150ns theplasmadisappearedandmoltenmetalisexistingonthesurfaceofthematerial PhaseIV Thesecondpulsearrived Pulseenergyisabsorbedbymoltenmetalwhichbecameanewenergytodrillingthehole Water jetlaserdrilling PrincipleofWater jetlaserdrilling Trepanninglaserpulsedrilling 激光强度 激光电场 以波长为10 6 m的钕玻璃激光为例 假设激光强度 如此大的电场足以从原子直接激发电子 实际上 由于靶物质中的杂质 晶格缺陷使得P远小于