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激光打孔加工——短脈沖激光器可以進行精確的螺旋狀鉆孔

        用于打孔的光學裝置：電子元件、醫(yī)療設備、傳感器、計算機、航空電子等設備的制造商需要一些零件，它們具有微型尺寸，復雜的外形和小孔外形。紡織產(chǎn)業(yè)使用的噴絲頭和火車柴油機的噴油嘴就是這樣的例子，這兩個實例都是金屬零件，在上面鉆了精細的小孔。這些典型的小孔尺寸為50 - 100 μm，小孔深度達2 mm。

        與線切割放電加工，化學蝕刻，機械加工/切割，電鑄，以及其他加工技術(shù)相比，激光打孔設備的性能要好，這是由于激光加工是非接觸式的，并且更靈活。此外，加工過程所受的限制更少，不需要進行昂貴的廢棄物處理，工具的本錢也更公道。與放電加工相比，激光打孔能夠得到更高的長度直徑比，此外，它能夠?qū)Ω鞣N材料進行打孔，包括陶瓷，硅，鉆石和聚合物。 

        由于使用了靈活的激光光束來掃描，甚至非圓形且具有復雜外形的小孔都可以得到。在制造尺寸很小的孔的方面，已經(jīng)有一系列非接觸、無摩擦的技術(shù)，它們使用了緊密聚焦的光束，這些技術(shù)已經(jīng)在微電子制造工藝和發(fā)動機零件的制造中建立了一定地位。假如小孔必須是圓錐形，將碰到特別的困難，由于在打孔方向上直徑不斷在增加。這種幾何外形在一些零件中是需要的，比如噴嘴組件，它們從反向是無法達到的。Fraunhofer激光技術(shù)研究中心（ILT）的科學家已經(jīng)開發(fā)了這樣的打孔技術(shù)，使用了一種新型的精確打孔的光學裝置，它能夠提供很高的掃描速度，且能得到的小孔幾何正確率更高。 

        使用激光輻射來打孔已經(jīng)在各種產(chǎn)業(yè)應用中已確立其地位。激光技術(shù)從腕表產(chǎn)業(yè)首先開始其應用。當需要在節(jié)能條件下得到高深寬比的小孔時，比如在氣體渦輪機制造中的冷卻小孔，或者在燃料供給系統(tǒng)中的過濾器，都使用了激光，它已成為一個普遍的工具。在這些應用中，應用脈寬為幾個微秒的單脈沖進行激光鉆孔或者沖擊鉆孔能夠得到的鉆孔速度較高。但是由于激光加工主要是個加熱過程，激光鉆孔導致孔內(nèi)殘留有熔化層。由高強度的激光脈沖熔化或者汽化的材料在被自己的蒸汽傳送出往以前，會在孔壁上凝聚或者重鑄。在沖擊鉆孔中更是如此，這里激光束沒有移動，總是打在同一個地方，這導致所產(chǎn)生的熔化體積很大。更短的脈沖（在飛秒和皮秒量級）所產(chǎn)生的熱滲透深度更淺，然而仍然會殘留熔化層。但是，使用這類激光器時，生產(chǎn)率很低，這是由于在脈沖能量高的情況下，激光功率不夠。 

        使用稱為螺旋式打孔/穿孔法的打孔技術(shù)就可以克服這些質(zhì)量和生產(chǎn)率方面的限制。在這個技術(shù)中，使用了緊密聚焦的短脈沖激光束，沿著中心點旋轉(zhuǎn)，嚴格的描繪出小孔的幾何外型。打孔過程中，每一小部分材料相繼的被蒸發(fā)，范圍限定得很好的激光脈沖被旋轉(zhuǎn)和重疊使用。使用這項打孔技術(shù)時，在整個打孔過程中，孔壁一直被加熱，這就阻止了重新凝固的過程和白色厚層的產(chǎn)生。使用了這項技術(shù)，甚至在納秒范圍的“長”脈沖也可以被使用，從而使得較大量材料的蒸發(fā)和更高的生產(chǎn)率成為可能，能夠得到使用皮秒脈沖才能得到的效果。螺旋式打孔的光學裝置取決于激光束的可聚焦性，它能夠在厚度為1mm的材料上打出直徑達30微米的圓形小孔。

        為了進行螺旋式打孔，專門打孔的光學裝置能夠以可變的旋轉(zhuǎn)直徑來對激光光束進行旋轉(zhuǎn)。過往已取得了幾項進展用來實現(xiàn)激光束旋轉(zhuǎn)的高精度，它們使用了傳統(tǒng)的振鏡掃描儀，旋轉(zhuǎn)楔形棱鏡，以及離軸旋轉(zhuǎn)透鏡。所有這些設備都需要高光束質(zhì)量，并要求激光光束轉(zhuǎn)動時盡對對稱。若為橢圓型的激光束或者在外形上有其他偏差，將產(chǎn)生不圓的小孔。此外，這些設備的掃描頻率的最大值是3000轉(zhuǎn)/分鐘。在這個掃描頻率下，孔壁的連續(xù)加熱無法得到保證，或者說，在激光器的高重復頻率下會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。

小孔樣品

        新開發(fā)的鉆孔光學裝置使得激光光束的旋轉(zhuǎn)頻率可以達到40,000轉(zhuǎn)/分鐘。能夠在2-mm厚的材料上打直徑比高達2的錐形小孔。新型光學裝置的主要上風是掃描頻率很高，用來設置直徑和激光光束傾角的所有設備都不旋轉(zhuǎn)，此外，搭建時只要它們能提供很高的精度即可。

        使用這一光學裝置和調(diào)Q的Nd:YAG激光器（脈寬15納秒，脈沖能量600到800μJ。在少于25秒的時間內(nèi)，脈沖激光穿透金屬薄板，打了一個直徑為50微米的小孔。小孔中殘留的熔化層厚度僅有1-2 μm，材料頂部熔化物可以通過超聲波清洗方便地往除。在金屬組件上進行直徑范圍在幾個微米內(nèi)的高精度打孔時通常都使用短脈沖，或者超短脈沖激光。使用這個新型的激光打孔頭，就可以使用納秒激光器，這就使得在生產(chǎn)本錢較低時，生產(chǎn)率能夠較高。使用更短波長的脈沖（綠色或者紫外）能夠得到更小的光斑尺寸，在一些經(jīng)挑選的材料上，小孔直徑可以達到10-20 μm。到目前為止，檢驗了厚度達2 mm的工具鋼和高級鋼。要得到這些幾何外形，又實現(xiàn)精度要求，對于傳統(tǒng)型打孔來說必須花大量開支才能實現(xiàn)。在這些方面，這一技術(shù)找尋到了潛伏的應用領(lǐng)域。 

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