激光打孔

激光打孔
一、激光打孔简介：
激光打孔利用激光束高能量，高相干性，高光束质量的特点，
通过聚焦系统经而易举地可将光斑直径缩小到微米级，从而获得
100~1000W/cm2的激光功率密度。

如此高的功率密度几乎可以在
任何材料实行激光打孔。

打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工
艺中，使得硬度大、熔点高的材料越来越多容易加工。

例如，在聚
晶金刚石，高熔点金属钼板，高温合金，陶瓷，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，在不锈钢
板上打筛网孔等，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。

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续的彼此迭加，从而形成一个连续的轮廓。

采用轮廓加工，可把孔扩大成具有任意形状的横截面。

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要求。

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、蓝宝石上加工几百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机械加工方法很困难，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高度集中，利用透镜聚
焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得105-1015W/cm2的激
光功率密度。

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的高能激光束对材
料进行瞬时作用,作用时间只有10－3-10－5s,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。

二、现代激光打孔技术
激光打孔、不锈钢激光打孔、陶瓷激光打孔、激光精密打孔，主要用于不锈钢、陶瓷、
金属、金刚石、硬质、耐高温材料的激光打孔。

孔径从0.008-10mm,厚度1-12mm。

不同的激光打孔方法特点：
1、直接打孔：
利用聚焦透镜直接打孔，孔大小，圆度取决激光光斑大小及圆度，孔的大小不易控制。

只能适合较小的孔。

孔径0.05-0.6mm左右
2、切割打孔：
直接打孔的方法只能适合较小的孔。

如需较大的孔需要采
用XY运动平台来实现，孔内壁光洁度较差，精度较差，打孔
速度慢，可打大孔，多孔。

3、工件旋转打孔：
孔内壁光洁度较好，圆度高，打孔速度快，但只能打单一孔。

打孔范围，孔径0.05-3mm左右。

适合圆形同轴零件打孔，可
打角度孔。

4、光束旋转打孔：
打孔时工件不动，孔的大小由光束旋转器控制，打孔孔内壁光洁度较好，圆度高，打孔速度快，由XY运动平台来实现位置定位，可打多孔。

是目前最先进
激光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。

三、激光打孔技术参数应用：
由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中，使得硬度大、熔点高的材料越来越多容易加工。

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、蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。

利用激光在整个在空间和时间上高度集中的特点，经而易举地可将光斑直径缩小到微米级，从而获得100~1000W/cm2的激光功率密度。

如此高
的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔。

通常激光打孔机由五大部分组成：固体激光器、电气系统、光学系统，投影系统和三坐标移动工作台。

五个组成部分相互配合从而完成打孔任务。

固体激光器主要负责产生激光光源，电气系统主要负责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)，而光学系统的功能则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。

投影系统用来显示工件背面情况。

工作台则由人工控制或采用
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一般用玻璃制成，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。

激光打孔机成果
兴华激光：继09年熟练掌握并应用：激光打孔设备核心技术（激
光飞型腔）世界领先技术，成为国内激光微孔加工领军企业，最小
加工孔径可以做到0.01MM微孔。

激光打孔机与传统打孔工艺相比，具有以下一些优点：
（1）激光打孔速度快,效率高,经济效益好。

（2）激光打孔可获得大的深径比。

（3）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。

（4）激光打孔无工具损耗。

（5）激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。

（6）用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。

四、激光打孔的应用
激光打孔技术由于他的速度快、效率高、经济效益好、应用领域广的优点，在工业生产上有着非常广泛的应用。

激光可以在纺织面料、皮革制品、纸制品、金属制品、塑料制品上进行打孔切割等操作。

应用领域包括制衣、制鞋、工艺品礼品制作、机器设备、零件制作等。

借助激光这种高效能手段进行印版制作，是印前处理及制版领域长期不懈努力的目标。

作为一种高能量、高性能的记录工具，自20世纪70年代以来，激光就已经在胶印、凹印制版领域发挥着日益重要的作用。

在计算机图文信息处理的基础上，使用激光对胶片和胶印印版的图文记录输出是目前最常见的及最有发展前途的胶印制版方法。

所谓"CTFilm"，"CTPlate"中理所当然地包含了激光印版记录。

众所周知，机械电磁式的凹版电子雕刻机是德国海尔(Hell GmbH)公司于1962年发明的。

这与激光的发明时间很接近。

实际上，该公司的技术人员当时就试图利用激光进行镀铜滚筒的
雕刻，但由于铜对光线的高反射率而未能成功，他们转而投入高
能电子束雕刻的研究并取得了成功。

凹印版的激光记录开始于1977年，当时，英国
CrosfieldElectronics公司曾使用激光在带聚合物树脂层的凹印滚
筒上雕刻出网穴，制作出凹版滚筒。

尽管由于质量稳定性等原因，
该系统并没有真正大量地投入实用，但作为一种有益的技术研究
和探索却为激光凹印版的制版指出了可以继续发展的途径。

2000年5月在德国杜塞尔多夫举行的印刷盛会Drupa2000
上，人们看到，激光印版记录技术全面进入实用化阶段，除用于平印CTPlate的技术成为热点以外，多家厂商都推出了凹印印版和柔性版的激光制版设备，成为CTC(ComputerTo Cylinder)的一个亮点。

五、激光打孔的未来发展
与机械、化学、电铸和借助模具等传统的制造手段相比，专业打
孔公司在材料加工中具有明显的优势。

激光具有很好的单色性、相干
性、方向性和高能量密度，其空间控制性和时间控制性很好，对加工
对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，因此特别适用
于自动化加工。

激光由于其具有很好的单色性、相干性、
方向性和高能量密度等特性，随着技术的进
步，日益广泛地被应用于专业打孔公司各类制
造服务中，精密激光正不断地渗透入传统加工中。

传统的打孔方法
在许多场合已不能满足需求，如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为
几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深
孔等，用常规的机械加工方法无法实现。

而激光束的瞬时功率密度
高达108W/cm2，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，可以很容
易地在上述材料上实现打孔。

与电子束、电解、电火花和机械打孔相比，激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。