雷射打孔方法分类课件.ppt

第 7 章雷射打孔技術,7.1雷射打孔原理7.2雷射打孔實例7.3雷射打孔與精密切割,在研究雷射打孔時，一般使用自由振盪雷射器或調Q輸出的雷射器，經聚焦後，打孔的雷射能量密度，一般在106109W/cm2之間，在這一範圍內，對於不同的材料，同時有材料的熔化和汽化，以及部份物質以固相的形式濺出。對於飛秒雷射打孔，其能量密度遠大於109W/cm2，因而以非線性吸收為主，液相物質產生很少，主要以氣相剝蝕方式去除材料，由於所用時間非常短，產生的熱影響非常小，相對精度較高，非常適合於微孔加工1。,7.1雷射打孔原理,7.1.1雷射打孔基本原理雷射打孔屬於去除加工範疇，利用雷射的功率密度高的特點，將其聚焦，使加工材料瞬間被加熱熔化、汽化，熔化物質被蒸氣的剩餘壓力排擠出來，形成孔洞。材料適應性強，軟、脆、硬等材料均可用雷射打孔。雷射打孔的孔徑範圍大，從微米小孔到毫米以上的孔均可加工。可以方便地打任意角度的斜孔，而用機械法打斜孔時，如果角度過大，刀具在材料上滑動就無法進行打孔。,雷射打孔可以獲得大的深徑比，一般機械打孔深徑比不超過10：1，雷射打孔可以達到100：1以上，加工效率高，可實現高速打孔，特別適合數量大，密度高的多孔加工，無刀具磨損。傳統的機械打孔法對硬性材料時，要經常更換磨損的刀具，既影響效率，又增加了加工成本。而雷射打孔是非接觸式加工，不存在刀具磨損的問題。,一、雷射打孔方法分類一般可以根據打孔的原理分為複製法和輪廓迂迴法。1.複製法採用複製法加工時，在加工雷射光束光軸垂直方向上，沒有光束和工件的相對移動。該方法在加工小孔時最為常用。2.輪廓迂迴法採用輪廓迂迴法，既可以採用脈衝工作，也可以採用連續雷射。脈衝工作時，孔以一定的位移量移動，並彼此交疊，而形成一個連續的輪廓。輪廓迂迴法從原理上可以加工任意大直徑的任意形狀的孔，因此也被稱為精密打孔切割。,圖7.1雷射打孔方法,二、準穩定破壞模型1.雷射打孔的複雜性對不同的打孔材料，用不同的雷射脈寬、波形和能量打孔，所表現出的物理現象大不相同。目前，被廣泛引用的是針對中等功率密度(106108W/cm2)雷射（一般採用自由振盪雷射器）對強吸收材料（如金屬、鐵氧體等）打圓柱孔的“準穩定破壞”模型1,3。2.打孔過程描述,圖7.3打孔過程1、2起始段，35準穩定破壞段，6收尾段,3.準穩定破壞狀態描述準穩定破壞狀態是準穩定蒸發和準穩定熔化兩種現象的綜合。(1)準穩定蒸發：雷射加熱一維半無限大物體模型，當雷射的光通量密度超過一定的下限，材料產生有效的蒸發，當雷射加熱材料溫度達到某一溫度Tv的瞬時起，被吸收並轉換成熱的輻射能分配為兩部份：一部份靠導熱機制傳遞給材料內部，另一部份則消耗於蒸發吸熱。,在準穩定蒸發狀態，雷射單位時間釋放的熱，一方面消耗於加熱，一方面消耗於把蒸發潛熱LB傳遞給速度為v0的材料層，即（7.1）式中，q為雷射的光能量密度（功率密度），v0是準穩定蒸發的邊界運動速度，為材料的密度，c為材料的比熱容，以及LB(T0)是準穩定蒸發溫度T0下的蒸發潛熱；J/cm3。,表7.1某些材料準穩定蒸發過程的主要特性,注：q1*的數值針對脈衝持續時間1s而言。,事實上，準穩定蒸發對雷射的光能量密度有上下限的要求，在雷射脈衝結束時，可以建立準穩定蒸發過程的下限光能量密度 為式中，L0是T為0K時物質的蒸發潛熱，是光在介質中的吸收率；cm-1。