（光学专业论文）nd：yag激光器激光打孔实验研究.pdf

摘要 激光加工是一种高效的工业加工方法，它能进行打孔，切割、焊接、打标等，激 光打孔是目前小孔加工中不可缺少而且应用广泛的激光加工方法之一。本文针对 n d ：y a g 激光器脉冲激光打孔的特点，对提高激光打孔质量和打孔的重复稳定性，从理 论和实验两方面进行了分析和研究。 本文首先从理论上分析了激光打孔的基本原理，研究了激光与金属材料的相互作 用规律，详细的分析了激光打孔过程各阶段的变化。建立了准稳定破坏模型，对打孔 中激光参数与孔的径深关系进行了推导。并对激光打孔设备进行了设计，组装一台激 光打孔机。 采用实验室自制的激光打孔设备进行了打孔实验。在不锈钢，4 5 # 钢，陶瓷等多 种材料上得到了直径l m m 以下的孔。通过控制和调节打孔过程中的激光参数，进行了 激光打孔工艺研究。深入分析了激光脉冲能量，脉冲宽度，聚焦条件，重复频率，材 料性质，辅助工艺等对打孔质量的影响。最后，研究了v r m 平凸腔，虚共心腔和多脉 冲打孑l 方法解决了脉冲打孔重复稳定性差的缺点，并有效提高了激光打孔质量。通过 对实验结果的分析和研究，确定了激光打孔参数的优化方法，为激光打孔机的设计提 供了参考数据。 关键词：激光打孔准稳定破坏状态打子l 质量重复稳定性 a b s t r a c t l a s e rp r o c e s s i n gi sae f t i c i e n tw a yi ni v x i u s t r i a lp r o c e s s i n gnc o n t a i n sl a s e rd r i l l i n g 、 l a s e rc u t t i n g 、l a s e rw e l d i n ge t cl a s e rd r i l l i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dw i d e - u s e d m e t h o do fr e c e n tl a s e rp r o c e s s i n g i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n dr e p e a t a b i l i t yo fl a s e r d r i l l i n g , t h i sp a p e rs t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co fn d ：y a gp u l s e dl a s e rd r i l l i n g a n dh a sd o n e a n a l y f i sf r o mb o t he x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la s p e c t ， t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fl a s e rd r i l i n ga n de x p l a i n st h e i n t e r a c t i o nm a c h a n i s mo f 【j a s c ra n dm e t a lm a t e r i a l na l s oa n a l y z e st h ec h a n g eo fv a r i o u s s t a t e sf o re a c hs i a g e b u i l tt h em o d e lo fq u a s i - s t e a d yd a m a g es t a t ea n dd e d u c e dt h e r e l a t i o n s h i po fm a i nd r i l l i n gp a r a m e t e r s m e a n t i m ew ed e s i g n e da n ds e tu pal a s e rd r i l l i n g m a c h i n e t h ee x p e r i m e n to f l u s c rd r i l l i n gw a sc a r r i e do u tw i t ht h el a s e rd r i l l i n ge q u i p m e n tw h i c h m a d ei nl a b o r a t o r y w cg o tt h ep i n h o l eo nm a n yd i f l b r e n tm a t e r i a ls u c ha ss t a i n l e s ss t e e l 4 5 # s i e e l ，c e r a m i ce t c ，t h ed i a m e t e ro fp i n h o l e sl e s st h a nl m m t h r o u g hc o n t r o l l i n ga n d a d j u s t i n gt h el a s e rp a r a m e t e r s ，w es t u d i e dt h ec r a f tt e c h n o l o g yo fl a s e rd r i l l i n g , a n da n a l y z e d p a r a m e t e r s e f f e c to nd r i l l i n gq u a l i t yd u r i n gl a s e rd r i l l i n g i n c l u d i n gp u l s ee n e r g y , p u l s e w i d t h ，f o c u sc o n d i t i o n ，p u l s ef f e q u a n e y , m a t e r i a lp r o p e r t y , a u x i l i a r yc r o f te t c i no r d e rt os o l v e t h ep r o b l e mo fl a s e rd r i l l i n g sr e p e a t a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , w es t u d i e dv r ma n df a