激光气化打孔应用翻译ppt课件.ppt

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1、激光与物质相互作用,任课老师：秦应雄 讲 师电 话：87541774/62274402Email:,Laser-Matter Interaction,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106109W/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

2、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。,激光脉冲数的增加,吸收光,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

3、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0.30.7ms脉宽,1 低脉冲能量和长脉冲时间,The pulse power density is lower 106W/cm2 and pulse duration is around msus.（脉冲功率在106以下，脉冲时间在msus附近）,The heating,melting and evaporation are describing the whole process

4、of the laser drilling.（加热、融化、蒸发，这就是激光打孔的整个过程,The thermal effects play the main role.（热效应起主要作用）,融化,气化,等离子体,2 高脉冲能量和短或超短脉冲时间,The pulse power density is higher 107W/cm2 and pulse duration span from approximately 100ps100ns.激光脉冲功率密度大于107W/cm2 脉冲时间约在 100ps100ns.,Irrespective of the chemical,optical or th

5、ermo-physical properties of a large variety of materials including diamond,ceramics,plastics and steel,the evolution of the drilling process shows a quite general behavior.（大多材料包括钻石、陶瓷、塑料、钢铁，不管是其化学、光学还是热物理性能，都可以在打孔过程中得到完美的展示）,极短脉冲,非处理区域,非热影响区域,非融化区域,高温等离子体,（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

6、在810us，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

7、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34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。,激光参数优化

8、打孔，无重铸、清洁几乎无碎屑、,非优化激光参数、有效重铸，顶点和碎屑分布,4、激光打孔特点与应用,激光打孔的发展趋势,较高的分辨率,降低生产成本,工业稳健性,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,Material such as steel,nickel alloys,aluminum,copper,brass,borosilicate glass,quartz,ceramic,plastic and rubber are all being suc

9、cessfully laser drilled.材料如钢铁、镍合金、铝、铜、黄铜、硼硅酸盐玻璃,石英,陶瓷,塑料和橡胶都可以用激光打孔,Representative Application典型应用,Dual pulse laser drilling双脉冲激光打孔Water-jet laser drilling喷水口激光打孔Trepanning laser pulse drilling,Process of dual pulse laser drilling 双脉冲打孔过程,Phase I,Phase II,Phase I:Twin pulse interval 30150ns is irrad

10、iating on the target surface.双脉冲间隔 30150ns照射到目标表面,Phase II:The first pulse contact on the target,plasma,molten and vaporized metal appeared immediately.第一个脉冲接触到目标，立刻出现 等离子体、融化、气化现象,Dual pulse laser drilling,GENERAL ATOMICS Co-Sierra series solid state laser drilling system,Outstanding advantage:high

11、 efficiency;high speed;high quality,Phase III,Phase IV,Phase III:After 30ns150ns,the plasma disappeared and molten metal is existing on the surface of the material.,Phase IV:The second pulse arrived.Pulse energy is absorbed by molten metal which became a new energy to drilling the hole.,Water-jet laser drilling,Principle of Water-jet laser drilling,Trepanning laser pulse drilling,Thank You!,