激光打孔系统设计

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1、第一章 激光打孔系统概述1.1 激光的特性激光的应用领域根据激光的特性而确定。概括地说，激光有四大特性：单色性、相干性、方向性和高能量密度。1. 激光的单色性 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，这是由于构成激光的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（如氪灯）的频率宽度要窄几个数量级。因此，激光单色性比普通光源单色性要好得多。2. 激光的相干性相干性是区别激光与普通光源的重要特征。当两列振动方向相同、频率相同、相位固定的单色波迭加后，光的强度在迭加区域不是均匀分布的，而是在一些地方有极大值，一些地

2、方有极小值。这种在迭加区域出现的强度稳定的强弱分布的现象称为光的干涉现象，即这两列光波具有相干性。在普通光源中，各发光中心是自发辐射，彼此相互独立，基本上没有相位关系，因此很难有恒定的相位差，相干性很差；而激光是受激辐射占优势，加上谐振腔的作用，各发光中心是相互密切联系的，在较长时间内有恒定的相位差，能形成稳定的干涉条纹，所以激光的相干性好。3. 激光的方向性激光束的方向性好亦即光线的发散度小，是因为从谐振腔发出的只能是反射镜多次反射后无法显著偏离谐振腔轴线的光波。由于不同激光器的工作物质类型和均匀性、光腔类型和腔长、激励方式以及激光器的工作状态不同。一般气体激光器由于工作物质有良好均匀性，并

3、且腔长一般较大，所以有最好的方向性，发散角可以达到10-3rad；固体激光器方向性较差，发散角一般在10-2rad量级。当然，通过外光路系统的改进（如加望远镜系统），也可以改善其方向性。激光束的空间相干性和方向性对它的聚集性能有重要影响。4. 激光的高能量密度激光束也和其它光束一样，可以通过凸镜或金属反射镜加以聚焦。经聚焦后，可以将激光的巨大能量聚焦到直径为光波波长量级的光斑上，形成极高的能量密度，例如了产生的1051013W/cm2功率密度（辐照度）。主要的特征就是激光可以聚焦产生巨大的功率密度，而使激光加工成为可能。1.2 激光打孔的特点激光打孔与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手

4、段相比，具有以下显著的优点：1. 激光打孔速度快，效率高，经济效益好。由于激光打孔是利用功率密度为107109W/cm2的高能量激光束对材料进行瞬时作用，作用时间只有10-310-5s，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及控制系统配合，通过微处理机进行程序控制，可以实现高效率打孔。在不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101000倍。2. 激光打孔可获得大的深径比。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。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，所以可获得比电火花打孔及机械钻孔大得多的深径比。一般情况下，机械钻孔比电火花打孔所

5、获得的深径比值不超过10。3. 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。高能量激光束打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，它既适合金属材料，也适合于一般难以加工的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。由于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。而用激光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得到解决。我国钟表行业所用的宝石轴承几乎全部是激光打孔。人造金刚石和天然金刚石的激光打孔应用也非常普遍。用YAG激光在厚度为5.5的硬质合金上打孔

6、，深径比高达14：1，而在11.5厚的65Mn上可打出深径比为19：1的小孔。在10厚的坚硬的氮化硅陶瓷上可容易地打出直径为0.6的小孔，这都是常规打孔手段无法办到的。特别是在弹性材料上，由于弹性材料易变形，很难用一般方法打孔。例如在婴儿奶瓶的奶嘴上打孔，由于在打孔过程中奶嘴材料易变形，使得孔形不规则，所以打孔比较困难。用激光不仅质量高，而且效率也高。可用分光束器将单个激光脉冲分成三部分，用光学系统聚焦，同时打出两个通气孔和一个食奶孔。用铝掩膜和同轴喷气方法能使二氧化碳激光在塑料和薄橡胶片上打大量的小孔；激光可以加工气溶胶塑料喷嘴小孔；在尼龙钮扣上打孔可以避免用机械方法打孔时产生的碎屑，还能够

7、消除使缝纫线割断的棱角等。4. 激光打孔无工具损耗。激光打孔为无接触加工，避免了机械钻打微孔时易断钻头的问题。用机械钻加工直径为0.8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，而且会因为钻头折断致使整个工件报废。如果是在群孔板的加工中出现钻头折断，将使问题更为严重。在这种情况下，去除折断钻头的最好方法也仍然是激光打孔。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。5. 激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。由于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

8、。结合激光打孔孔径小、深径比大的特点，通过程序控制可以连续、高效地制作出小孔径、数量大、密度高的群孔板。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13个数量级，例如，食品、制药行业使用的过滤片厚度为13，材料为不锈钢，孔径为0.30.8，密度为10100孔/cm2。为了达到节油40%的目的，要在飞机机翼上打出5万个直径为0.064的孔。在飞机的防水系统中用激光加工出34.5万多个小孔。在一台推力为一万公斤以上的现代航空发动机的涡轮叶片及火焰筒等零件上加工出710万个冷却小孔。若采用气膜和发散冷却技术，小孔数量可达50万个。这些大数量的孔非激光打孔莫属。6. 用激光可在难加工材料倾

9、斜面上加工小孔。对于机械打孔和电火花打孔这类接触式打孔来说，在倾斜面上打小孔是极为困难的。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。如果为高强度、高硬度材料，打孔几乎是不可能的；而激光却特别适合于加工与工件表面成690角的小孔，即使是在难加工材料上打斜孔也不例外。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，没有污染。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，不需要特别保护。

10、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。由此可见，激光是一种高质量、快速打孔的有效工具。1.3 激光打孔原理概述 所谓激光打孔，就是将聚焦的激光束射向工件，把工件的指定范围“烧穿”。一般说来，当功率密度为W/cm2时，就能使各种材料（包括陶瓷）熔化或气化，即达到“烧穿”的目的。由于激光的亮度极高，只要将中等强度的激光束有透镜聚焦，在焦面处的功率密度远远大于上述的数值，因此激光是一种强有力的打孔工具。由于激光是波长单一、亮度极高、空间相干性和时间相干性都非常好的相干光，它具有良好的可聚焦性。激光经过光学系统的整理、聚焦和传输，在焦点处可得到直径为十几至几

11、微米的细小光斑，使得焦点处激光的功率密度高达1051013W/cm2。在焦面处的激光功率密度，等于激光输出功率除以光点面积，即： F = （11）式中F为焦面处的激光功率密度，P为激光输出功率，d为焦面处光点的直径。激光经聚焦后作为高强度热源对材料进行加热，如(图21)所示。当激光功率密度为105106 W/cm2时（见图22），就能使各种材料（包括陶瓷）熔化或汽化。图11激光打孔；图22各种过程所需要的功率密度；图23激光束的发散角虽然说激光的方向性极好，但也有一定的发散角（见图23）。假设激光束的发散角为，聚焦透镜的焦距为f，则在焦面上的光点的直径d为： （12）在一般情况下，固体激光器光