是雷射脈衝寬度。,(2)準穩定蒸發和熔化：為了研究的方便，人們設計了準穩定蒸發和熔化的模型。該模型假設孔的底部材料只是蒸發，孔壁材料卻被熔化，並且這兩個過程都是準穩定的。,4.打孔參數求解通過準穩定蒸發和熔化模型，結合聚焦鏡後雷射的光錐方程，可以方便地求出在一定功率（能量）下打孔的深度h和半徑r。如圖7.4所示，光束極限發散角為的光錐方程，可寫為,在蒸發和熔化過程的準穩定條件下，凹坑中每一瞬時的能量平衡式式中，P(t)為雷射瞬時功率，LB和Lm分別為蒸發比能和熔化比能；J/cm3。左邊表示dt時間內被吸收的雷射能量，右側第一項表示用來蒸發孔底部厚度dh所需的能量，第二項表示熔化厚度為dr，高度為h(t)的圓環所需的能量。在此方程中忽略了熱傳導作用。,圖7.4孔深h和半徑r隨時間的變化光錐的半張開角，r0凹坑起始半徑（等於光點半徑）,設P(t)為常數，在初始條件h(0)0，r(0)r0下，聯立方程式（7.3）和式（7.4），在h(t)r0時，可以得到h(t)和r(t)的表達式如下：,當h(t)r0時，則為,實際上LBLm，相對孔深可以寫為,式中，D為雷射工作介質端面直徑，2 為雷射發散角，l為從雷射介質端面到焦距為f的光學系統前焦點之間的距離。當時，是獲得小直徑深孔的最佳條件,一般情況下，在凹坑已形成某一深度時，由於雷射光束散焦而在凹坑底部發生能量密度減小，這一現象在能量為E的無數次脈衝打孔時，造成孔存在極限尺寸,破壞比能是指去除單位體積材料所需要的能量，用Lp來表示，則通過式（7.12）可以求得半徑r。,對於確定的雷射能量E、脈衝持續時間、雷射發散角2、給定的孔深h和孔半徑r，可以求得聚焦透鏡焦距為式中，。,表7.2某些金屬與合金的Lp和LB值/103Jcm-3,7.1.2雷射打孔設備一臺雷射打孔設備，通常由雷射器、觀測與定位系統、控制系統。,圖7.5 雷射打孔設備,一、打孔用雷射器目前工業上常用來打孔的雷射器有CO2雷射器和Nd：YAG雷射器，其中Nd：YAG雷射器最為常用。CO2雷射器的轉換效率較高（可以達到20%），許多非金屬材料（如有機玻璃、塑料、木材、多層複合板材、石英玻璃等）對10640nm的CO2雷射強吸收。,Nd：YAG晶體的優點是閾值低、導熱性好、熱負荷及機械負荷均很高，可以製作成高重複頻率或連續輸出的器械，是目前工業上最常用的固體雷射器，其1064nm波長的雷射輸出是CO2雷射器的10640nm波長的1/10，對金屬的加工更為有效，另外它的光傳輸系統除用傳統的反射鏡外，也可採用光纖，傳輸靈活方便，其調Q或調制元件的配套也很容易，因此Nd：YAG雷射器是目前最常用的打孔雷射器。,二、光學系統1.觀測與定位光學系統為保證觀察者的眼睛不受到雷射的傷害，觀察和打孔通過控制光閘或控制雷射器電源交替進行。為了在打孔的同時觀察孔的成形情況，也可以用CCD成像元件代替人眼，通過顯示器觀察並實際調整設備的工作狀態，徹底避免人眼可能受到的誤傷害。,圖7.6雷射打孔機光學系統原理,2.雷射光束參數變換系統(1)光柵：其在共振腔中有選模、限模的作用，另外也有控制改變脈衝能量的作用。(2)校正擴束望遠鏡系統：採用擴束望遠鏡系統可以減小雷射光束的發散角，而可以把光點聚焦得更小。