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                      準分子激光材料加工--打孔

                      2011-11-3 9:02:01

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                      在材料加工中,打孔作業是激光器在工業上的最早應用之一,當時使用的是紅寶石激光器,因為它們有尖銳的輸出特性。目前,主要是使用脈沖Nd:YAG激光器來進行大量的打孔作業。

                      激光打孔作為一項合適的技術,主要被用于氣膜冷卻孔的打孔作業,它用于燃氣輪機組件如刀片,葉片,燃燒室耐火層,補燃器,以及其他組件如燃料柴油機的注入噴嘴,以及用于金屬絲擠壓的硬模等的打孔。雖然激光打孔很快,它還是需要與電火花加工技術(EDM)競爭,因為最近,利用回轉的中空電極和線性馬達來實現高壓供油的技術發展,大大的提高了EDM的打孔速度,這樣從質量上看此加工技術的性能就優于激光打孔了。

                      激光打孔比EDM優越的方面在于激光對材料的電導率不具有依賴性。然而因為輸入的熱量相對較高,這就使得激光加工較不適合
                      陶瓷涂層元件的打孔。

                      脈沖激光器通常用于打孔作業。其平均功率由下列關系給定:

                      Pavg = Pp * tp* νp

                      這里:

                      Pp = 峰值功率 [kW]
                      tp = 脈沖寬度 [ms]
                      νp = 脈沖頻率 [Hz]

                      對一個給定的平均功率,有無窮多個峰值功率、脈沖寬度和脈沖頻率的可能組合,至少有一種組合能給出最佳的加工結果。很長的脈沖將導致峰值功率較低,這樣材料在加熱時只能熔化而不會被去除。脈寬短、頻率低時,峰值功率將非常高,但是,由于作用時間很短,只有很薄的一層材料會因燒蝕而剝落。

                      利用準分子激光器來進行打孔

                      由于和Nd:YAG激光器相比,它們的波長更短,準分子激光器與Nd:YAG激光器相比,其輻照將更好的被金屬吸收。短波長使得準分子激光器更適合于打直徑小的孔。然而在打小孔時材料的去除將成為一項制約因素。

                      傳統的準分子激光器的脈沖寬度范圍在10到20 ns。在一項脈沖寬度對打孔效率和質量影響的研究中,Schoonderbeek2利用XeCl 308nm激光器對125μm厚的
                      板進行打孔,發現長脈沖(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔質量。他同時發現累計能量一定的情形下,單個104 ns的脈沖的效率比12個9 ns的脈沖的效率要高。

                      效率的不同是因為加熱的能量必須從表面傳導至材料內部。這項研究的另一項發現是,即使在激光脈沖停止后,孔中的材料仍會排出。對0.65mm厚的金屬板Hasteloy X,材料的清除直到0.1 ms后才停止,這比脈沖寬度的典型值長了100倍。另一方面,脈沖寬度與用于打孔的傳統Nd:YAG激光器相比來得短,這樣熱影響區域將很小。同樣的時間內功率密度將更高。這樣,有更多的材料將被去除時是氣相,這就導致了再鑄層的厚度降低。所有這些效應都到促使打孔過程的質量更高。
                       
                      光束外形

                      需要打的孔,一般來說其截面是圓柱形的,而準分子激光器出來的原始光束是矩形分布。一種簡便的方法來打圓形的孔是使用遮光板。一個或者多個透鏡被用來對遮光板在材料表面成像。這個方法的缺點在于只有一部分激光能量得到利用;許多情況下只有30%或更少的光束功率被利用。對光束
                      整形更有效的手段是使用如Biesheuvel所提供的用全息技術來聚焦光束的方法3,它可以實現90%的效率。使用全息技術還可以得到不同的光束形狀。使用全息的分束器可以打多個孔,還可以得到環形的光束來打直徑更大的孔。

                      打孔應用

                      利用激光在陶瓷涂層的表面打孔時,Nd:YAG激光器遇到涂層剝離問題的困擾。而準分子激光器,由于其脈沖寬度短,就能夠在打穿涂層的同時又不會發生剝離現象。

                      由于波長短導致光子能量大,因此準分子激光器也非常適合于許多不同復合材料的打孔,比如,碳
                      纖維復合材料(CFC)。

                      另一個應用是利用燒蝕來對珩磨過的汽缸表面結構進行處理,這種經處理的結構提高了表面的摩擦學特性,降低了磨損。

                      高功率的準分子激光器打孔,其脈沖寬度范圍在100-200ns。在利用Nd:YAG激光器打孔在孔質量上遇到困難的領域,它吸引了各界的注意。熱影響區域將會更小,通過選擇合適的參數,再鑄層將更薄。
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