准分子激光器是终极的打孔机么

        在对陶瓷涂层表面以及大量复合材料的打孔作业以及在珩磨过的汽缸表面结构进行处理等方面的应用中，准分子激光器的使用正日益接近Nd:YAG激光器。

         图1：使用XeCl激光器来对125μm厚的铝板进

行打孔，发现长脉冲（104 ns）、高峰值功

率（15 kW）下可以得到最好的打孔质量。

        在材料加工中，打孔作业是激光器在工业上的最早应用之一，当时使用的是红宝石激光器，因为它们有尖锐的输出特性。目前，主要是使用脉冲Nd:YAG激光器来进行大量的打孔作业。



        激光打孔作为一项合适的技术，主要被用于气膜冷却孔的打孔作业，它用于燃气轮机组件如刀片，叶片，燃烧室耐火层，补燃器，以及其他组件如燃料柴油机的注入喷嘴，以及用于金属丝挤压的硬模等的打孔。虽然激光打孔很快，它还是需要与电火花加工技术(EDM)竞争，因为最近，利用回转的中空电极和线性马达来实现高压供油的技术发展，大大的提高了EDM的打孔速度，这样从质量上看此加工技术的性能就优于激光打孔了。



        激光打孔比EDM优越的方面在于激光对材料的电导率不具有依赖性。然而因为输入的热量相对较高，这就使得激光加工较不适合陶瓷涂层元件的打孔。

        脉冲激光器通常用于打孔作业。其平均功率由下列关系给定：

         图2：累计能量一定的情形下，单个104 ns

的脉冲的效率比12个9 ns的脉冲的效率要高。

        Pavg = Pp * tp* νp



        这里：



        Pp = 峰值功率 [kW]

        tp = 脉冲宽度 [ms]

        νp = 脉冲频率 [Hz]



        对一个给定的平均功率，有无穷多个峰值功率、脉冲宽度和脉冲频率的可能组合，至少有一种组合能给出最佳的加工结果。很长的脉冲将导致峰值功率较低，这样材料在加热时只能熔化而不会被去除。脉宽短、频率低时，峰值功率将非常高，但是，由于作用时间很短，只有很薄的一层材料会因烧蚀而剥落。在参考文献1中给出了寻找最佳参数组合的简便方法。

         图3：使用准分子激光

器在有陶瓷涂层的超耐

热不锈钢上得到的孔。

        利用准分子激光器来进行打孔



        由于和Nd:YAG激光器相比，它们的波长更短(如表格所示)，准分子激光器与Nd:YAG激光器相比，其辐照将更好的被金属吸收。短波长使得准分子激光器更适合于打直径小的孔。然而在打小孔时材料的去除将成为一项制约因素。

        传统的准分子激光器的脉冲宽度范围在10到20 ns。在一项脉冲宽度对打孔效率和质量影响的研究中，Schoonderbeek2利用XeCl激光器对125μm厚的铝板进行打孔，发现长脉冲(104 ns)、高峰值功率(15 kW)下可以得到最好的打孔质量(如图1)。他同时发现累计能量一定的情形下，单个104 ns的脉冲的效率比12个9 ns的脉冲的效率要高(如图2)。



        效率的不同是因为加热的能量必须从表面传导至材料内部。这项研究的另一项发现是，即使在激光脉冲停止后，孔中的材料仍会排出。对0.65mm厚的金属板Hasteloy X，材料的清除直到0.1 ms后才停止，这比脉冲宽度的典型值长了100倍。另一方面，脉冲宽度与用于打孔的传统Nd:YAG激光器相比来得短，这样热影响区域将很小。同样的时间内功率密度将更高。这样，有更多的材料将被去除时是气相，这就导致了再铸层的厚度降低。所有这些效应都到促使打孔过程的质量更高。

         图4：在碳纤维复合

材料制成的降噪面板

上直径为0.2mm的孔。

        光束外形



        需要打的孔，一般来说其截面是圆柱形的，而准分子激光器出来的原始光束是矩形分布。一种简便的方法来打圆形的孔是使用遮光板。一个或者多个透镜被用来对遮光板在材料表面成像。这个方法的缺点在于只有一部分激光能量得到利用；许多情况下只有30%或更少的光束功率被利用。对光束整形更有效的手段是使用如Biesheuvel所提供的用全息技术来聚焦光束的方法3，它可以实现90%的效率。使用全息技术还可以得到不同的光束形状。使用全息的分束器可以打多个孔，还可以得到环形的光束来打直径更大的孔。

         图5：在航空应用中

使用的碳纤维复合

材的料上打安装孔。

        打孔应用



        利用激光在陶瓷涂层的表面打孔时，Nd:YAG激光器遇到涂层剥离问题的困扰。而准分子激光器，由于其脉冲宽度短，就能够在打穿涂层的同时又不会发生剥离现象(如图3)。



        由于波长短导致光子能量大，因此准分子激光器也非常适合于许多不同复合材料的打孔，比如，碳纤维复合材料(CFC)。图4和5给出了在CFC材料上打孔的例子。图4中的孔直径是0.2 mm，它被用于降噪面板。



        另一个应用是利用烧蚀来对珩磨过的汽缸表面结构进行处理，这种经处理的结构提高了表面的摩擦学特性，降低了磨损。



        高功率的准分子激光器打孔，其脉冲宽度范围在100-200ns。在利用Nd:YAG激光器打孔在孔质量上遇到困难的领域，它吸引了各界的注意。热影响区域将会更小，通过选择合适的参数，再铸层将更薄。



         关于NCLR



        NCLR位于荷兰Enschede。该公司开发了准分子激光器Sirius 1000，其平均功率为1kW。得到脉冲长(200ns)，使激光器很适合于打孔。光束可以被聚焦到10 μm的光斑大小，这样能得到的功率密度为10TW/cm
^{2。如此高的平均功率使得同时打多个孔成为可能。该公司设计和制造了专门的全息分束器，其光学效率高达90%或更高。Twente大学的设备被用来生产这些装置。需要更多的信息请访问www.nclr.nl。}

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准分子激光器是终极的打孔机么

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