工学3·5激光气化及打孔应用课件.pptx

1、3.5、激光打孔技术1 1、激光打孔的物理机制、激光打孔的物理机制2 2、激光打孔的影响因素、激光打孔的影响因素3 3、激光打孔的特点与应用、激光打孔的特点与应用4 4、激光打孔的新技术、激光打孔的新技术思考：思考：1 1、如何打一个锥度非常小的小孔？、如何打一个锥度非常小的小孔？2 2、连续激光能不能打孔，为什么？、连续激光能不能打孔，为什么？1、激光打孔的物理机制 金属材料被功率密度为金属材料被功率密度为10106 610109 9W/cmW/cm2 2的激光辐射的激光辐射时，因激光功率密度很高，会使材料表面的温度超过时，因激光功率密度很高，会使材料表面的温度超过沸点而产生沸点而产生熔化或

2、者汽化熔化或者汽化，并将表面被氧化的分裂混，并将表面被氧化的分裂混合物喷射出来。合物喷射出来。在激光脉冲末尾，激光功率密度降低，分裂的喷在激光脉冲末尾，激光功率密度降低，分裂的喷射物减弱。随着分裂物的喷射，汽化以一定的速度向射物减弱。随着分裂物的喷射，汽化以一定的速度向材料内部移动，材料被汽化去除，孔被逐渐加深，随材料内部移动，材料被汽化去除，孔被逐渐加深，随着孔的直径和深度的增加，分裂物相继被蒸汽压去除，着孔的直径和深度的增加，分裂物相继被蒸汽压去除，最后形成一个深孔。最后形成一个深孔。Increasing of numbers of laser pulse激光打孔分类单脉冲多脉冲掩膜轮廓迂

3、回法2、激光打孔的影响因素（1 1）脉冲能量）脉冲能量（2 2）脉冲宽度）脉冲宽度（3 3）脉冲波形）脉冲波形（4 4）激光模式）激光模式（5 5）聚焦条件（焦距，离焦量）聚焦条件（焦距，离焦量）（6 6）材料特性（物理特性、外形尺寸）材料特性（物理特性、外形尺寸）（7 7）多脉冲打孔）多脉冲打孔（8 8）激光打孔的辅助工艺）激光打孔的辅助工艺（1）脉冲能量310Eh 310Ed)(0200vmbLLTTCaEhLm，Lv 分别为材料的熔化和汽化潜热。这时材料的去除质量即为a02d.C:比热容,Tb:熔点温度,T0:室温,E0:脉冲能量忽略热传导和表面发射（2）脉冲宽度脉宽的选择由孔的要求而定

4、：脉宽的选择由孔的要求而定：打深而小的孔，宜采用较长的脉冲打深而小的孔，宜采用较长的脉冲 打大而浅的孔，宜采用较短的脉冲打大而浅的孔，宜采用较短的脉冲 高质量的孔，宜采用较短的脉冲高质量的孔，宜采用较短的脉冲 导热性差的材料，宜采用较短的脉冲导热性差的材料，宜采用较短的脉冲 脉宽增大，较多的热作用于材料的非破坏性加热，使材脉宽增大，较多的热作用于材料的非破坏性加热，使材料变形大，热应力大，易出现裂纹，一般采用料变形大，热应力大，易出现裂纹，一般采用0.30.7ms0.30.7ms脉宽脉宽1 低脉冲能量和长脉冲时间The pulse power density is lower 106W/cm2

5、 and pulse duration is around msus.The heating,melting and evaporation are describing the whole process of the laser drilling.The thermal effects play the main role.2 高脉冲能量和短或超短脉冲时间The pulse power density is higher 107W/cm2 and pulse duration span from approximately 100ps100ns.Irrespective of the ch

6、emical,optical or thermo-physical properties of a large variety of materials including diamond,ceramics,plastics and steel,the evolution of the drilling process shows a quite general behavior.（3）脉冲波形应尽量选择前后沿陡，激光光强逐步增大的波形打孔，一般要求激光的前沿控制在810us，即可获得较好的入口，后沿短于8us可以获得高的内壁质量。尤其对于小于50us的小孔，更增加后沿的陡度，防止孔被液相物质

7、堵塞。（4）激光模式frs 激光发散角主要影响进出口孔径差和锥度。通常，发散角增大，孔的锥度增大，激光束聚焦光斑直径也增大。聚焦半径近似公式聚焦半径近似公式聚焦深度近似公式聚焦深度近似公式2sr模式越低，发散角越小，基模发散角最小，采用基模进行模式越低，发散角越小，基模发散角最小，采用基模进行打孔锥度要小。打孔锥度要小。（5）聚焦条件焦点在工件表面，锥度大；焦点在工件表面，锥度大；焦点在工件中间，打孔质量有好有坏；焦点在工件中间，打孔质量有好有坏；一定的正离焦，打孔效果好。一定的正离焦，打孔效果好。不锈钢材料，3mm的试验（6）材料特性 在激光功率密度在激光功率密度F F较低时，铝的热较低时，

