激光打孔工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及激光打孔工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足需要。例如在高熔點(diǎn)金屬鉬板上加工微米量級孔徑的微孔；在堅(jiān)硬的碳化鎢臺金上加工直徑為幾十微米的小孔:在硬而脆的紅、藍(lán)寶石上加工幾百微米直徑的深孔等，用常規(guī)的機(jī)械加工方法是不可能的。
[0003]激光束是在空問和時間上高度集中的光子流束。應(yīng)用光學(xué)聚焦技術(shù)可把它匯聚在微米量級的極小范圍內(nèi)，從而可獲得極高的光照功率密度。這是其它任何光源所不能及的。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可對任何材料實(shí)行激光打孔。激光打孔具有不需要加工工具、加工速度快、表面變形小、可以加工各種材料等顯著的優(yōu)越性，所以在工程領(lǐng)域受到廣泛的重視。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的不斷發(fā)展，人們對微細(xì)孔加工技術(shù)的要求越來越高。激光在材料的微細(xì)加工上有著傳統(tǒng)加工和其它特種加工不可比擬的優(yōu)勢，激光打孔的熱作用區(qū)小，加工精度較高，具有廣泛的通用性.因此激光微細(xì)孔加工在航空航天工程專業(yè)中被廣泛用于航空渦輪葉片、噴嘴等零件的微孔加工。陶瓷、復(fù)合材料等脆硬材料的切割與打孔是目前重點(diǎn)研究方向之一。
[0004]激光打孔的過程中，受多種參數(shù)以及打孔方式的限制，包括激光參數(shù)、材料參數(shù)、周圍的環(huán)境、打孔方式等。加工的過程非常復(fù)雜。因此在激光加工的研究方面，除需要進(jìn)行深入的理論研究之外，還需要進(jìn)行大量的工藝性實(shí)驗(yàn)研究，從而掌握激光加工的規(guī)律。
[0005]激光打孔已有35年的發(fā)展歷史，已廣泛的應(yīng)用與各種機(jī)械加工領(lǐng)域之中，尤其是80年代采用調(diào)Q方法產(chǎn)生高峰值功率窄脈寬的激光脈沖可以打出中孔。90年代開始采用聲光調(diào)Q脈沖ND:YAG激光器產(chǎn)生高峰值功率、窄脈寬、高重復(fù)率的激光打孔，由于光束質(zhì)量好，所以工件打孔重復(fù)性好對應(yīng)于打孔技術(shù)的不斷進(jìn)步，打孔的設(shè)備也不斷的提高。近年來，國內(nèi)外激光打孔機(jī)整機(jī)水平處在一個迅速發(fā)展的階段，激光器輸出功率逐漸提高，脈沖寬度越來越窄，頻率范圍越來越寬，其他參數(shù)也越來越朝著有利于打孔的方向發(fā)展。導(dǎo)光系統(tǒng)和激光打孔機(jī)的控制部分的柔性不斷提高，使得打孔范圍不斷擴(kuò)大。國內(nèi)已形成商品的激光打孔機(jī)有幾十種，除了大專院校和科研院所之外，專門經(jīng)營制造激光設(shè)備的公司也逐漸增多。這表明中國的激光加工正朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。難題。國內(nèi)于1965年5月激光打孔機(jī)成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn)，獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。1970年，國內(nèi)的幾家大手表廠已經(jīng)使用紅寶石激光器和釹玻璃激光器對手表寶石軸承進(jìn)行打孔。目前較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造會剛石和天然會剛石拉絲模的生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中。長春光機(jī)學(xué)院于86年完成無煙水松紙高速打孔機(jī)柴油機(jī)噴油嘴的打孔、啤酒廠用不銹鋼濾片的打孔。吉林工大80年代末研制出超聲激光脈沖打孔，北京625所用脈沖激光器對葉片打孔。
[0006]1993年我國的科研人員用激光在8mm厚的硬質(zhì)合金上打出孔徑為0.01一0.6mm的深微孔；而在多種非金屬材料上如人造鉆石、陶瓷、玻璃、人類牙齒上打孔也相當(dāng)?shù)某晒?，最小孔徑可達(dá)到6朋，深度彡10mm，而且孔的圓度也較理想。