雷射光束發散角經擴束望遠鏡系統變換後可寫為 後前/M,式中，M是擴束望遠鏡的放大倍數。而聚焦光斑的直徑可寫為式中，f是聚焦透鏡的焦距。這就說明，加了校正擴束望遠鏡系統後，聚焦光斑直徑是原來的1/M。,(3)聚焦系統：聚焦工作物鏡是雷射打孔機必不可少的部份。較大能量的打孔機，往往採用單片鏡，因為膠合起來的複合透鏡。小能量的打孔機可選用膠合的複合透鏡，如李斯特(Lister)型複合透鏡。為了防止打孔時產生的濺射物污染聚焦鏡，往往採用輔助吹氣和加保護片的方法，保護片可以用顯微鏡臺上，常用的薄蓋玻片或透明膠片，輔助氣體可以是經過濾的空氣，也可以根據需要選用氧氣、氮氣或惰性氣體等。為提高加工效率，採用大能量的雷射器，通過適當的聚焦系統可以同時打多個孔，或是異形孔。,圖7.7雷射光束各種聚焦法,三、工作機床與控制系統,圖7.8某彈性雷射加工機床示意圖,7.1.3雷射打孔的精度分析一、雷射參數影響1.脈衝能量(1)雷射脈衝能量對孔的影響，雷射脈衝能量E直接影響在材料上打孔的尺寸，孔的直徑d和深度h約與能量的1/3次冪成正比，即,圖7.9孔徑、孔深和能量的關係 1改變激發能量，2改變光柵大小，3改變衰減片透過率,(2)雷射脈衝能量的重複精度，對於燈激發的固體雷射器來講，脈衝能量E0的大小取決於儲能電容器組儲存能量Ei、閾值儲能Eth和雷射器的斜率效率。三者之間的關係為假設電容器組的總電容量為C，充電最終電壓為V，則有,若額定充電電壓V，有一電壓波動量V，則Ei也隨之有一波動量Ei。顯而易見，Ei不僅與電壓波動量V有關，而且與額定充電電壓V有關。總之，雷射能量的波動，直接影響著雷射打孔的精度及重複穩定性。一般情況下，如果能量波動不超過1J，或相對波動不超過5%時，便可以進行精密雷射打孔。,2.脈衝寬度在雷射脈衝能量恆定時，雷射脈寬的變化，不僅帶來打孔尺寸的變化，而且對孔壁表面的品質也有很大的影響。,表7.3脈寬與孔深、孔徑的關係,脈寬的選擇是由孔的要求而定的：打深而小的孔，宜選用較長的脈衝寬度。打大而淺的孔，則宜選用較短的脈衝寬度。在加工高品質孔的時候，宜選用較短的脈衝寬度，因為這樣可以避免孔壁堆積熔融物，卻會降低打孔的重複穩定性。另外由於短脈衝打孔，材料汽化劇烈，被排出的材料蒸氣較濃，因而加劇了對後面光束的屏蔽及散射作用，同樣也會降低高重複穩定性。因此選用0.30.6ms脈寬，對大多數情況下都是適宜的。,3.脈衝波形(a)中波形前後緣坡度平緩，整個波形呈饅頭狀，如果用這樣的波形打孔，孔進口處喇叭口大，中間有較大的錐度，收尾時最尖，孔形最差。(b)中波形前後緣坡度較陡，呈平頂狀，用這種波形打孔，孔進口處喇叭口減小，孔中間段錐度減小，收尾尖錐變鈍，所以孔形相對較好。(c)是經過複雜波形調制獲得的一種雷射脈衝波形，前後緣陡，中間段呈上升波形，它是通過放電網絡的搭配，使儲能電容的釋放能量，隨時間逐漸增加，雷射光強度逐漸增加，使用這種波形打孔，進口喇叭口最小，孔的中間段呈圓柱形。,圖7.10雷射波形與打出孔的軸向剖面示意,4.模式及光束發散角雷射的橫模模式直接影響到雷射光束的發散角，而雷射光束發散角，主要影響進出口孔徑差和錐度。通常，增大，孔的錐度增大，雷射光束聚焦光斑直徑也增大。