激光打孔的工業前景

來源:光谷華科    關鍵詞:激光打孔, 應用前景, 工業制造,    發布時間:2018-11-14

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   打孔應用占據了整個激光材料加工應用市場約5%的份額。生產率的提高帶來了與激光器(熱打孔和燒蝕打孔)、光束處理、分光、以及工件處理方面等相關的幾種打孔策略,所有這些都推動了工藝整體效率和生產率的提高。 


        需要打出穿透孔的應用主要有噴氣發動機或氣輪機中的冷卻孔,動力總成部件的潤滑孔,以及注射噴嘴孔,空氣軸承和淋浴噴頭上的孔等等。另外還有過濾網、篩子和動力總成分離器上的孔,用于食物及化工的設施,以及鑄件上的排氣孔等等。 


        盲孔被用于外科手術針,以及用于對易碎材料進行分割時預先采取的劃刻階段中,后者目前已經成為連接桿、軸承和陶瓷以及藍寶石基底材料加工中的標準工序。其他的應用如:有助表面潤滑的儲油坑或醫用植入體,以及用于晶體太陽能電池或半導體的接觸式加工的新興市場。本文主要介紹加工通孔直徑在0.01到1.5mm之間,深度/直徑之間的深徑比在1到30之間。根據應用的不同,這些孔具有不同的幾何外形,從圓柱體到圓錐體、槽形或特定外形。 


        如今所面臨的主要任務是將高生產率與對更高幾何公差需求的不斷增長相結合,同時減少加工中的副效應。其對應的合適技術和策略能部分地從圖1(a)和圖1(b)當中得到。從這些數字中很清楚可以看到存在這樣一些應用領域,每個工件上只需打很少的孔,且打孔時間很短,這從系統工程角度來看,其送料和定位是相當具有挑戰的。從另一方面來說,在費時的高深徑比的孔加工中有必要采用有效的打孔策略,因為每個工件上需要打成百上千個孔。 


        工業激光打孔可分為單脈沖或沖孔,穿孔或螺旋打孔。脈沖固態激光器或調制/脈沖光纖激光被用于這些應用中,其脈沖間隔通常在微秒(熱脈沖)到皮秒(非熱脈沖)范圍之間。從規律上看,更低質量要求和更高深徑比的孔通常使用熱脈沖加工。燈泵浦激光器能提供這類脈沖,其典型脈沖重復頻率在5kHz以下。短脈沖激光可加工出高質量的孔,其重復頻率一般在100kHz以上。         

       
        通過先進的光束導向技術,比如將快速精密旋轉光學元件或振鏡用于厚度小于1mm薄材料的加工,高速、逐層“周線”穿孔技術隨著高輝度的半導體二極管泵浦固態激光或連續波模式光纖激光的應用也越來越流行了。但本文中不會詳細討論這些穿孔手段。 


        對于所有的熱打孔工藝來說,生產率必須向質量妥協,尤其是在熱效應可能產生的副作用(如重鑄和微裂紋)的情況下。人們已經就脈沖形狀和脈沖調制對于打孔效率和孔質量的影響進行了調查。這些調查的結果清晰地顯示出對于熱打孔來說,還存在改進的空間。 
         
        單脈沖打孔 
        直徑在0.015到1.2mm之間的孔能通過使用燈泵浦脈沖工業Nd:YAG固態激光器加工出來,其M2值在3到60之間。圖2 顯示出一個定性的工作范圍圖,將生產率作為深徑比和孔徑的函數給出。該深徑比為10的時候,已在圖中標出。高頻率功率激光器的生產率極限,則通過現有的脈沖重復頻率標出。圖2中的插圖(a)顯示的是一個0.5mm厚的不銹鋼車用過濾器,具有最多1200個直徑為0.05mm的孔。這些孔在2秒內加工完成。該生產率實現的前提是一個快速旋轉的軸和其他的輔助手段(如支架),以實現重復的孔加工幾何精度并避免毛刺。插圖(b)是一個孔直徑為0.25mm(深徑比2.5)的不銹鋼咖啡機零件,以每秒30個孔的速度進行打孔。插圖(c)顯示了一個活塞環,其0.7mm直徑的孔是通過使用一臺500瓦(脈沖峰值功率30kW)激光器,以30個孔/秒的速度加工出來。典型的公差在5%~10%之間。 

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