金銳超

【摘 要】激光加工工藝是一項(xiàng)復(fù)雜的，任務(wù)很艱巨的技術(shù)，需要我們不斷的優(yōu)化激光加工參數(shù)，提高與完善加工工藝以實(shí)現(xiàn)激光超精細(xì)加工，本文介紹了激光加工的理論、加工工藝、飛秒激光加工的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前激光打孔的不足，為未來(lái)激光打孔的研究方向提供思路。

【關(guān)鍵詞】飛秒激光；激光打孔；激光加工系統(tǒng)

Analysis of laser drilling processing

JIN Rui-chao1 ZHANG Yi-zhen1 ZHOU Bei-lei2

（1.Weinan Vocational and Technical College；2.Maternal and child health care hospital of Linwei Weinan District shanxi weinan 714000）

【Abstract】Laser processing technology is a very complex and very difficult task， need to be continuously optimized laser processing parameters ， increased to achieve laser fine processing and improved the processing technology. this paper introduces the domestic research status of laser processing theory， processing technology， femtosecond laser processing， summarizes the advantages of femtosecond laser drilling. The shortcomings of laser drilling are summarized， which provides the direction for the future research of laser drilling.

【Key words】Femtosecond laser； Laser drilling； Laser processing system

0 背景介紹

激光因其具有高的相干性、方向性和高強(qiáng)度，使之容易獲得很高的光通量密度。激光作用于物質(zhì)上就會(huì)發(fā)生反射、散射和吸收。入射激光通過逆韌致吸收過程在材料表面被吸收，并在亞納秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。這樣物質(zhì)溫度升高，物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)就發(fā)生改變。在工業(yè)上利用激光進(jìn)行切割、焊接、鉆孔、刻標(biāo)、重熔、熱處理、表面合金等加工。

近年來(lái)國(guó)產(chǎn)激光切割機(jī)的量產(chǎn)與自主開發(fā)力度的加大，外國(guó)一線公司在華本土化生產(chǎn)，縮小了二者的產(chǎn)品差距與價(jià)格差距。上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪、大族激光、武漢法利萊、奔騰楚天等一線廠商的市場(chǎng)占有率大幅的增長(zhǎng)。但是我國(guó)大功率激光切割裝備的產(chǎn)業(yè)鏈仍未形成，激光器關(guān)鍵元部件都得依賴進(jìn)口。昂貴的電容切割頭及光學(xué)鏡片等的研發(fā)生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)問題，一直未能解決。

1 研究現(xiàn)狀分析

清華大學(xué)機(jī)械系激光加工研究中心鐘敏霖等在《國(guó)際激光材料加工研究的主導(dǎo)領(lǐng)域與熱點(diǎn)》中根據(jù)1247篇國(guó)際會(huì)議論文和231篇國(guó)內(nèi)會(huì)議論文在22個(gè)主導(dǎo)研究領(lǐng)域的分布，指出中國(guó)在激光表面強(qiáng)化特別是激光熔覆方面的大量深入研究已形成優(yōu)勢(shì)，但是在新型激光器和激光微納加工領(lǐng)域的研究尚薄弱，需要加強(qiáng)[1]。

1.1 激光與金屬作用的理論研究

1916年著名的美國(guó)物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)激光的原理，1957年Townes的博士生Gordon Gould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞，1960年：美國(guó)加州Hughes 實(shí)驗(yàn)室的Theodore Maiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光。自激光問世以來(lái)，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事六個(gè)領(lǐng)域并逐漸引領(lǐng)設(shè)人類工業(yè)社會(huì)的進(jìn)步。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所先進(jìn)制造工藝力學(xué)實(shí)驗(yàn)室葛志福等建立了涉及熔化潛熱、氣化潛熱吸收及輻射散熱損失因素的固-液-氣三相三維數(shù)值計(jì)算模型?；谟邢摅w積法， 編制計(jì)算程序， 對(duì)激光打孔過程中的溫度場(chǎng)、孔型演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了不同激光參數(shù)對(duì)打孔過程的影響[2]。南京理工大學(xué)秦源在博士論文中從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面研究了毫秒激光致金屬材料產(chǎn)生塑性屈服的現(xiàn)象。依據(jù)熱傳導(dǎo)理論及熱彈塑性力學(xué)理論建立了毫秒激光與厚航空鋁合金板相互作用的物理模型，用有限元法模擬了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布，得到了塑性屈服時(shí)間、范圍以及殘余應(yīng)力的大小。基于熱傳導(dǎo)理論及溫度分布形式，得到了溫度和熔融深度的解析解。提出了毫秒激光逆重力方向?qū)皲X板打孔的實(shí)驗(yàn)方法，得到了小孔深度解析式[3]。

宋林森等建立激光打孔的熱力學(xué)模型，利用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)激光打孔過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，通過對(duì)溫度場(chǎng)的分析，得到小孔的孔深、孔徑的時(shí)間特性以及隨激光能量的變化曲線[4]。四川大學(xué)李世文采用納秒激光脈沖對(duì)銅金屬進(jìn)行了打孔實(shí)驗(yàn)，對(duì)微孔形貌進(jìn)行了觀察并對(duì)其熱力學(xué)過程進(jìn)行了相應(yīng)的分析。激光輻照金屬打孔需要激光脈沖能量的沉積，使金屬材料發(fā)生熔化、汽化以及電離等相變，使得材料更容易去除，并且激光等離子體作為二次熱源會(huì)更有效把激光脈沖能量耦合到金屬[5]。

