激光打孔的工业前景

来源:光谷华科    关键词:激光打孔, 应用前景, 工业制造,    发布时间:2018-11-14

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   打孔应用占据了整个激光材料加工应用市场约5%的份额。生产率的提高带来了与激光器(热打孔和烧蚀打孔)、光束处理、分光、以及工件处理方面等相关的几种打孔策略,所有这些都推动了工艺整体效率和生产率的提高。 


        需要打出穿透孔的应用主要有喷气发动机或气轮机中的冷却孔,动力总成部件的润滑孔,以及注射喷嘴孔,空气轴承和淋浴喷头上的孔等等。另外还有过滤网、筛子和动力总成分离器上的孔,用于食物及化工的设施,以及铸件上的排气孔等等。 


        盲孔被用于外科手术针,以及用于对易碎材料进行分割时预先采取的划刻阶段中,后者目前已经成为连接杆、轴承和陶瓷以及蓝宝石基底材料加工中的标准工序。其他的应用如:有助表面润滑的储油坑或医用植入体,以及用于晶体太阳能电池或半导体的接触式加工的新兴市场。本文主要介绍加工通孔直径在0.01到1.5mm之间,深度/直径之间的深径比在1到30之间。根据应用的不同,这些孔具有不同的几何外形,从圆柱体到圆锥体、槽形或特定外形。 


        如今所面临的主要任务是将高生产率与对更高几何公差需求的不断增长相结合,同时减少加工中的副效应。其对应的合适技术和策略能部分地从图1(a)和图1(b)当中得到。从这些数字中很清楚可以看到存在这样一些应用领域,每个工件上只需打很少的孔,且打孔时间很短,这从系统工程角度来看,其送料和定位是相当具有挑战的。从另一方面来说,在费时的高深径比的孔加工中有必要采用有效的打孔策略,因为每个工件上需要打成百上千个孔。 


        工业激光打孔可分为单脉冲或冲孔,穿孔或螺旋打孔。脉冲固态激光器或调制/脉冲光纤激光被用于这些应用中,其脉冲间隔通常在微秒(热脉冲)到皮秒(非热脉冲)范围之间。从规律上看,更低质量要求和更高深径比的孔通常使用热脉冲加工。灯泵浦激光器能提供这类脉冲,其典型脉冲重复频率在5kHz以下。短脉冲激光可加工出高质量的孔,其重复频率一般在100kHz以上。         

       
        通过先进的光束导向技术,比如将快速精密旋转光学元件或振镜用于厚度小于1mm薄材料的加工,高速、逐层“周线”穿孔技术随着高辉度的半导体二极管泵浦固态激光或连续波模式光纤激光的应用也越来越流行了。但本文中不会详细讨论这些穿孔手段。 


        对于所有的热打孔工艺来说,生产率必须向质量妥协,尤其是在热效应可能产生的副作用(如重铸和微裂纹)的情况下。人们已经就脉冲形状和脉冲调制对于打孔效率和孔质量的影响进行了调查。这些调查的结果清晰地显示出对于热打孔来说,还存在改进的空间。 
         
        单脉冲打孔 
        直径在0.015到1.2mm之间的孔能通过使用灯泵浦脉冲工业Nd:YAG固态激光器加工出来,其M2值在3到60之间。图2 显示出一个定性的工作范围图,将生产率作为深径比和孔径的函数给出。该深径比为10的时候,已在图中标出。高频率功率激光器的生产率极限,则通过现有的脉冲重复频率标出。图2中的插图(a)显示的是一个0.5mm厚的不锈钢车用过滤器,具有最多1200个直径为0.05mm的孔。这些孔在2秒内加工完成。该生产率实现的前提是一个快速旋转的轴和其他的辅助手段(如支架),以实现重复的孔加工几何精度并避免毛刺。插图(b)是一个孔直径为0.25mm(深径比2.5)的不锈钢咖啡机零件,以每秒30个孔的速度进行打孔。插图(c)显示了一个活塞环,其0.7mm直径的孔是通过使用一台500瓦(脉冲峰值功率30kW)激光器,以30个孔/秒的速度加工出来。典型的公差在5%~10%之间。