[0007]國外激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000?。打孔峰值功率高達(dá)30-50kw，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復(fù)頻率越來越高，激光器輸出參數(shù)的提高，很大程度上改善了打孔質(zhì)量，提高了打孔速度，也擴(kuò)大了打孔的應(yīng)用范圍。對應(yīng)于打孔技術(shù)的不斷進(jìn)步，打孔的設(shè)備也不斷的提高。近年來，國外激光打孔機(jī)整機(jī)水平處在一個迅速發(fā)展的階段，激光器輸出功率逐漸提高，脈沖寬度越來越窄，頻率范圍越來越寬，其他參數(shù)也越來越朝著有利于打孔的方向發(fā)展。導(dǎo)光系統(tǒng)和激光打孔機(jī)的控制部分的柔性不斷提高，使得打孔范圍不斷擴(kuò)大。
[0008]隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，在機(jī)械加工領(lǐng)域中，帶有小孔的零件材料越來越多，并且對孔的精度和尺寸要求越來越高，孔徑越來越小。同時，工件的材料多種多樣，既有金屬也有非金屬，還有許多難加工的材料。國外激光加工機(jī)床在80年代發(fā)展極為迅速。例如，激光加工機(jī)床的品種在1981年僅有4種，而到了 1985年就增加到了 19種，1980年激光加工機(jī)床的銷售額僅為1970年的11.7倍，而1982年就猛增到了 1970年的20.7倍。1984年，美國擁有6000臺激光加工機(jī)床。機(jī)床的銷售量，每年平均增長20%，這在機(jī)床工業(yè)史上是罕見的。
[0009]80年代的中后期，以美國、德國為代表的工業(yè)發(fā)達(dá)的國家已將激光加工深微孔技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用到飛機(jī)制造業(yè)等行業(yè)。例如，1984年美國一家發(fā)動機(jī)制造廠利用激光打孔設(shè)備對渦輪發(fā)動機(jī)零件進(jìn)行數(shù)萬個冷卻孔加工；1985年英國的一家公司用高功率的激光束精確可控的自孔，在0.05英寸厚的不銹鋼和鈦板上加工出孔徑為0.025英寸的小孔35萬個；1982年國外的某公司在透平壓縮機(jī)燃科室襯砌里加工直徑為1.17，1.25m小的小孔9000多個，且大多數(shù)孔對工件表面成25角，燃料室襯砌是由2.36mm厚的長方形耐高溫的鎳基合金塊組成，加工難度大；1986年原蘇聯(lián)基輔工學(xué)院用工業(yè)激光器在硬質(zhì)合金毛坯上打中心孔，孔徑為1.0_，深度為6_。
[0010]90年代，國外激光加工機(jī)生產(chǎn)技術(shù)同趨完善，激光打孔朝著多樣化、高速度、孔徑更微小的方向發(fā)展。各國開始采用聲光調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器產(chǎn)生高峰值功率、窄脈寬、高頻率的激光打孔，由于光束質(zhì)量好，工件打孔重復(fù)性好，已廣泛的應(yīng)用與各種機(jī)械加工領(lǐng)域之中。美國休斯公司相干公司、格魯門公司、美國的BOC公司、日本的產(chǎn)業(yè)株式會社等均推出5—30J的激光打孔機(jī)產(chǎn)品。丹麥一家公司研究出高速打孔技術(shù)，在3mm厚的不銹鋼材料上以65孔/秒的速度打孔，而在Imm厚的不銹鋼上以100孔/秒的速度打出高質(zhì)量的孔，以這樣超級打孔的速度在I小時內(nèi)可加工出以往需要5天才能打出的同樣數(shù)量的孔。日本在厚I研研的氮化硅板上打出孔徑0.2mm的孔，在0.05ram的陶瓷薄膜上加工出孔徑0.02的孔；而在鈦、白金、鎢、鉬等難加工的材料上也進(jìn)行了有效的激光加工丹麥一家公司研究出高速打孔技術(shù)，在3_厚的不銹鋼材料上以65孔/秒的速度打孔，而在Imn./厚的不銹鋼上以100孔/秒的速度打出高質(zhì)量的孔，以這樣超級打孔的速度在I小時內(nèi)可加工出以往需要5天才能打出的同樣數(shù)量的孔。日本在厚Imm的氮化硅板上打出孔徑0.2mm的孔，在0.05m的陶瓷薄膜上加工出孔徑0.02mm的孔，而在鈦、白金、鎢、鉬等難以加工的材料上也進(jìn)行了有效的激光加工。
[0011]工業(yè)發(fā)達(dá)國家都把激光加工技術(shù)作為提高生產(chǎn)效率和競爭能力的手段