脉冲宽度对激光打孔的影响分析

脉冲宽度对激光打孔的影响分析

采用不同脉宽的激光打孔，产生的现象和打孔原理有很大的区别，不仅如此，即使采用自由震荡的中等功率脉冲激光打孔，对打孔的尺寸和孔的质量也有非常大的影响。从计算公式中得到的孔深、孔径与激光脉宽无关，只与激光束的脉冲能量及聚焦情况有关，这是由于采用准稳定破坏模型忽略了材料的飞溅物对激光的屏蔽作用，使用这样推到的公式描述孔的形成过程是比较粗糙的。通过试验分析表明，在激光脉冲能量恒定时，激光脉宽的变化不仅带来

采用不同脉宽的激光打孔，产生的现象和打孔原理有很大的区别，不仅如此，即使采用自由震荡的中等功率脉冲激光打孔，对打孔的尺寸和孔的质量也有非常大的影响。从计算公式中得到的孔深、孔径与激光脉宽无关，只与激光束的脉冲能量及聚焦情况有关，这是由于采用准稳定破坏模型忽略了材料的飞溅物对激光的屏蔽作用，使用这样推到的公式描述孔的形成过程是比较粗糙的。通过试验分析表明，在激光脉冲能量恒定时，激光脉宽的变化不仅带来打孔尺寸的变化，而且对孔壁表面的质量也有很大的影响，表1给出在激光能量近似相等时，改变脉宽对打孔尺寸的影响情况：

能量/J 脉宽/ms孔径/mm 孔深/mm 深径比

5.4 0.25 0.42 1.2 2.9

5.1 0.35 0.39 1.3 3.3

5.9 0.55 0.38 1.5 3.9

5.7 0.75 0.36 1.6 4.4

5.4 0.85 0.30 1.8

6.0

5.0 1.15 0.26 1.6

6.1

表1：在激光能量近似相等时，改变脉宽对打孔尺寸的影响

一般采用脉宽在0.2~1.2ms之间的自由震荡运转的激光器打孔。现假定激光的能量不变，当采用长脉宽打孔时，因为时间拉长，光通量密度降低，材料的蒸发减弱，熔化的比例居上，因此材料去除就减少。一旦光照结束，熔化的材料又重新凝固，形成再筑层，使孔径、孔深都减小。而再筑层使孔内壁质量也较差，波纹度增加，而且有积瘤，严重的会赌孔。

如果选用脉宽小于0.1ms打孔，同时光能量密度较小（针对自由震荡激光器而言）就会因为激光作用时间太短，还未进入准稳定蒸发状态，激光照射就已经结束，因而打不出孔来。

由表1可以看出，在激光束的脉冲能量基本稳定的情况下，当脉宽由0.25ms增加到0.85ms时，孔深增加了50%，孔径减小了30%,因而深径比增加了一倍左右。孔深增加是因为保持一定的能量而加大脉宽时，必须减小泵浦速率，这样激光束的高阶横模不容易起振，光束发散角较小，从而减小了材料汽化的比率，液相多而不易被排走，故使孔径减小。

脉宽的选择是由孔的要求而定的：打深而小的孔，宜选用较长的脉冲宽度；打打大而浅的孔，则宜选用较短的脉冲宽度。

在加工高质量孔的时候，宜选用较短的脉冲宽度，因为这样可以避免孔壁堆积熔融物，却会降低打孔的重复稳定性。另外由于短脉冲打孔，材料汽化剧烈，被排出的材料蒸汽较浓，因而加剧了对后面光束的屏蔽及散射作用，同样也会降低高重复稳定性。因此选用0.3~0.6ms脉宽对大多数情况下都是适宜的。

从材料受热变形及产生热应力裂纹的角度考虑：脉宽增大，会使较多的热作用于材料的非破坏性加热，使材料变形大，热应力大，易出现裂纹。因此对于导热性差的材料打孔尽量采用短脉宽。