激光气化打孔应用翻译

设计：李波激光与物质相互作用任课老师：秦应雄讲师电话：87541774/62274402Email:[e-mail]-MatterInteraction本科课程设计：李波3.5、激光打孔技术1、激光打孔的物理机制2、激光打孔的影响因素3、激光打孔的特点与应用4、激光打孔的新技术思考：1、如何打一个锥度非常小的小孔？2、连续激光能不能打孔，为什么？设计：李波1、激光打孔的物理机制金属材料被功率密度为106—109W/cm2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沸点而产生熔化或者汽化，并将表面被氧化的分裂混合物喷射出来。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。设计：李波激光脉冲数的增加吸收光IncreasingofnumbersoflaserpulsemeltedpuddlecomesintobeingmeltedsurfacereachesitsvaporizationtemperaturevaporizethemoltenmaterialsMaterialisthenremovedfromthesurfaceAholecanbeformedmeltedpuddlecomesintobeingmeltedsurfacereachesitsvaporizationtemperaturemeltedsurfacereachesitsvaporizationtemperaturevaporizethemoltenmaterialsvaporizethemoltenmaterialsMaterialisthenremovedfromthesurfaceMaterialisthenremovedfromthesurfaceAholecanbeformedAholecanbeformed（产生融化小坑）融化表面达到蒸发温度气化熔融材料去除表面材料坑点形成加热融化气化消融材料移除等离子烟羽表面碎屑减少热影响区设计：李波激光打孔分类单脉冲多脉冲掩膜轮廓迂回法设计：李波2、激光打孔的影响因素（1）脉冲能量（2）脉冲宽度（3）脉冲波形（4）激光模式（5）聚焦条件（焦距，离焦量）（6）材料特性（物理特性、外形尺寸）（7）多脉冲打孔（8）激光打孔的辅助工艺设计：李波（1）脉冲能量310Eh310Ed])(['0200vmbLLTTCaEhLm，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πa02d’ρ.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一次气化深度设计：李波（2）脉冲宽度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，使材料变形大，热应力大，易出现裂纹，一般采用0.3~0.7ms脉宽设计：李波1–低脉冲能量和长脉冲时间Thepulsepowerdensityislower106W/cm2andpulsedurationisaroundms~us.（脉冲功率在106以下，脉冲时间在ms~us附近）Theheating,meltingandevaporationaredescribingthewholeprocessofthelaserdrilling.（加热、融化、蒸发，这就是激光打孔的整个过程LaserpulseVaporMeltHeatedMetalPlasmaThethermaleffectsplaythemainrole.（热效应起主要作用）融化气化等离子体设计：李波2–高脉冲能量和短或超短脉冲时间Thepulsepowerdensityishigher107W/cm2andpulsedurationspanfromapproximately100ps~100ns.激光脉冲功率密度大于107W/cm2脉冲时间约在100ps~100ns.Irrespectiveofthechemical,opticalorthermo-physicalpropertiesofalargevarietyofmaterialsincludingdiamond,ceramics,plasticsandsteel,theevolutionofthedrillingprocessshowsaquitegeneralbehavior.（大多材料包括钻石、陶瓷、塑料、钢铁，不管是其化学、光学还是热物理性能，都可以在打孔过程中得到完美的展示）极短脉冲非处理区域非热影响区域非融化区域高温等离子体设计：李波（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8～10us，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，防止孔被液相物质堵塞。设计：李波（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，采用基模进行打孔锥度要小。设计：李波（5）聚焦条件焦点在工件表面，锥度大；焦点在工件中间，打孔质量有好有坏；一定的正离焦，打孔效果好。设计：李波不锈钢材料，3mm的试验设计：李波（6）材料特性在激光功率密度F较低时，铝的热扩散损耗比铁高，铝的孔深比铁浅。随着F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，故铝的孔深比铁要深。采用激光打孔宜采用高功率密度的激光脉冲打孔。设计：李波（7）多脉冲打孔单一脉冲打孔的孔深有限，仅为孔径的3～4倍，且精度和重复性难以控制，一般采用多脉冲打孔，多脉冲打孔可以控制孔形畸变，热影响区扩大，表面开裂等不稳定因素。设计：李波（8）激光打孔辅助工艺改善孔的形状（a）涂覆表面张力低的液相薄膜，减少沉积物，减少孔的锥度。（b）覆盖屏蔽层，使激光打孔的锥度在屏蔽层上。（c）吹入压缩空气，提高表面质量（d）工件下面安装反射镜（e）多脉冲打孔，周期性把激光束聚焦到孔底某个位置（f）激光打孔后，辅助修正。设计：李波设计：李波激光参数优化打孔，无重铸、清洁几乎无碎屑、非优化激光参数、有效重铸，顶点和碎屑分布设计：李波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，制药用筛板设计：李波激光打孔的发展趋势较高的分辨率降低生产成本工业稳健性设计：李波激光打孔应用实例（1）陶瓷·Φ0.5mm孔发动机叶片·Φ0.5mm小孔设计：李波激光打孔应用实例（2）过滤板·82万个Φ0.7mm孔(3mm厚不锈钢板)过滤板·激光焊接·打孔·切割设计：李波飞机部件的激光打孔设计：李波Materialsuchassteel,nickelalloys,aluminum,copper,brass,borosilicateglass,quartz,ceramic,plasticandrubberareallbeingsuccessfullylaserdrilled.材料如钢铁、镍合金、铝、铜、黄铜、硼硅酸盐玻璃,石英,陶瓷,塑料和橡胶都可以用激光打孔设计：李波RepresentativeApplication典型应用•Dualpulselaserdrilling双脉冲激光打孔•Water-jetlaserdrilling喷水口激光打孔•Trepanninglaserpulsedrilling设计：李波Processofdualpulselaserdrilling双脉冲打孔过程PhaseIPhaseIIPhaseI:Twinpulseinterval30~150nsisirradiatingonthetargetsurface.双脉冲间隔30~150ns照射到目标表面PhaseII:Thefirstpulsecontactonthetarget,plasma,moltenandvaporizedmetalappearedimmediately.第一个脉冲接触到目标，立刻出现等离子体、融化、气化现象设计：李波DualpulselaserdrillingGENERALATOMICSCo----SierraseriessolidstatelaserdrillingsystemOutstandingadvantage:highefficiency;highspeed;highquality设计：李波PhaseIIIPhaseIVPhaseIII:After30ns~150ns,theplasmadisappearedandmoltenmetalisexistingonthesurfaceofthematerial.PhaseIV:Thesecondpulsearrived.Pulseenergyisabsorbedbymoltenmetalwhichbecameanewenergytodrillingthehole.设计：李波Water-jetlaserdrilling设计：李波PrincipleofWater-jetlaserdrilling设计：李波Trepanninglaserpulsedrilling设计：李波