[定稿]激光打孔

[定稿]激光打孔 激光技术 激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用。激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。 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，以保持工作面和聚焦物镜的清洁。 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。 激光打孔的原理 : 激光打孔实质上是把激光光束聚焦在工件上，使光能转变为热能的一种热加工方法。.激光打孔的过程，是一定能通量密度的激光脉冲辐射对工件材料的作用过程，也就是材料的熔化和气化以及部分材料以固相形式抛出。当辐射脉冲作用一开始，就出现蒸气相的飞出，具有喷射流的特性，以后随着孔径、深度的增加，飞戮物中材料熔化占大部分，这个熔化液体物质在孔的侧壁和底部形成，并且被蒸气的剩余压力排挤出来。当脉冲临近结束时，由于激光能通最密度的降低而使飞溅物的排出量减少，能通量密度进一步降低，一导致飞截物中液相占优势，当能通量密度接近材料开始破坏的同值时，仅.形成表面烙化。一个激光脉冲结束后，工件形成一凹坑，激光脉冲连续作用，凹坑逐渐加深加大，到适当时间，小孔就形成了。 激光打孔的优点 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。 (7)激光打孔对工件装夹要求简单，易实现生产线上的联机和自动化。 (8)激光打孔易对复杂形状零件打孔，也可在真空中打孔。 激光打孔在工业领域的应用与研究进展 : 激光因具有单色性、相干性、和平行性三大优点，将此应用于材料加工，形成一门新型的加工工业——激光工业。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、和加工环境的自由度都很大，与计算机数控技术相结合，可构成高效自动化加工设备。广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等重要部门，对提高劳动生产率、产品质 量、自动化、无污染、减少材料消耗等起重要作用。经过不断的研究开发，激光已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和硬质合金加工等方面。 激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束辐照加热，使熔覆材料和基材表面薄层发生熔化，并快速凝固，从而在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层田。激光熔覆具有如下优点:激光束的能量密度高，加热速度快，对基材的热影响较小，引起工件的变形小;控制激光的输入能量，可将基材的稀释作用限制在极低的程度(一般为2,,8,)，从而保持了原熔覆材料的优异性能;激光熔 覆层与基材之间结合牢固(冶金结合)，且熔覆层组织细小。这些特点使得激光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视。 激光堆焊可以获得高性能(如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能等)的合金堆焊层，而且具有激光堆焊层与基体的结合为冶金结合，组织极细，覆层成分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工艺过程易实现自动化等特点。因此激光堆焊技术在材料的表面处理方面倍受关注，并在工业易损件修复、双金属零件的制造等方面应用上已经取得了一定的成果。激光堆焊材料的成分直接决定了堆焊层的使用性能，为了适应复杂的应用环境，人们研究出了多种成分、多种形态的堆焊材料。目前常用的堆焊材料为铁基合金、钴基合金、镍基合金。它们共同的特点是较低的应力磨粒磨损能力，优良的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能。其中铁基合金不仅因其价格低廉、而且由于通过调整成分、组织。可以在很大范围内改变堆焊层的强度、硬度、韧性、耐磨、耐蚀、耐热和抗冲击性。是应用最为广泛的一种堆焊合金。 激光对金属材料的表面处理，是近十年来发展起来的一项新技术。无论是对黑色金属还是有色金属，在实践的应用中它都显示了独特的优越性，并在工业生产上得到了广泛的应用。用激光处理金属，一般是以一定模式的激光光束对准工件需处理的部位，由工件随工作台的移动(转动或平移)来实现激光扫描。