激光打孔

       激光打孔过程是激光和物质相互作用的热物理过程，它是由激光光束特性（包括激光的波长、脉冲宽度、光束发散角、聚焦状态等）和物质的诸多热物理特性决定的。

简述

       利用高功率密度激光束照射被加工材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞。激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。它在激光加工中归类于激光去除，也叫蒸发加工。

       随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。与常规打孔手段相比，具有以下显著的优点：

       1、激光打孔速度快，效率高，经济效益好。

       2、激光打孔可获得大的深径比。

       3、激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。

       4、激光打孔无工具损耗。

       5、激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。

       6、用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。

激光打孔技术

       激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术,也是激光加工的主要应用领域之一。硬度大、熔点高的材料传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。这一类的加工任务用常规机械加工方法很困难，有时甚至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得105-1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔，而且与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手段相比,具有以下显著的优点:1）激光打孔速度快,效率高,经济效益好。由于激光打孔是利用功率密度为l07-109W/cm2的高能激光束对材料进行瞬时作用,作用时间只有10－3-10－5s,因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合,通过微处理机进行程序控制,可以实现高效率打孔。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比,效率提高l0-1000倍。

激光打孔技术参数应用：

       由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中，使得硬度大、熔点高的材料越来越多容易加工。

       例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。利用激光在整个在空间和时间上高度集中的特点，经而易举地可将光斑直径缩小到微米级，从而获得100~1000W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔。 通常激光打孔机由五大部分组成：固体激光器、电气系统、光学系统，投影系统和三坐标移动工作台。五个组成部分相互配合从而完成打孔任务。

       固体激光器主要负责产生激光光源，电气系统主要负责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)，而光学系统的功能则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。投影系统用来显示工件背面情况。工作台则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一般用玻璃制成，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。

优点

       激光打孔机与传统打孔工艺相比，具有以下一些优点：

       （1）激光打孔速度快,效率高,经济效益好。

       （2）激光打孔可获得大的深径比。

       （3）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。

       （4）激光打孔无工具损耗。

       （5）激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。

       （6）用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。

       （7）激光打孔对工件装夹要求简单，易实现生产线上的联机和自动化。

       （8）激光打孔易对复杂形状零件打孔，也可在真空中打孔。

激光打孔设备

1、激光打孔用激光器

       激光器是激光打孔设备的重要组成部分，它的主要作用是将电源系统提供的电能以一定的转换效率转换成激光能。按激光器工作物质性质，可分为气体激光器和固体激光器。用于打孔的气体激光器主要有二氧化碳激光器，而用于打孔的固体激光器主要有红宝石激光器、钕玻璃激光器和YAG激光器。

       二氧化碳激光器有许多独特的优点，它的转换效率高于其它激光器，可以为许多非金属材料（如有机玻璃、塑料、木材、多层复合板材、石英玻璃等）所吸收。更为重要的是，二氧化碳激光器与其他激光器相比，可以进行大功率输出。当与其他技术配合时，可以实现高速打孔，最高速度可达100孔/秒，这是其他激光器很难做到的。

       虽然如此，但由于二氧化碳激光器的对焦、调光都不方便，设备一次性投资也比较大，在激光打孔设备中不及其他三种激光器应用普遍。固体激光器以其独特的优点在激光打孔中得到广泛的应用。它的主要优点是：（1）输出波长短。（2）输出的光可用普通的光学材料传递。（3）整机体积小，使用维护方便，价格低于二氧化碳激光器。

2、激光打孔用机床

       激光打孔用机床简单又通用的形式为三维机床。两维运动在水平面，以X、Y表示，两坐标轴相互垂直，第三维Z轴与Z-Y平面垂直。每一维可通过步进电机带动滚珠丝杠在直线滚珠导轨上运行，它的精度由丝杠的精度和滚珠导轨的精度确定。如果配以微处理机系统，三维机床就可以完成平面内各种孔及一定范围内群孔的激光加工。当需要在管材或桶形材料进行系列孔的加工时，机床应具有五维功能，除了前面提到的三维以外，增加的两维是X-Y平面360度的旋转，我们定义它为A轴，X-Y平面在Z方向上的0-90度倾斜，我们定义它为B轴。这样多种类型的激光打孔加工，五维工作台都能胜任。在需要节省设备投入的情况下，可将B轴的数控改为手动。这样既能节约资金，也基本能完成所有的打孔任务。

3、激光打孔整机设备

       历年来，国内外激光打孔机整机水平处在一个迅速发展的阶段，激光器输出功率逐渐提高，脉冲宽度越来越窄，频率范围越来越宽，其他参数也越来越趄着有利于打孔的方向发展。导光系统和激光打孔机的控制部分的柔性不断提高，使得打孔范围不断扩大。目前国内已形成商品的激光打孔机有几十种，除了大专院校和科研院所之外，专门经营制造激光设备的公司也逐渐增多。这表明中国的激光加工正朝着产业化方向发展。

激光打孔步骤

       激光打孔的过程是激光和物质相互作用的极其复杂的热物理过程。因此，影响激光打孔质量的因素很多。为了获得高质量的孔，应根据激光打孔的一般原理和特点，对影响打孔质量的参数进行分析和了解。

　　一、打孔战略：

　　第一步，详细了解打孔材料及打孔要求；

　　第二步，模拟实验与检测；

　　第三步，设计便利、快捷的工装夹具；

　　第四步，设计程序；

　　第五步，实施有效的打孔加工及必要的检测。

　　二、影响打孔质量的主要参数

　　激光打孔的过程是激光和物质相互作用的极其复杂的热物理过程。因此，影响激光打孔质量的因素很多。为了获得高质量的孔，应根据激光打孔的一般原理和特点，对影响打孔质量的参数进行分析和了解。这些参数包括：激光脉冲的能量，脉冲宽度，离焦量，脉冲激光的重复频率，被加工材料的性质。

　　三、辅助工艺

　　为了提高激光打孔的精度，有时需要采用一些辅助的工艺程序和工艺措施，包括以下五点：

　　(一)在工件的表面施加一个正向压力，或是在工件的反面装一个低压仓，可有助于打孔过程中清除汽化材料并增加液相的排出。

　　(二)在工件下面的安全位置装一个光电探测器，可以及时探测到工件穿透与否。

　　(三)利用液体薄膜或金属铂覆盖工件，能够使孔的锥度减小，并防止液相飞溅。

　　(四)为了及时防止熔化物积聚在孔里，可以把汽化温度低于被加工材料熔化温度的物质放到被加工工件的后面。

　　(五)利用激光作为加工工具在工件上打毛孔，再用其它方法达到所需要的精度。目前一般采用的有金刚砂的机械加工，用冲头、金属丝进行孔径精加工，化学腐蚀方法等等。

应用

       激光打孔技术由于他的速度快、效率高、经济效益好、应用领域广的优点，在工业生产上有着非常广泛的应用。激光可以在纺织面料、皮革制品、纸制品、金属制品、塑料制品上进行打孔切割等操作。应用领域包括制衣、制鞋、工艺品礼品制作、机器设备、零件制作等。