准分子激光器是终极的打孔机么？ - 文章

准分子激光器是终极的打孔机么？

作者：Martien van Dijk

在材料加工中，打孔作业是激光器在工业上的最早应用之一，当时使用的是红宝石激光器，因为它们有尖锐的输出特性。目前，主要是使用脉冲Nd:YAG激光器来进行大量的打孔作业。

激光打孔作为一项合适的技术，主要被用于气膜冷却孔的打孔作业，它用于燃气轮机组件如刀片，叶片，燃烧室耐火层，补燃器，以及其他组件如燃料柴油机的注入喷嘴，以及用于金属丝挤压的硬模等的打孔。虽然激光打孔很快，它还是需要与电火花加工技术(EDM)竞争，因为最近，利用回转的中空电极和线性马达来实现高压供油的技术发展，大大的提高了EDM的打孔速度，这样从质量上看此加工技术的性能就优于激光打孔了。

激光打孔比EDM优越的方面在于激光对材料的电导率不具有依赖性。然而因为输入的热量相对较高，这就使得激光加工较不适合陶瓷涂层元件的打孔。

脉冲激光器通常用于打孔作业。其平均功率由下列关系给定：

Pavg = Pp * tp* νp

这里：
Pp = 峰值功率 [kW]
tp = 脉冲宽度 [ms]
νp = 脉冲频率 [Hz]

对一个给定的平均功率，有无穷多个峰值功率、脉冲宽度和脉冲频率的可能组合，至少有一种组合能给出最佳的加工结果。很长的脉冲将导致峰值功率较低，这样材料在加热时只能熔化而不会被去除。脉宽短、频率低时，峰值功率将非常高，但是，由于作用时间很短，只有很薄的一层材料会因烧蚀而剥落。在参考文献1中给出了寻找最佳参数组合的简便方法。

利用准分子激光器来进行打孔

由于和Nd:YAG激光器相比，它们的波长更短(如表格所示)，准分子激光器与Nd:YAG激光器相比，其辐照将更好的被金属吸收。短波长使得准分子激光器更适合于打直径小的孔。然而在打小孔时材料的去除将成为一项制约因素。

传统的准分子激光器的脉冲宽度范围在10到20 ns。在一项脉冲宽度对打孔效率和质量影响的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl激光器对125μm厚的铝板进行打孔，发现长脉冲(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔质量(如图1)。他同时发现累计能量一定的情形下，单个104 ns的脉冲的效率比12个9 ns的脉冲的效率要高(如图2)。

图1：使用XeCl激光器来对125μm厚的铝板进行打孔，发现长脉冲（104 ns）、
高峰值功率（15 kW）下可以得到最好的打孔质量。

图2：累计能量一定的情形下，单个104 ns
的脉冲的效率比12个9 ns的脉冲的效率要高。

效率的不同是因为加热的能量必须从表面传导至材料内部。这项研究的另一项发现是，即使在激光脉冲停止后，孔中的材料仍会排出。对0.65mm厚的金属板Hasteloy X，材料的清除直到0.1 ms后才停止，这比脉冲宽度的典型值长了100倍。另一方面，脉冲宽度与用于打孔的传统Nd:YAG激光器相比来得短，这样热影响区域将很小。同样的时间内功率密度将更高。这样，有更多的材料将被去除时是气相，这就导致了再铸层的厚度降低。所有这些效应都到促使打孔过程的质量更高。

光束外形

需要打的孔，一般来说其截面是圆柱形的，而准分子激光器出来的原始光束是矩形分布。一种简便的方法来打圆形的孔是使用遮光板。一个或者多个透镜被用来对遮光板在材料表面成像。这个方法的缺点在于只有一部分激光能量得到利用；许多情况下只有30%或更少的光束功率被利用。对光束整形更有效的手段是使用如Biesheuvel所提供的用全息技术来聚焦光束的方法3，它可以实现90%的效率。使用全息技术还可以得到不同的光束形状。使用全息的分束器可以打多个孔，还可以得到环形的光束来打直径更大的孔。

打孔应用

利用激光在陶瓷涂层的表面打孔时，Nd:YAG激光器遇到涂层剥离问题的困扰。而准分子激光器，由于其脉冲宽度短，就能够在打穿涂层的同时又不会发生剥离现象(如图3)。

图3：使用准分子激光器在有陶瓷涂层的超耐热不锈钢上得到的孔。

由于波长短导致光子能量大，因此准分子激光器也非常适合于许多不同复合材料的打孔，比如，碳纤维复合材料(CFC)。图4和5给出了在CFC材料上打孔的例子。图4中的孔直径是0.2 mm，它被用于降噪面板。

图4：在碳纤维复合材料制成的降噪面板上直径为0.2mm的孔。

另一个应用是利用烧蚀来对珩磨过的汽缸表面结构进行处理，这种经处理的结构提高了表面的摩擦学特性，降低了磨损。

图5：在航空应用中使用的碳纤维复合材料上打的安装孔。

高功率的准分子激光器打孔，其脉冲宽度范围在100-200ns。在利用Nd:YAG激光器打孔在孔质量上遇到困难的领域，它吸引了各界的注意。热影响区域将会更小，通过选择合适的参数，再铸层将更薄。

参考文献
1. M.H.H. van Dijk, "Pulsed Nd:YAG laser cutting," The Industrial Laser Annual Handbook, 1987, pp 52-65.
2. A. Schoonderbeek, C.A. Biesheuvel, R.M. Hofstra, K.-J. Boller, J. Meijer, "The influence of the pulse length on the drilling of metals with an excimer laser," Journal of Laser Applications, vol.16, nr2, pp. 85-91, 2004.
3. C. Biesheuvel, E.A., High speed parallel laser drilling with a high power excimer laser, ICALEO 2004.

关于NCLR

NCLR位于荷兰Enschede。该公司开发了准分子激光器Sirius 1000，其平均功率为1kW。得到脉冲长(200ns)，使激光器很适合于打孔。光束可以被聚焦到10 μm的光斑大小，这样能得到的功率密度为10TW/cm2。如此高的平均功率使得同时打多个孔成为可能。该公司设计和制造了专门的全息分束器，其光学效率高达90%或更高。Twente大学的设备被用来生产这些装置。需要更多的信息请访问www.nclr.nl。(end)

(投稿) (2005-11-29，阅读2020次)

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