,圖7.11孔徑與發散角的關係,減小雷射光束發散角，可以通過雷射共振腔內的選橫模措施實現，也可以通過共振腔外加光柵限制高階模通過實現。功率或能量輸出越大的雷射，由於增益的提高，很難實現單模輸出，或在提高能量輸出時，原來的單模輸出變成了多模輸出，因此要根據打孔的實際情況對模式提出要求，在某些精度要求不高的情況下，可以適當減小對雷射發散角的要求。,5.光斑形狀對打孔的影響如雷射工作物質的光學不均勻性，雷射物質的污染和損壞，共振腔污染或光傳輸系統鏡片的污染，或是聚焦鏡片污染等，會出現光斑分佈不均勻的現象，這時打出孔的圓度將大受影響。因此必須保證光學系統的品質。由於雷射共振腔的失調或傳輸光路同軸性偏離會造成光斑形狀的變化，因此應該在雷射正常輸出的情況下，精心微調雷射共振腔，使雷射的光斑最圓，並保證與光傳輸光路的同軸性。在調整光路時，要先從雷射器調起，再調整傳輸光路，因為雷射調整後，光軸會有微位移，在要求精確定位時，需重新調整兩者光軸重合。,二、雷射器熱穩定性對雷射參數的影響1.雷射工作物質發熱對輸出能量的影響雷射工作物質溫度的變化會引起雷射輸出能量的波動，其中包括下列幾種可能因素。雷射工作物質增益隨溫度的變化雷射工作物質發熱引起熱透鏡效應,2.雷射物質發熱對發散角、束腰位置的影響熱透鏡效應可能會改變雷射共振腔的腔型，因此發散角和束腰位置也會改變，這對打孔的尺寸和打孔品質都有一定的影響。3.雷射工作物質發熱對雷射偏振特性的影響對於偏振輸出的雷射器，如紅寶石雷射器、電光調Q的Nd：YAG雷射器和半導體激發的Nd：YVO4雷射器等，雷射在傳輸過程中，有可能某些反射鏡片對不同方向的偏振的傳輸效率不同，因而偏振有改變時導致功率的起伏。為避免雷射能量和光斑能量分佈的改變，應選擇對偏振不敏感的反射系統，同時提高雷射器的熱穩定性。,三、聚焦條件對精度的影響,圖7.13離焦量f對孔壁形狀的影響,從圖中可見，當離焦量f 取(67)mm時（此數值與觀察系統的結構有關，也會因人視力的不同而異），打出的孔徑達最大值，而錐度卻降到最小值，此時的離焦量f 即為最佳離焦量。,四、不同材料影響,圖7.15材料對孔徑的影響,熔點高、導熱性差的陶瓷孔徑的彌散度最小。在雷射打孔過程中很易與空氣中的氧發生放熱反應，加劇了雷射的熱作用，在相同的條件下，在鈦上打的孔徑大。另外，由於鈦的潛熱大，液相鈦比液相鋁更難去除，所以在加工鈦時，再鑄層很容易把孔全部堵死。在鈦上打孔孔徑比在陶瓷上打孔的孔徑大0.05mm，比在鋁上的孔大0.02mm。它的最大孔徑與最小孔徑差為0.048mm，只有70%的孔徑誤差在0.01mm範圍內。適合精密打孔的金屬有不銹鋼、中高碳鋼以及鎳基耐熱合金等，其孔壁的表面粗糙度及圓度都比較好。,五、多脈衝打孔1.多脈衝打孔的特點在多脈衝加工的情況下，由於每個脈衝使材料分層汽化的結果，孔的深度逐漸增加，這時孔的最終深度由一組脈衝的總和能量來決定。同時，孔的直徑由一組脈衝裏的單個雷射脈衝的綜合參數來決定。孔的直徑相關於雷射光束在加工區域的直徑和焦散面的形狀。多脈衝加工的另一個特點，是由於減小了各種參數的不穩定性影響，使雷射脈衝加工結果的重複性得以提高。,2.多脈衝深孔加工多脈衝方法適合深孔的加工。在第一個脈衝後，孔徑不再有較大的增加，而孔深則隨脈衝次數的增加而增加，但有一極限深度h極。