激光钻孔的设备原理【深度解析】

激光钻孔的设备原理【深度剖析】

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激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。在激光出现之前，只能用硬度较大的物质在硬度较小的物质上打孔。这样要在硬度大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。激光出现后，这一类的操作既快又安全。但是，激光钻出的孔是圆锥形的，而不是机械钻孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。可透过振镜进行程式化编程控制图形输出。

激光打孔指激光经聚焦后作为高强度热源对材料进行加热，使激光作用区内材料融化或气化继而蒸发，而形成孔洞的激光加工过程。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小10的5次方~10的15次方W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可对任何材料进行激光打孔。例如，在高熔点的钼板上加工微米量级的孔，在硬质合金（碳化钨）上加工几十微米量级的小孔，在红蓝宝石商人加工几百微米量级的深孔，金刚石拉丝模，化学纤维喷丝头等。

激光打孔是早早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的重要应用领域之一。激光打孔主要用于金属材料钢、铂、钼、钽、镁、锗、硅，轻金属材料铜、锌、铝、不锈钢、耐热合金、镍基质合金、钛金、白金，普通硬质合金磁性材料以及非金属材料中的陶瓷基片、人工宝石、金刚石膜、陶瓷、橡胶、塑料、玻璃等。

如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔，而且与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手段相比,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l07-109W/cm2的高能激光束對材料進行瞬时作用,作用世间只有10-3-10-5s,因此激光打孔速度非常快。將高效能激光器与精度的机床及控制系统配合,通过微处理，效率提高l0-1000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。对于用激光束打孔來说激光束参数较其它打孔方法便于优化，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,机械钻孔和电火花打孔所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，它既适于金属材料，也适于一般难以加工的非金属材料，如红宝石石、藍蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。由于難加工材料大都具有高强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化學亲和力强等性质，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。而用激光在這些难加工材料上打孔，以上问题將得到解决。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5.5mm 的硬质合金上打孔，深径比高达l4:1，而在1l.5mm厚的65Mn上可打出深径比为l9:1的小孔。在l0mm厚的坚硬的氮化矽陶瓷上可容易地打出直径为0.6mm的小孔，這都是常规打孔手段无法办到的。特別是在弹性材料上，由于弹性材料易变形，很难用一般方法打孔。

(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0.8mm 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，這不仅造成工具损耗而加大成本，而且會因钻头折断致使整個工件报废。如果是在群孔板的加工中出出现钻头折断，將使问题更为严重。在这种情况下，去除折断钻头的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裝置，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。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1-3个数量级，例如，食品、制药行业使用的过滤片厚度为1-3mm，材料为不锈钢，孔径为0.3-0.8mm，密度为l0-100孔/cm2。

(6)用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。

对于机械孔和电火花打孔这类接触式打孔來说，在倾斜面上特別是大角度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，而激光却特別适合于加工与工件表面成6o-90o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，因此加工出來的工件清洁，沒污染。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帶來的残渣，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，不需要特列保护。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。

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