激光打孔(论文)

激光打孔技术

班级：XX 作者：周欣指导老师：XX

摘要: 激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺需求, 而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上的高度集中，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得很高的功率密度，几乎可以对任何材料进行激光打孔。

关键词: 激光打孔

一.激光打孔的原理

激光束打孔机一般由固体激光器、电气系统、光学系统和三坐标移动工作台等四大部分组成。

１）固体激光器工作原理

当激光工作物质钇铝石榴石受到光泵(激励脉冲氙灯)的激发后，吸收具有特

定波长的光，在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒

子数，这种现象称为粒子数反转。

一旦有少量激发粒子产生受激辐射跃迁，就会造成光放大，再通过谐振腔内

的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，最后由谐振腔的一端输出激

光。激光通过透镜聚焦形成高能光束照射在工件表面上，即可进行加工。２）电气系统包括对激光器供给能量的电源和控制激光输出方式(脉冲式或连续

式等)的控制系统。在后者中有时还包括根据加工要求驱动工作台的自动控制

装置。

３）光学系统的功能是将激光束精确地聚焦到工件的加工部位上。为此，它至少含有激光聚焦装置和观察瞄准装置两个部分。

４）投影系统用来显示工件背面情况，在比较完善的激光束打孔机中配备。

５）工作台由人工控制或采用数控装置控制，在三坐标方向移动，方便又准确地

调整工件位置。

工作台上加工区的台面用玻璃制成，因为不透光的金属台面会给检测带来不

便，而且台面会在工件被打穿后遭受破坏。工作台上方的聚焦物镜下设有吸、

吹气装置，以保持工作表面和聚焦物镜的清洁。

二、激光打孔的特点

激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺需求。例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径，在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几十微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。这一类的加工任务用常规的机械加工方法很难，有时甚至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上的高度集中，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得很高的功率密度，几乎可以对任何材料进行激光打孔。

激光打孔技术与机械钻孔、电火花加工等常孔打孔手段相比，具有显著的优点：（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的高能激光束对材料进行瞬时作用,作用时间只有0.001-0.00001s,因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合,通过微处理机进行程序控制,可以实现高效率打孔。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比,效率提高l0-1000倍。

（2）激光打孔可获得大的深径比

小孔加工中,深径比是衡量小孔加工难度的-个重要指标。对于用激光束打孔来说,激光束参数较其它打孔方法草便于优化,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、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。由于难加工材料大都具有高强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力强等性质，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-光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得到解决。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厚的坚硬的氮化硅陶瓷上可容易地打出直径为0.6mm的小孔，这都是常规打孔手段无法办到的。特别是在弹性材料上，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，这不仅造成工具损耗而加大成本，而且会因钻头折断致使整个工件报废。如果是在群孔板的加工中出现钻头折断，将使问题更为严重。在这种情况下，去除折断钻头的最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装置，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

对于机械打孔和电火花打孔这类接触式打孔来说，在倾斜面上特别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，而激光却特别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，因此加工出来的工件清洁，没污染。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带来的残渣，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。

三、激光打孔的分类

1、复制法

激光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，在和辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相对位移。复制法包括单脉冲和多脉冲。目前一般采用多脉冲法，其特点是可使工件上能量的横向扩散减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够的热量沿着孔的轴向扩散，而不只被材料表面吸收。激光束形状可用光学系统获得。如在聚焦光束中或在透镜前方放置一个所需形状的孔栏，即可以打出异形孔。

2、轮廓迂回法

加工表面形状由激光束和被加工工件相对位移的轨迹决定。用轮廓迂回法加工时，激光器既可以在脉冲状态下也可以在连续状态下工作。用脉冲方式时，由于孔以一定的位移量连