引入多脈衝加工平均能量E平均的概念，即式中，Ei為每個脈衝的能量，n為脈衝個數。,多脈衝打孔所能得到的孔徑和孔深極限值為式中，Q*為在脈衝將結束前，可使材料汽化的閾值能量密度；J/cm2。,多脈衝打孔所能獲得的最大深徑比 和打最深孔所需的雷射脈衝數n最大，即對於鋼材：Q*約為300J/cm2，鋁材：Q*約為360J/cm2，鎳：Q*約為550J/cm2，鎢：Q*約為1700J/cm2，鈦：Q*約為260J/cm2。,3.多脈衝精密孔加工高精度打孔的最佳方式，應能保證成孔過程中孔壁和孔底的熔化最小，這在滿足下列兩個條件時是可能達到的。式中，a是材料的傳熱係數；cm2/s，是每個脈衝的持續時間。,上述兩式實際上表達了雷射脈衝的持續時間要短於孔壁冷卻的時間，及每一次打孔深度要小於初始孔徑的意思。液相產生的量比較少且容易排除，並且分佈比較均勻，因而打孔的品質最好。要求雷射脈衝的持續時間較短，並且能量不是很大，每個短脈衝的間隔要足夠長，以便液相的排除和冷卻。,7.1.4雷射打孔的輔助技術針對雷射打孔的特點，具體可以分為三個內容：1.改善孔的形狀(1)在工件表面塗覆一層具有較低表面張力係數的液相薄膜（如石油、矽油），該薄膜並不影響雷射光束的聚焦，在高溫下汽化極慢，可減少出入口處的沉積物，減小孔的錐度。(2)可在工件表面覆蓋上一層屏蔽層，如鋁箔或用工件材料製成0.20.6mm的薄片。屏蔽層的厚度根據被加工孔的錐部尺寸選取。(3)在雷射加工時，同時吹入壓縮空氣可減小孔的幾何形狀誤差和提高表面品質，如圖7.17(a)和(b)所示。,圖7.17校準孔的方法1雷射光束，2透鏡，3工件，4高壓室，5氣體，6玻璃，7反射鏡,(4)在工件下面一定距離處安裝一個反射鏡圖7.17(c)，從工件出來的雷射經反射鏡再作用於工件，利用反射的雷射，適當選擇反射距離，可以獲得相當準確的出口直徑及形狀。(5)在多脈衝加工時，移動聚焦透鏡與工件的相對位置，或依次地改換帶不同光柵的聚焦透鏡來獲得圓柱形孔。(6)在加工一些高品質的孔，特別是在難加工材料上打孔時，若僅用雷射加工不能滿足精度和表面品質要求時：,a.在陶瓷、耐酸鋼、合金及鉭上打孔時，可用鎢絲、高速鋼或硬質合金製成的工具進行機械研磨，可減小孔的表面粗糙度，提高孔的精度。b.在寶石、金剛石、陶瓷或硬質合金材料上打孔時，採用超聲精加工降低孔的表面粗糙度，去除變質層，提高孔的精度和改善廓形。c.在銅及銅合金、鋁及鋁合金、碳鋼或合金鋼上打孔時，可用70%的硝酸溶液進行化學腐蝕，可以改善孔的橫截面形狀，減小表面粗糙度以及孔壁的波紋。d.在矽微晶玻璃、裌布玻璃膠板等複合材料上打孔，可用細的研磨粉加工，而能減小孔的表面粗糙度，改善孔的縱面形狀。,2.提高打孔效率(1)吹氣：即在雷射打孔時，同時吹壓縮空氣或其他氣體，可以清除孔腔內的熔融物。(2)增加透明材料的吸收：在玻璃、寶石和金剛石等透光材料上打孔時，可在其表面塗覆一層具有很好的光吸收性能的塗層，如炭黑、墨汁、氣體炭黑液等。(3)預熱工件：用電漿火焰、電流、電磁感應等預熱加工區，可以增加材料的吸收，改善孔的品質與縱向廓形，減小表面粗糙度。(4)在工件背面放置高吸收易熔化蒸發材料。當雷射作用形成孔時，這種易熔物開始汽化，並形成蒸氣，加速孔內熔融物的噴發，而改善孔的廓形。,3.