为防止表面氧化及等离子体的生成，常采用惰性气体保护系统，一般工件的处理均为空冷，有些特殊要求件也可采用液氮冷却。由于激光加工显示出明显的质量和效益上的优越性，使其应用得到迅速发展。 激光打孔技术在航空中的应用 航空燃气涡轮上的叶片、喷管叶片、燃烧室等部位都需要冷却，所以这些部件的表面要被打上数以千计的孔来保证这些部件的表面被一层薄薄的冷却空气覆盖。这层冷却空气不仅能增加零件的使用寿命，而且可以提高引擎的工作性能。 目前使用的喷射引擎的气体温度可以达到2000?C，这个温度已经超过了涡轮叶片和燃烧室材料的熔点，现在用边界层冷却方法解决这个问题。通常每个航空零件上孔的数量从25个,4万个不等，冷却气体可以通过零件上的小孔覆盖整个零件表面来隔绝外界温度，从而达到保护作用。 冷却孔可以用EDM加工，也可以用激光加工。虽然EDM方式可以加工出质量合格的小孔，但是加工效率明显低于激光加工方式，此外EDM还有一些其他缺点。 脉冲Nd:YAG激光器是目前航空航天领域钻孔应用的首选，主要是基于以下几点考虑: 1.06µm的波长对于材料有很好的作用效果。 高脉冲能量和峰值功率的特性非常适合这种应用。 能快速在各种材料表面上(包括有耐热涂层的材料)加工出高深宽比的冷却孔。 在航空领域中有两种基本的激光打孔方法:套孔和脉冲钻孔。套孔是用激光脉冲 先在孔的中心位置钻孔，然后激光束移动到孔的圆周或者零件旋转来加工出一个孔;而激光脉冲钻孔既不需要移动激光束，也不需要旋转零件，只是靠连续的激光脉冲来加工出孔。孔的直径可以在加工时通过能量大小来控制。激光脉冲钻孔是航空工业中非常重要的应用技术，它大大缩短了零件加工的周期时间。在加工对称结构的零部件(如燃烧环、燃烧室等)时，加工时间还能再进一步缩短。激光的脉冲频率与工件的转动频率同步，激光脉冲完全同步地以特定排列来加工出所有的孔。这种“飞行钻孔”(drill on-the-fly)技术缩短了加工时间，但是加工出的孔的质量通常并不理想。 孔的质量至关重要。激光加工的孔的质量可以通过多个指标来判断。首先，从几何要素方面考虑，有孔的圆度、锥度和入口直径的变动。从金相方面考虑，则有重铸层和氧化层等。重铸层是指熔化的金属没有由于激光脉冲产生的气压而喷射出来，而是留在了孔内，最后在孔壁留下了薄薄的一层固态金属涂层，这层金属表面会产生微裂纹，并直接蔓延到本体。劳斯莱斯航空公司为氧化层和重铸层设定了可接受的最大厚度，在工件使用之前，工件上的孔的几何尺寸具有可接受的最大偏移值范围。其他航空公司更多地是关注通过零件的气体流动性，进而判断孔的质量。各个航空公司所使用的标准都在在不断改进，以提高孔的质量。 目前，所有加工航空零部件的钻孔方法大都采用直接光束传输系统，由于许多技术方面的原因，光纤出光系统在激光钻孔方面的应用发展非常缓慢。其中有两个主要问题，一个是相对低的光纤损坏阈值，另一个是传输的光束质量，光纤直径会导致光束质量恶化。当M2= 25或更好时，使用正确的脉冲参数就能生产出合格的孔。 国内外激光加工技术现状发展趋势分析: 国内外激光加工技术现状发展趋势分析，激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20%的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90%以上。 作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。 激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。 激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70%和20%，表面处理则不到10%。而YAG激光器的应用是以焊接、标记(50%)和切割(15%)为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70~80%。我国激光加工中以切割 为主的占10%，其中98%以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kW范围内，而以热处理为主的约占15%，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。 未来的世纪， 激光技术的新应用将不断使奇迹变得平凡， 激光发展的历史证明了这一点。激光技术将更深人地与人类的发展相联系， 她会默默地服务于我们的生活而不为我们所感知。作为新生代的我们，需要更好地运用所学知识，来将激光加工技术发挥地淋漓尽致。 班级 工业1101 姓名 白燕 学号201120070401