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激光打孔技术简介

时间: 2019-09-30 作者:激光超市 来源:激光超市 阅读: 17 次

激光打孔是通过高功率密度、短时间停留(低于激光切割)的脉冲热源进行打孔的激光加工技术。孔径的形成可以通过单脉冲或多脉冲实现。相比传统的机械钻床、电化学和电火花放电等打孔技术,在加工深度较浅的孔位时,激光打孔是更有经济效益的打孔技术。虽然基于切割设计的激光热源也可以用于钻孔,但是使用基于钻孔设计的激光热源在工作时更为有效。同时这个高功率、可重复的脉冲激光可以通过加工一系列紧密相连的小孔来实现激光切割。一般来讲激光打孔的直径一般在0.075~1.5mm之间。(0.003~0.060英寸)。

由激光制备的小孔孔内清洁,并伴有少量的重铸层,也就是说在打孔过程中熔化的金属可能会附着在小孔的内壁。当需要孔径较大时,就需要采用切割模式下的激光束打孔技术来获取需要的孔径。在打孔过程中,首先使用打孔模式制备足够尺度的小孔,从而使后续的切割过程从此处开始作业。钻孔或穿透过程需要具有高峰值功率的可重复脉冲激光束,同时配合较高的气压来实现,工件穿透之后,激光束通过峰值功率降低甚至转变为无脉冲模式实现切割。

固体激光器波长较短,能够实现高强度的脉冲输出,因此更适用于激光打孔,比如Nd:YAG激光器、Nd:glass激光器和Nd:ruby激光器。在工程应用中,对于金属材料的激光打孔常采用Nd:YAG激光器实现。CO2激光器常用来进行非金属材料的开孔,如陶瓷、复合材料、塑料或者橡胶。

金属材料的激光钻孔需要脉冲激光,光束聚焦功率密度要在10^5 W/mm^2 (6.5 W/in.^2 × 10^7 W/in.^2)以上。切割过程中聚焦光束击中材料表面,材料发生熔化并挥发,熔融和蒸发的金属会被喷射出来,从而在工件上形成孔洞。一般来讲激光开孔的深度一般为孔径的6倍。对于厚壁部件的激光开孔,可能需要多次脉冲才能实现材料的完全穿透。激光开孔技术最大能达到25mm厚材料的打孔。

激光束的聚焦

在激光打孔模式下,需要使用短焦距透镜将脉冲激光的高峰值功率光束聚焦到直径为0.6毫米数量级的光斑上以达到钻孔所需要的功率密度水平。

通过特定的激光谐振器可以实现激光束的低发散度。在打孔过程中,低发散度的激光束改变了工作时的光束的反射传播,从而提高了钻孔的质量和孔深。通过改变聚焦装置的光圈可以实现光束直径的控制。因此光圈可以用来提高聚焦光束的能量密度,提高光束的强度分布,这些原理都对激光打孔的应用具有一定的借鉴意义。

激光打孔技术的优势

激光钻孔具有激光切割的大部分优点。当需要的孔直径小于0.5毫米(0.020英寸)时,激光钻孔尤其有利,而且在常规工具无法进入的区域进行开孔时,仅需要使光束与材料表面形成一定的角度就可实现激光束的摄入打孔,有效避免了机械加工时因结构干涉带来的撞击破碎事件的发生。

其他激光打孔的优势如下:

  • 开孔时间短
  • 自动化适应性强
  • 可用于难于开孔材料的穿透加工
  • 与机械开孔相比,开孔过程中与工件之间不存在任何形式的机械磨损
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