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   应用短脉冲激光器停止准确螺旋状钻孔

应用短脉冲激光器停止准确螺旋状钻孔



电子元件、医疗装备、传感器、计算机、航空电子等装备的制造商需求一些零件,它们具有微型尺寸,庞大的形状和小孔外形。纺织工业运用的喷丝头和火车 柴油机的喷油嘴就是如许的例子,那两个实例都是金属零件,在上面钻了邃密的小孔。这些典范的小孔尺寸为50-100μm,小孔深度达2mm。


取线切割放电加工,化学蚀刻,机器加工/切割,电铸,和其他加工手艺比拟,激光打孔装备的机能要好,那是由于激光加工黑白打仗式的,而且更天真。另外,加工历程所受的限定更少,不需要停止高贵的废弃物处置惩罚,东西的本钱也更公道。取放电加工比拟,激光打孔可以或许获得更高的长度直径比,另外,它可以或许对种种质料停止打孔,包孕陶瓷,硅,钻石和聚合物。


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图1 用于打孔的光学装配


因为运用了天真的激光光束去扫描,以至非圆形且具有庞大形状的小孔皆能够获得。在制造尺寸很小的孔的方面,曾经有一系列非打仗、无摩擦的手艺,它们运用 了严密聚焦的光束,这些手艺曾经在微电子制造工艺和发动机零件的制造中竖立了肯定职位。若是小孔必需是圆锥形,将碰到特其余难题,由于在打孔方向上直径不 断在增添。这类多少外形在一些零件中是需求的,好比喷嘴组件,它们从反向是没法到达的。科学家曾经开辟 了如许的打孔手艺,运用了一种新型的准确打孔的光学装配,它可以或许供应很下的扫描速度,且能获得的小孔多少准确率更高。

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图2 60ìm的小孔


运用激光辐射去打孔曾经在种种产业运用中已建立其职位。激光手艺从腕表产业起首最先其运用。当需求在节能条件下获得深邃宽比的小孔时,好比在气体涡轮机 制造中的冷却小孔,大概在燃料供应体系中的过滤器,皆运用了激光,它已成为一个广泛的东西。在这些运用中,运用脉宽为几个微秒的单脉冲停止激光钻孔大概冲 击钻孔可以或许获得的钻孔速度较下。然则由于激光加工重要是个加热历程,激光钻孔致使孔内残留有融化层。由下强度的激光脉冲融化大概汽化的质料在被本身的蒸汽 传送进来之前,会在孔壁上凝聚大概重铸。在打击钻孔中更是云云,这里激光束没有挪动,老是打在同一个中央,那致使所发生的融化体积很大。更短的脉冲(在飞 秒和皮秒量级)所发生的热渗出深度更浅,但是仍旧会残留融化层。然则,运用这类时,生产率很低,那是由于在脉冲能量下的状况下,激光功率不敷。  
       
运用称为螺旋式打孔/穿孔法的打孔手艺便能够战胜这些质量和生产率方面的限定。在这个手艺中,运用了严密聚焦的短脉冲激光束,沿着中心点扭转,严厉的描 画出小孔的多少外型。打孔历程中,每小部分质料接踵的被蒸发,局限限制得很好的激光脉冲被扭转和堆叠运用。运用这项打孔手艺时,在全部打孔历程中,孔壁 一向被加热,那便阻挠了从新凝固的历程和红色薄层的发生。运用了这项手艺,以至在纳秒局限的“少”脉冲也能够被运用,从而使得较大量质料的蒸发和更高的死 产率成为能够,可以或许获得运用皮秒脉冲才气获得的结果。螺旋式打孔的光学装配取决于激光束的可聚焦性,它可以或许在厚度为1mm的质料上打出直径达30微米的圆 形小孔。 

 

为了停止螺旋式打孔,专门打孔的光学装配可以或许以可变的扭转直径去对激光光 束停止扭转。已往已与得了几项希望用来实现激光束扭转的高精度,它们运用了传统的振镜扫描仪,扭转楔形棱镜,和离轴扭转透镜。所有这些装备皆需求下光束 质量,并要求激光光束迁移转变时绝对对称。若为椭圆型的激光束大概在外形上有其他偏向,将发生不圆的小孔。另外,这些装备的扫描频次的最大值是3000转/分 钟。在这个扫描频次下,孔壁的一连加热没法获得包管,大概道,在的下反复频次下会发生过热征象。  
       
为了战胜这个问题,激光技术研究中央研制了一种新型的激光打孔头。光束扭转棱镜,即所谓的讲威棱镜被用来实现激光光束的扭转,它被 安装到一个空心轴传动高速电动机上。 激光束被严厉的调解,瞄准讲威棱镜的中央,当扭转棱镜一次的时刻,激光便扭转两次。若相对旋转轴将激光光束倾斜,经由过程聚焦透镜后,光束将在激光光束扭转 的方向上描写出一个圆形。在取旋转轴平行的方向上挪动激光光束,激光光束将以肯定的入射角去描写圆形。双锥型扭转光束深切到质料内部较深处,像螺旋式的阶 梯,在底部变得更宽。棱镜特有的多少外形也致使激光光束能够沿着轴向以电动机两倍的速度扭转,到达每秒660次/每秒。那便赔偿了当光束辐射到外面时激光 强度的颠簸,得到了质量很下的小孔。运用这项手艺,能够获得圆锥形的小孔(正负锥角都可)。只要运用专门的调解装备,才能够运用讲威棱镜作为光束扭转器和 扫描装备,该调解装备取讲威棱镜安装在一起能够赔偿光束扭转器的典范偏差,即致使小孔不圆的偏差。


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图3 小孔样品


新开辟的钻孔光学装配使得激光光束的扭转频次能够到达40000转/分钟。可以或许在2mm薄的质料上打直径比高达2的锥形小孔。新型光学装配的重要上风是扫描频次很下,用来设置直径和激光光束倾角的所有装备皆不扭转,另外,搭建时只要它们能供应很下的精度便可。

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图4 螺旋式打孔入口处


运用那一光学装配和调Q的Nd:YAG激光器(脉宽15纳秒,脉冲能量600到800μJ),Fraunhofer激光技术研究中央的研究人员加工了有 2毫米薄的工具钢和高等级钢。在少于25秒的时间内,脉冲激光穿透金属薄板,打了一个直径为50微米的小孔。小孔中残留的融化层厚度唯一1-2μm,质料 顶部融化物能够经由过程超声波洗濯轻易天去除。在金属组件上停止直径局限在几个微米内的高精度打孔时一般皆运用短脉冲,大概超短脉冲激光。运用这个新型的激光 打孔头,便能够运用纳秒激光器,那便使得在生产成本较低时,生产率可以或许较下。运用更短波长的脉冲(绿色大概紫外)可以或许获得更小的光斑尺寸,在一些经选择的 质料上,小孔直径能够到达10-20μm。到现在为止,磨练了厚度达2mm的工具钢和初级钢。要得到这些多少外形,又实现精度要求,关于传统型打孔来讲必 须花大量开支才气实现。在这些方面,那一手艺找寻到了潜伏的应用领域。

 

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