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利用短脉冲激光器进行精确螺旋状钻孔

导读: Fraunhofer激光技术研究中心(ILT)的科学家已经开发了这样的打孔技术,在打孔方向上直径不断在增加。该方法使用了一种新型的精确打孔的光学装置,它能够提供很高的扫描速度,且能得到的小孔几何准确率更高。

  电子元件、医疗设备、传感器、计算机、航空电子等设备的制造商需要一些零件,它们具有微型尺寸,复杂的外形和小孔形状。纺织工业使用的喷丝头和火车柴油机的喷油嘴就是这样的例子,这两个实例都是金属零件,在上面钻了精细的小孔。这些典型的小孔尺寸为50-100μm,小孔深度达2mm。

  与线切割放电加工,化学蚀刻,机械加工/切割,电铸,以及其他加工技术相比,激光打孔设备的性能要好,这是因为激光加工是非接触式的,并且更灵活。此外,加工过程所受的限制更少,不需要进行昂贵的废弃物处理,工具的成本也更合理。与放电加工相比,激光打孔能够得到更高的长度直径比,此外,它能够对各种材料进行打孔,包括陶瓷,硅,钻石和聚合物。

图1 用于打孔的光学装置

  由于使用了灵活的激光光束来扫描,甚至非圆形且具有复杂外形的小孔都可以得到。在制造尺寸很小的孔的方面,已经有一系列非接触、无摩擦的技术,它们使用了紧密聚焦的光束,这些技术已经在微电子制造工艺和发动机零件的制造中建立了一定地位。如果小孔必须是圆锥形,将遇到特别的困难,因为在打孔方向上直径不断在增加。这种几何形状在一些零件中是需要的,比如喷嘴组件,它们从反向是无法达到的。Fraunhofer激光技术研究中心(ILT)的科学家已经开发了这样的打孔技术,使用了一种新型的精确打孔的光学装置,它能够提供很高的扫描速度,且能得到的小孔几何准确率更高。

 

图2 60ìm的小孔

  使用激光辐射来打孔已经在各种工业应用中已确立其地位。激光技术从手表工业首先开始其应用。当需要在节能条件下得到高深宽比的小孔时,比如在气体涡轮机制造中的冷却小孔,或者在燃料供给系统中的过滤器,都使用了激光,它已成为一个普遍的工具。在这些应用中,应用脉宽为几个微秒的单脉冲进行激光钻孔或者冲击钻孔能够得到的钻孔速度较高。但是因为激光加工主要是个加热过程,激光钻孔导致孔内残留有熔化层。由高强度的激光脉冲熔化或者汽化的材料在被自己的蒸汽传送出去以前,会在孔壁上凝结或者重铸。在冲击钻孔中更是如此,这里激光束没有移动,总是打在同一个地方,这导致所产生的熔化体积很大。更短的脉冲(在飞秒和皮秒量级)所产生的热渗透深度更浅,然而仍然会残留熔化层。但是,使用这类激光器时,生产率很低,这是因为在脉冲能量高的情况下,激光功率不够。  
       
  使用称为螺旋式打孔/穿孔法的打孔技术就可以克服这些质量和生产率方面的限制。在这个技术中,使用了紧密聚焦的短脉冲激光束,沿着中心点旋转,严格的描绘出小孔的几何外型。打孔过程中,每一小部分材料相继的被蒸发,范围限定得很好的激光脉冲被旋转和重叠使用。使用这项打孔技术时,在整个打孔过程中,孔壁一直被加热,这就阻止了重新凝固的过程和白色厚层的产生。使用了这项技术,甚至在纳秒范围的“长”脉冲也可以被使用,从而使得较大量材料的蒸发和更高的生产率成为可能,能够得到使用皮秒脉冲才能得到的效果。螺旋式打孔的光学装置取决于激光束的可聚焦性,它能够在厚度为1mm的材料上打出直径达30微米的圆形小孔。  

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