8、铝的热扩散损耗比铁高，铝的孔深比铁浅。扩散损耗比铁高，铝的孔深比铁浅。随着随着F F的增大，材料会很快达到沸点，的增大，材料会很快达到沸点，加热速度快，这时热传导损耗可以忽加热速度快，这时热传导损耗可以忽略，因为铝有的汽化潜热，则铝的汽略，因为铝有的汽化潜热，则铝的汽化去除量比铁大，故铝的孔深比铁要化去除量比铁大，故铝的孔深比铁要深。深。采用激光打孔宜采用高功率密度的采用激光打孔宜采用高功率密度的激光脉冲打孔。激光脉冲打孔。（7）多脉冲打孔 单一脉冲打孔的孔深单一脉冲打孔的孔深有限，仅为孔径的有限，仅为孔径的3 34 4倍，倍，且精度和重复性难以控制，且精度和重复性难以控制，一般采用多脉冲打孔

9、，多脉一般采用多脉冲打孔，多脉冲打孔可以控制孔形畸变，冲打孔可以控制孔形畸变，热影响区扩大，表面开裂等热影响区扩大，表面开裂等不稳定因素。不稳定因素。（8）激光打孔辅助工艺 改善孔的形状改善孔的形状 （a a）涂覆表面张力低的液相薄膜，减少沉积物，）涂覆表面张力低的液相薄膜，减少沉积物，减少孔的锥度。减少孔的锥度。（b b）覆盖屏蔽层，使激光打孔的锥度在屏蔽层）覆盖屏蔽层，使激光打孔的锥度在屏蔽层上。上。（c c）吹入压缩空气，提高表面质量）吹入压缩空气，提高表面质量 （d d）工件下面安装反射镜）工件下面安装反射镜 （e e）多脉冲打孔，周期性把激光束聚焦到孔底）多脉冲打孔，周期性把激光束聚

10、焦到孔底某个位置某个位置 （f f）激光打孔后，辅助修正。）激光打孔后，辅助修正。4、激光打孔特点与应用 质量优势技术特质实际应用 1激光可以打细小深孔 激光聚焦直径可至0.3毫米 特殊喷嘴和冷却通道 2在斜面上打斜孔、异型孔 激光空中传输 涡轮发动机叶片打孔 3对极硬的陶瓷零件打孔 激光打陶瓷孔无技术难度 钢铁业耐高温火焰喷嘴 4打孔准确度高，性能可靠 激光打孔无工具磨损 燃气机喷嘴打孔 5激光打高密度细小群孔 激光可用高速飞行法打孔 精密化工，制药用筛板激光打孔应用实例（1）陶瓷0.5mm孔发动机叶片0.5mm小孔激光打孔应用实例（2）过滤板82万个0.7mm孔(3mm厚不锈钢板)过滤板激

11、光焊接打孔切割飞机部件的激光打孔Material such as steel,nickel alloys,aluminum,copper,brass,borosilicate glass,quartz,ceramic,plastic and rubber are all being successfully laser drilled.Representative Application Dual pulse laser drilling Water-jet laser drilling Trepanning laser pulse drillingProcess of dual pulse

12、laser drilling Phase IPhase IIPhase I:Twin pulse interval 30150ns is irradiating on the target surface.Phase II:The first pulse contact on the target,plasma,molten and vaporized metal appeared immediately.Dual pulse laser drilling Sierra series solid state laser drilling systemOutstanding advantage:

13、high efficiency;high speed;high qualityPhase IIIPhase IVPhase III:After 30ns150ns,the plasma disappeared and molten metal is existing on the surface of the material.Phase IV:The second pulse arrived.Pulse energy is absorbed by molten metal which became a new energy to drilling the hole.激光强度：激光强度：激光强

14、度，功率密度：激光脉宽激光聚焦光斑激光单脉冲能量:PsEL激光电场：激光电场：.sEPL光速：真空介电常数激光电场:410:2270020ccEEcP以波长为10.6m的钕玻璃激光为例l假设激光强度：215/10cmWP 如此大的电场足以从原子直接激发电子l 实际上，由于靶物质中的杂质、晶格缺陷使得P远小于上述值时，产生自由电子，通过串级电离形成等离子体几百至几千电子伏)/(1089.810mVE202EcP2700410:ccPE：真空介电常数光速激光强度激光电场激光电场激光电场逆韧致吸收逆韧致吸收Inverse Bremsstrahlung碰撞吸收 Collisional Absorptionl 韧致吸收：一个带电粒子与另外一个粒子碰撞发射光被称作韧致辐射l 逆韧致辐射：电子与离子或者电子相互碰撞时吸收光子。