對聚焦透鏡保護(1)可在聚焦透鏡與被加工表面之間放置透光遮蔽物，如玻璃、電影膠片，或採用帶孔圓盤式葉片的迴轉遮擋，或採用液體保護層等。(2)吹氣保護。(3)利用電場或磁場保護12。,7.2雷射打孔實例,7.2.1噴絲頭打孔,圖7.18噴絲孔剖面圖,對於熔體紡絲法噴絲板孔數，長絲為1150孔，短纖維少的為400800孔，多的可達10002000孔。噴絲板的孔徑一般在0.20.4mm。溶液法紡絲的噴絲板的孔數較熔體紡絲多，一般達40002000孔13。,7.2.2噴油嘴打孔,圖7.19噴油嘴結構,其參數如下：每雷射脈衝能量40J，透鏡焦距75mm。離焦量第一脈衝為4mm，第二至第四脈衝為7mm，打孔脈衝數4，打出的孔徑(0.640.03)mm。由於孔的進口處有喇叭口，它的深度一般不超過0.100.20mm，所以打孔時留出相應的餘量，打完孔加工去除餘量，此時孔進、出口的孔徑差一般不超過0.03mm。,7.2.3寶石軸承打孔對寶石軸承一般使用多脈衝雷射打孔，控制每個脈衝的能量，防止出現裂紋。,表7.5紅寶石雷射器寶石軸承打孔數據,Nd：YAG雷射器的電光轉換效率高，容易實現大能量、高重複頻率輸出。平均功率200W，重複頻率100Hz以內，單脈衝能量不小於30J的雷射參數，完全可以滿足寶石軸承的打孔，而實現該參數並不困難。,7.3雷射打孔與精密切割,7.3.1金剛石片打孔切割生產細金屬線的拉線模具很容易磨損，因此常選用天然或人工金剛石來製造。金剛石片的孔形剖面是連續光滑的多段變錐度孔（圖7.20），可先用雷射在金剛石坯料上加工出預孔，再用機械的方法研磨拋光，達到次微米量級精度和鏡面光潔程度。,圖7.20金剛石拉絲模孔形,表7.6金剛石模具的雷射打孔和傳統打孔時間對比,目前常用聲光調Q的Nd：YAG雷射器加工金剛石拉線模。一般這類雷射器可以輸出脈寬為200ns的脈衝序列，脈衝序列的重複頻率為550kHz可調，脈衝能量在3080mJ之間，脈衝峰值功率約為400kW，平均功率在十幾瓦到幾十瓦之間，可以單模或多模輸出。採用該雷射器的金剛石拉線模打孔可用一種稱為“半徑掃描、逐層剝離”的模型形容（圖7.21）,圖7.21“半徑掃描、逐層剝離”示意圖,7.3.2不銹鋼管打孔切割不銹鋼和其他金屬的雷射加工類似，即對短波長的雷射吸收較好，對長波長雷射的反射率很高，因此Nd：YAG雷射器常被用來加工不銹鋼。對不銹鋼精密打孔切割的Nd：YAG雷射器，一般使用聲光調Q技術，輸出功率在幾十瓦量級即可。,工業上有三種不同類型的不銹鋼：奧斯田體不銹鋼（代表性品種是Cr18Ni8）、麻田散體不銹鋼（代表性品種是Cr13）和肥粒體不銹鋼（代表性品種是Cr18）。對於奧斯田體不銹鋼來講，鋼中鎳元素的存在，影響光束能量在材料中的耦合和傳輸。尤其是在切割過程中熔融態鎳的黏度較高時，會引發熔渣黏附在切割背面，高速輔助氣流或多或少能夠改善薄工件的粘渣程度，但是不能徹底消除，對於厚的工件來講尤其明顯。對於不含鎳的麻田散體不銹鋼和肥粒體不銹鋼而言，雷射切割則可以獲得清潔、光滑的切邊品質。對於在加工中產生的粘渣，可在加工後用超聲波在弱酸中清洗掉16。對不銹鋼雷射加工時，採用吹氧氣的方式打孔切割速度，大約是吹惰性氣體時切割速度的兩倍。,圖7.22掃描法和切割法打孔,圖7.23不銹鋼管雷射打孔實物圖,