激光打孔加工——短脈沖激光器可以進(jìn)行精確的螺旋狀鉆孔

        用于打孔的光學(xué)裝置：電子元件、醫(yī)療設(shè)備、傳感器、計算機(jī)、航空電子等設(shè)備的制造商需要一些零件，它們具有微型尺寸，復(fù)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(jī)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(xì)的小孔。這些典型的小孔尺寸為50 - 100 μm，小孔深度達(dá)2 mm。

        與線切割放電加工，化學(xué)蝕刻，機(jī)械加工/切割，電鑄，以及其他加工技術(shù)相比，激光打孔設(shè)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(jī)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(dá)到的。Fraunhofer激光技術(shù)研究中心（ILT）的科學(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)用。當(dāng)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(jī)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(yīng)用中，應(yīng)用脈寬為幾個微秒的單脈沖進(jìn)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(dǎo)致孔內(nèi)殘留有熔化層。由高強(qiáng)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(dǎo)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(diǎn)旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)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(xué)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(dá)30微米的圓形小孔。

        為了進(jìn)行螺旋式打孔，專門打孔的光學(xué)裝置能夠以可變的旋轉(zhuǎn)直徑來對激光光束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。過往已取得了幾項進(jìn)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(shè)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(shè)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(fù)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(xué)裝置使得激光光束的旋轉(zhuǎn)頻率可以達(dá)到40,000轉(zhuǎn)/分鐘。能夠在2-mm厚的材料上打直徑比高達(dá)2的錐形小孔。新型光學(xué)裝置的主要上風(fēng)是掃描頻率很高，用來設(shè)置直徑和激光光束傾角的所有設(shè)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(xué)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(jìn)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(dá)到10-20 μm。到目前為止，檢驗了厚度達(dá)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(yīng)用領(lǐng)域。 

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