中科院郭云曾等提出一種提高光楔對(duì)激光微加工精度分析的方法。首先提出了單光楔矢量等效概念，基于單光楔矢量定義對(duì)雙光楔矢量模型進(jìn)行了建立與分析。應(yīng)用Matlab 編寫了仿真軟件，仿真得出了激光束經(jīng)過兩個(gè)相同光楔后的軌跡，并指出了由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的不同步對(duì)激光微孔加工中打孔質(zhì)量的影響，進(jìn)行了誤差定量分析并給出了誤差計(jì)算公式[6]。盧軼等利用電容傳聲器、PVDF 傳感器分別測(cè)量了激光打孔過程中的聲波型號(hào)與沖擊波信號(hào)，得出氣流的物理作用減弱材料蒸汽和等離子對(duì)激光的屏蔽效應(yīng)，維持較為連續(xù)的聲波信號(hào)輸出，輔助氣體氧氣的化學(xué)作用會(huì)增強(qiáng)材料蒸汽和等離子的屏蔽效應(yīng)。氧氣的物理作用與化學(xué)作用交替進(jìn)行產(chǎn)生了不連續(xù)的聲波信號(hào)[7]。endprint

1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片加工工藝研究

在激光加工領(lǐng)域，激光與材料的相互作用一直是備受人們關(guān)注的問題。從工業(yè)上的激光熱處理技術(shù)，到軍事上的激光破壞機(jī)理研究，均與之密切相關(guān)。激光與材料的相互作用，涉及激光物理、傳熱學(xué)、等離子體物理、非線性光學(xué)、固體與半導(dǎo)體物理、熱力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等廣泛的學(xué)科領(lǐng)域。

北京航空工藝研究所張曉兵介紹了3種激光加工小孔工藝，在疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)上分析了激光加工小孔孔壁再鑄層及其上徽裂紋對(duì)D Z 2 2 材抖疲勞壽命的影響，并比較了3種工藝方法的優(yōu)劣[8]。 中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所滕文華研究了了大氣環(huán)境下激光打孔及封焊技術(shù)，典型工藝參數(shù)對(duì)小孔形狀、小孔封焊形貌的影響規(guī)律[9]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)敖霖等讓固體激光器所產(chǎn)生的激光依次通過光闌、準(zhǔn)直鏡組、聚焦透鏡來(lái)獲得光斑半徑小、強(qiáng)度高的光束，并用其對(duì)金屬靶材進(jìn)行加工，得到了優(yōu)于機(jī)械打孔的微孔[10]。西安交通大學(xué)段文強(qiáng)等用大功率Nd： YAG毫秒脈沖激光器，分別在304不銹鋼和DZ445定向結(jié)晶鎳基合金上進(jìn)行孔加工實(shí)驗(yàn)，探討了旋切路徑、 旋切速度、 旋切圈數(shù)對(duì)孔質(zhì)量的影響規(guī)律，得出了重鑄層厚度隨著旋切速度的降低和旋切圈數(shù)的增加而減小[11]。華中科技大學(xué)王硯麗提出了一種基于光學(xué)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的激光旋轉(zhuǎn)打孔。證明了旋轉(zhuǎn)打孔能得到比沖擊打孔更好的小孔質(zhì)量[12]。北京工業(yè)大學(xué)辛凰蘭采用旋切打孔的方式和沖擊打孔的方式，針對(duì)兩種方法研制了一種新型激光打孔裝置，通過理論分析了沖擊打孔和旋切打孔方法和特點(diǎn)[13]。袁立新等研究了激光打孔表面存在再鑄層、微裂紋等工藝缺陷，提出了噴射液束電解輔助激光加工的復(fù)合加工工藝[14]。

1.3 激光加工系統(tǒng)研究

天津大學(xué)禹東赫在博士論文《聲控激光打孔技術(shù)研究》中提出激光與材料相互作用下聲波信號(hào)隨時(shí)間變化關(guān)系，高頻超聲波調(diào)Q方法，研究出聲控激光打孔系統(tǒng)。提出了新的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)控打孔，把超聲調(diào)制激光功率控制、精密機(jī)床、聲波傳感器和電腦控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光打孔過程的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。在國(guó)內(nèi)外首次采用聲波信號(hào)控制自動(dòng)打孔。采用計(jì)算機(jī)內(nèi)部硬件配合專用自動(dòng)編程軟件實(shí)現(xiàn)了激光焦點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)X.Y平面上運(yùn)動(dòng)精確控制[15]。

2 總結(jié) 目前研究的缺陷

目前大多數(shù)研究者和研究機(jī)構(gòu)采用毫秒激光加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片的冷卻氣膜孔，由于其在加工過程中容易形成重鑄層，和微裂紋等影響打孔質(zhì)量，采用如旋切法、激光與電解復(fù)合加工法等改善毫秒激光加工工藝的辦法可以降低重鑄層厚度但是仍然不夠理想。由于飛秒激光加工金屬的特性，可以克服打孔加工中的質(zhì)量問題。但是從飛秒激光入手研究其與鎳基超合金的作用機(jī)理上不夠透徹，激光加工過程中激光與不同金屬的之間的相互作用機(jī)理缺乏完善理論，金屬晶體材料影響打孔質(zhì)量和孔型參數(shù)的相關(guān)激光器參數(shù)和光學(xué)參數(shù)也不夠完整。雖然對(duì)于模型的研究較多，但是還沒有一個(gè)普遍較為認(rèn)可的全參數(shù)模型。

為了更好地利用超短脈沖激光進(jìn)行高質(zhì)量和高效率的金屬燒蝕加工，必須認(rèn)識(shí)激光脈沖與金屬材料的相互作用過程，包括各種物理現(xiàn)象，及影響燒蝕質(zhì)量和燒蝕效率的因素。并且需進(jìn)一步研究加工工藝和加工方法，以提高加工質(zhì)量和加工效率使得激光加工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

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[責(zé)任編輯：張濤]endprint