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激光打孔技术及激光打微孔简述

日期:2017-03-15    作者:松盛激光    来源:whlaser.cn    点击数:

激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。  

 

    目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主,也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。  

 

    激光束打孔机一般由固体激光器、电气系统、光学系统和三坐标移动工作台等四大部分组成。  

 

    1)固体激光器工作原理  

 

    当激光工作物质钇铝石榴石受到光泵(激励脉冲氙灯)的激发后,吸收具有特定波长的光,在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数,这种现象称为粒子数反转。一旦有少量激发粒子产生受激辐射跃迁,就会造成光放大,再通过谐振腔内的全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡,最后由谐振腔的一端输出激光。激光通过透镜聚焦形成高能光束照射在工件表面上,即可进行加工。  

 

    2)电气系统包括对激光器供给能量的电源和控制激光输出方式(脉冲式或连续式等)的控制系统。在后者中有时还包括根据加工要求驱动工作台的自动控制装置。  

 

    3)光学系统的功能是将激光束精确地聚焦到工件的加工部位上。为此,它至少含有激光聚焦装置和观察瞄准装置两个部分。  

 

    4)投影系统用来显示工件背面情况,在比较完善的激光束打孔机中配备。  

 

    5)工作台由人工控制或采用数控装置控制,在三坐标方向移动,方便又准确地调整工件位置。工作台上加工区的台面用玻璃制成,因为不透光的金属台面会给检测带来不便,而且台面会在工件被打穿后遭受破坏。工作台上方的聚焦物镜下设有吸、吹气装置,以保持工作表面和聚焦物镜的清洁。 

 

    激光打微孔简述 

 

    在元件上开个小孔是件很常见的事。但是,如果要求在坚硬的材料上,比如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔,用普通的机械加工工具怕是不容易办到,即使能够做,加工成本也会很高。现有的机械加工技术在材料上打微型小孔是采用每分钟数万转或者几十万转的高速旋转小钻头加工的,用这个办法一般也只能加工孔径大于0.25毫米的小孔。在今天的工业生产中往往是要求加工直径比这还小的孔。比如在电子工业生产中,多层印刷电路板的生产,就要求在板上钻成千上万个直径约为0.1~0.3毫米的小孔。显然,采用刚才说的钻头来加工,遇到的困难就比较大,加工质量不容易保证,加工成本不低。早在本世纪60年代后,科学家在实验室就用激光在钢质刀片上打出微小孔,经过近30年的改进和发展,如今用激光在材料上打微小直径的小孔已无困难,而且加工质量好。打出的小孔孔壁规整,没有什么毛刺。打孔速度又很快,大约千分之一秒的时间就可以打出一个孔。

激光在材料上钻出小孔的道理很简单(激光钻孔),做法也不复杂。激光有很好的相干性,用光学系统可以把它聚焦成直径很微小的光点(小于1微米),这相当于用来钻孔的“微型钻头”。其次,激光的亮度很高,在聚焦的焦点上的激光能量密度(平均每平方厘米面积上的能量)会很高,普通一台激光器输出的激光,产生的能量就可以高达109焦耳/厘米2,足可以让材料发生熔化并汽化,在材料上留下一个小孔,和用钻头钻出来的一个样。  

 

    怎样用好激光“钻头”,激光科学工作者也做了许多研究工作。他们发现,用每秒发射许多个光脉冲(通常叫高重复率激光脉冲)做“钻头”,打出来的小孔质量比用单个光脉冲,或每秒时间内少数几个光脉冲打出来的孔好。道理大概是这样:在用每秒一个光脉冲或少数几个脉冲打孔时,对每个光脉冲的激光能量要求比较高,让材料能被加热至熔化才能打出孔。但是,融熔了的材料没有办法充分汽化,却把在它附近的材料加热和使它们汽化,结果,被打出来的小孔在形状大小上就不那么规整。如果使用的是高重复率激光器输出的光脉冲,这时每个光脉冲平均的能量并不很高,但由于光脉冲的宽度窄,功率水平却不低。于是每个激光脉冲在材料上形成的融熔体不多,主要是发生汽化。由于使小孔附近的材料加热时融熔体很少,因而也就不出现在用单脉冲打孔时出现的事。打出的小孔形状和大小就规整得多了。  

 

    要使打出的小孔质量高,还需要注意激光焦点位置的选择。选择焦点位置的原则大致是这样:对于比较厚的材料,激光束焦点位置应位于工件的内部,如果材料比较薄,激光束焦点需放在工件表面的上方。这样的安排会让打出来的小孔上下大小基本上一致,不出现“桶状”的小孔。  

 

    用激光在材料上钻孔,钻出的小孔质量不仅非常好,特别是在打大量同样的小孔时,还能保证多个小孔的尺寸形状统一,而且钻孔速度快,生产效率高。所以,除在电子工业生产中用激光打孔外,其他许多工业生产部门都在采用,比如普通香烟过滤嘴上的小孔、喷雾器阀门上的小孔,也在采用激光加工。喷雾器罐和瓶子颈部都有一个用来控制压缩物质(比如除臭剂、油料或者其他液体)的流量,阀门使用的性能就由喷雾器上这只小孔来决定了。这只小孔的直径为10微米到40微米,用其他机械加工方法不那么好做,用激光来加工,能保证质量,每小时还可以打4万个小孔呢!