激光打孔

       激光打孔過程是激光和物質(zhì)相互作用的熱物理過程，它是由激光光束特性（包括激光的波長、脈沖寬度、光束發(fā)散角、聚焦狀態(tài)等）和物質(zhì)的諸多熱物理特性決定的。

簡述

       利用高功率密度激光束照射被加工材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞。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(yīng)用領(lǐng)域之一。它在激光加工中歸類于激光去除，也叫蒸發(fā)加工。

       隨著近代工業(yè)和科學(xué)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要求。與常規(guī)打孔手段相比，具有以下顯著的優(yōu)點：

       1、激光打孔速度快，效率高，經(jīng)濟效益好。

       2、激光打孔可獲得大的深徑比。

       3、激光打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行。

       4、激光打孔無工具損耗。

       5、激光打孔適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。

       6、用激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔。

激光打孔技術(shù)

       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(yīng)用領(lǐng)域之一。硬度大、熔點高的材料傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足某些工藝要求。這一類的加工任務(wù)用常規(guī)機械加工方法很困難，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高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得105-1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實行激光打孔，而且與其它方法如機械鉆孔、電火花加工等常規(guī)打孔手段相比,具有以下顯著的優(yōu)點:1）激光打孔速度快,效率高,經(jīng)濟效益好。由于激光打孔是利用功率密度為l07-109W/cm2的高能激光束對材料進行瞬時作用,作用時間只有10－3-10－5s,因此激光打孔速度非?？?。將高效能激光器與高精度的機床及控制系統(tǒng)配合,通過微處理機進行程序控制,可以實現(xiàn)高效率打孔。在不同的工件上激光打孔與電火花打孔及機械鉆孔相比,效率提高l0-1000倍。

激光打孔技術(shù)參數(shù)應(yīng)用：

       由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)加工工藝中，使得硬度大、熔點高的材料越來越多容易加工。

       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、藍寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模具、化學(xué)纖維的噴絲頭等。利用激光在整個在空間和時間上高度集中的特點，經(jīng)而易舉地可將光斑直徑縮小到微米級，從而獲得100~1000W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實行激光打孔。 通常激光打孔機由五大部分組成：固體激光器、電氣系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)，投影系統(tǒng)和三坐標移動工作臺。五個組成部分相互配合從而完成打孔任務(wù)。

       固體激光器主要負責(zé)產(chǎn)生激光光源，電氣系統(tǒng)主要負責(zé)對激光器供給能量的電源和控制激光輸出方式(脈沖式或連續(xù)式等)，而光學(xué)系統(tǒng)的功能則是將激光束精確地聚焦到工件的加工部位上。為此，它至少含有激光聚焦裝置和觀察瞄準裝置兩個部分。投影系統(tǒng)用來顯示工件背面情況。工作臺則由人工控制或采用數(shù)控裝置控制，在三坐標方向移動，方便又準確地調(diào)整工件位置。工作臺上加工區(qū)的臺面一般用玻璃制成，因為不透光的金屬臺面會給檢測帶來不便，而且臺面會在工件被打穿后遭受破壞。工作臺上方的聚焦物鏡下設(shè)有吸、吹氣裝置，以保持工作表面和聚焦物鏡的清潔。

優(yōu)點

       激光打孔機與傳統(tǒng)打孔工藝相比，具有以下一些優(yōu)點：

       （1）激光打孔速度快,效率高,經(jīng)濟效益好。

       （2）激光打孔可獲得大的深徑比。

       （3）激光打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行。

       （4）激光打孔無工具損耗。

       （5）激光打孔適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。

       （6）用激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔。

       （7）激光打孔對工件裝夾要求簡單，易實現(xiàn)生產(chǎn)線上的聯(lián)機和自動化。

       （8）激光打孔易對復(fù)雜形狀零件打孔，也可在真空中打孔。

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(fù)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(dǎo)軌上運行，它的精度由絲杠的精度和滾珠導(dǎo)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(yīng)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(wù)。

3、激光打孔整機設(shè)備

       歷年來，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(dǎo)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。

激光打孔步驟

       激光打孔的過程是激光和物質(zhì)相互作用的極其復(fù)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(yīng)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。

　　一、打孔戰(zhàn)略：

　　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，設(shè)計程序；

　　第五步，實施有效的打孔加工及必要的檢測。

　　二、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(fù)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(yīng)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(fù)頻率，被加工材料的性質(zhì)。

　　三、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程序和工藝措施，包括以下五點：

　　(一)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。

　　(二)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。

　　(三)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。

　　(四)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。

　　(五)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(xué)腐蝕方法等等。

應(yīng)用

       激光打孔技術(shù)由于他的速度快、效率高、經(jīng)濟效益好、應(yīng)用領(lǐng)域廣的優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)上有著非常廣泛的應(yīng)用。激光可以在紡織面料、皮革制品、紙制品、金屬制品、塑料制品上進行打孔切割等操作。應(yīng)用領(lǐng)域包括制衣、制鞋、工藝品禮品制作、機器設(shè)備、零件制作等。