激光打孔應用

一、激光打孔的特點
       激光打孔是最早達到實用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應用領(lǐng)域之一。隨著近代工業(yè)和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，使用硬度大、熔點高的材料越來越多，而傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足某些工藝需求。例如，在高熔點金屬鉬板上加工微米量級孔徑，在硬質(zhì)碳化鎢上加工幾十微米的小孔；在紅、藍寶石上加工幾十微米的深孔以及金剛石拉絲模具、化學纖維的噴絲頭等。這一類的加工任務用常規(guī)的機械加工方法很難，有時甚至是不可能的，而用激光打孔則不難實現(xiàn)。激光束在空間和時間上的高度集中，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得很高的功率密度，幾乎可以對任何材料進行激光打孔。
        激光打孔技術(shù)與機械鉆孔、電火花加工等常孔打孔手段相比，具有顯著的優(yōu)點：
（1）打孔速度快，效率高，經(jīng)濟效益好。
（2）可獲得大的深徑比。
（3）可在硬、脆、軟等各種材料上進行。
（4）無工具損耗。
（5）適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。
（6）可在難以加工的材料傾斜面上加工小孔。
二、激光打孔的分類
    1、復制法
         激光束以一定的形狀及精度重復照射到工件固定的一點上，在和輻射傳播方向垂直的方向上，沒有光束和工件的相對位移。復制法包括單脈沖和多脈沖。目前一般采用多脈沖法，其特點是可使工件上能量的橫向擴散減至最小，并且有助于控制孔的大小和形狀。毫秒級的脈沖寬度可以使足夠的熱量沿著孔的軸向擴散，而不只被材料表面吸收。激光束形狀可用光學系統(tǒng)獲得。如在聚焦光束中或在透鏡前方放置一個所需形狀的孔欄，即可以打出異形孔。
    2、輪廓迂回法
         加工表面形狀由激光束和被加工工件相對位移的軌跡決定。用輪廓迂回法加工時，激光器既可以在脈沖狀態(tài)下也可以在連續(xù)狀態(tài)下工作。用脈沖方式時，由于孔以一定的位移量連續(xù)的彼此迭加，從而形成一個連續(xù)的輪廓。采用輪廓加工，可把孔擴大成具有任意形狀的橫截面。
三、激光打孔設(shè)備
　1、激光打孔用激光器
         激光器是激光打孔設(shè)備的重要組成部分，它的主要作用是將電源系統(tǒng)提供的電能以一定的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換成激光能。按激光器工作物質(zhì)性質(zhì)，可分為氣體激光器和固體激光器。用于打孔的氣體激光器主要有二氧化碳激光器，而用于打孔的固體激光器主要有紅寶石激光器、釹玻璃激光器和YAG激光器。
         二氧化碳激光器有許多獨特的優(yōu)點，它的轉(zhuǎn)換效率高于其它激光器，可以為許多非金屬材料（如有機玻璃、塑料、木材、多層復合板材、石英玻璃等）所吸收。更為重要的是，二氧化碳激光器與其他激光器相比，可以進行大功率輸出。當與其他技術(shù)配合時，可以實現(xiàn)高速打孔，最高速度可達100孔/秒，這是其他激光器很難做到的。
        雖然如此，但由于二氧化碳激光器的對焦、調(diào)光都不方便，設(shè)備一次性投資也比較大，在激光打孔設(shè)備中不及其他三種激光器應用普遍。固體激光器以其獨特的優(yōu)點在激光打孔中得到廣泛的應用。它的主要優(yōu)點是：（1）輸出波長短。  （2）輸出的光可用普通的光學材料傳遞。（3）整機體積小，使用維護方便，價格低于二氧化碳激光器。
    2、激光打孔用機床
         激光打孔用機床簡單又通用的形式為三維機床。兩維運動在水平面，以X、Y表示，兩坐標軸相互垂直，第三維Z軸與Z-Y平面垂直。每一維可通過步進電機帶動滾珠絲杠在直線滾珠導軌上運行，它的精度由絲杠的精度和滾珠導軌的精度確定。如果配以微處理機系統(tǒng)，三維機床就可以完成平面內(nèi)各種孔及一定范圍內(nèi)群孔的激光加工。當需要在管材或桶形材料進行系列孔的加工時，機床應具有五維功能，除了前面提到的三維以外，增加的兩維是X-Y平面360度的旋轉(zhuǎn)，我們定義它為A軸，X-Y平面在Z方向上的0-90度傾斜，我們定義它為B軸。這樣多種類型的激光打孔加工，五維工作臺都能勝任。在需要節(jié)省設(shè)備投入的情況下，可將B軸的數(shù)控改為手動。這樣既能節(jié)約資金，也基本能完成所有的打孔任務。
    3、激光打孔整機設(shè)備
         近年來，國內(nèi)外激光打孔機整機水平處在一個迅速發(fā)展的階段，激光器輸出功率逐漸提高，脈沖寬度越來越窄，頻率范圍越來越寬，其他參數(shù)也越來越趄著有利于打孔的方向發(fā)展。導光系統(tǒng)和激光打孔機的控制部分的柔性不斷提高，使得打孔范圍不斷擴大。目前國內(nèi)已形成商品的激光打孔機有幾十種，除了大專院校和科研院所之外，專門經(jīng)營制造激光設(shè)備的公司也逐漸增多。這表明中國的激光加工正朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。
四、激光打孔工藝
    1、工藝過程
    第一步，詳細了解打孔材料及打孔要求。
    第二步，模擬實驗與檢測。
    第三步，設(shè)計便利、快捷的工裝夾具。
    第四步，程序設(shè)計。
    第五步，實施有效的打孔加工及必要的檢測。
    2、影響打孔質(zhì)量的主要參數(shù)
         激光打孔的過程是激光和物質(zhì)相互作用的極其復雜的熱物理過程。因此，影響激光打孔質(zhì)量的因素很多。為了獲得高質(zhì)量的孔，應根據(jù)激光打孔的一般原理和特點，對影響打孔質(zhì)量的參數(shù)進行分析和了解。這些參數(shù)包括：激光脈沖的能量，脈沖寬度，離焦量，脈沖激光的重復頻率，被加工材料的性質(zhì)。
    3、輔助工藝
　　  為了提高激光打孔的精度，有時需要采用一些輔助的工藝工序和工藝措施，包括：（1）在工件的表面施加一個正向壓力，或是在工件的反面裝一個低壓倉，可有助于打孔過程中清除汽化材料并增加液相的排出。（2）在工件下面的安全位置裝一個光電探測器，可以及時探測到工件穿透與否。（3）利用液體薄膜或金屬鉑覆蓋工件，能夠使孔的錐度減小，并防止液相飛濺。（4）為了及時防止熔化物積聚在孔里，可以把汽化溫度低于被加工材料熔化溫度的物質(zhì)放到被加工工件的后面。（5）利用激光作為加工工具在工件上打毛孔，再用其它方法達到所需要的精度。目前一般采用的有金剛砂的機械加工，用沖頭、金屬絲進行孔徑精加工，化學腐蝕方法等等。