l s e c o n c e n t r i cr e s o n a t o ra n dm u l t i p u l s el a s e rd r i l l i n g ，f u r t h e r m o r ei m p r o v e dq u a l i t yo fl a s e r d r i l l i n g f i n a l l y , t h r o u g h t h e a n a l y s i s o fe x p e r i m e n t a l r e s u l t ，w ea s c e r t a i n e d t h e o p t i m i z a t i o n a lm e t h o do fl a s e rd r i l l i n gp a r a m e t e r , a n dp r o v i d e dr e f e r e n c ed a t a f o r d e s i g r m i n gl a s e rd r i l l i n ge q u i p m e n l k e yw o r d ：l a s e rd r i l l i n gq u a s i - s t e a d yd a m a g es t a t eq u a l i t y o fd r i l l i n g r e p e a t a b i l i t ya n ds t a b i l i w 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，n d ：y a g 激光器激光打孔实验研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：盔：磊垄军至月三角 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 甩规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名 雌名：私陋年五月么 第一章绪论 1 1 概述 近年来，随着现代科学技术的高速发展，以及元器件小型化，模块化，集成化 等要求的提出，对精密加工相应提出了更高的要求。在一些特殊的应用中，如航空 发动机部件气膜冷却需要数以千计的微孔，对小孔的质量有很高的要求。而传统的 加工方法已不能满足这些工艺要求。 激光打孔可以有效实现上述要求。激光打孔是最早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。激光束在空间和时间上高度集中，利用光学聚焦 系统，可以将激光束会聚到微米量级的极小范围内，功率密度可高达1 0 5 l o ”w l c m 2 。 如此高的功率密度几乎可以对任何材科实行激光打孔。而且，激光打孔具有打孔速 度快、成本低、效率高、变形小、适用性广等特点。特别适合于加工微细深孔，最 小孔径只有几微米，深径比可大于5 0 。所以，激光打孔是一种最有效的光加工工艺， 其最佳特性主要取决于激光束和工件参数的合理选择。这些参数包括激光能量及空 间分布，工件材料厚度，聚焦透镜的焦距及焦距的调整，工件材料性质、辅助气体 等等。嘲 由于激光打孔过程的复杂性，研究各项参数的影响对最后所得激光打孔质量有 着重要的意义。所以，在进行理论分析的同时，还要进行打孔实验与其结果相结合。 来提高打孔的质量，以满足工业上不断提高的对孔质量的要求。 1 。2 激光打孔特点 激光打孔属于去除加工范畴，利用激光的功率密度高的特点，将其聚焦，使加工 材料瞬问被加热熔化、汽化，熔化物质被蒸汽的剩余压力排挤出来，形成孔洞。从激 光打孔的原理和激光的特点，很容易理解激光打孔所具有的优点。”1 1 ) 激光打孑l 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1 0 7 1 0 9 w c m 2 的高能激光束对材料进行瞬时作 用，作用时间只有l o o i o s ，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1 0 1 0 0 0 倍。由于激光打 孔速度快，效率高，易于实现计算机程序控制，因此大大降低了打孔加工工时。另外， 激光打孔过程与工件不接触，省去了一般机械加工方法所造成的钻头断裂、磨损、更 换等工序。工件的装夹、固定也很简单，进而使得打孔的加工成本也大大降低，经济 效益显著提高。 2 ) 激光打孔可获得大的深径比。 在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。对于用激光束打孔 来说，激光束参数较其他打孔方法更便于优化，所以可获得比电火花打孔及机械钻孔 大得多的深径比。一般机械打孔深径比不超过i 0 ：l ，激光打孔可以达到1 0 0 ：i 以上。 3 ) 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。 高能量激光束打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，它既适 于金属材料，也适于一般难以加工的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、金刚石 等。由于难加工材料大都具有高强度、高硬度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力 强等性质，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短，表面粗糙度差、倾斜面 上打孔等因素使打孔豹难度更大。而用激光在这些难加工材料上打孔，以上问题将得 到解决。我国钟表行业所用的宝石轴承几乎全都是激光打孔。人造金刚石和天然金刚 石的激光打孔应用也非常普遍。用y a g 激光在厚度为5 5 m m 的硬质合金上打孔，深径 比高达1 4 ：1 ，而在l i 5 m m 厚的6 5 m n 上可打出深径比为1 9 ：1 的小孔。在1 0 m m 厚的 坚硬的氮化硅陶瓷上可容易地打出直径为0 6 m m 的小孔，这都是常规打孔手段无法办 到的。特别是在弹性材料上，由于弹性材料易变形，很难用一般方法打孔。例如在婴 儿奶瓶的奶嘴上打孔，由于在打孔过程中奶嘴材料易变形，使得孔形不规则，所以打 孔比较困难。用激光不仅质量高，而且效率也高。可用分光束器将单个激光脉冲分成 三部分，用光学系统聚焦，同时打出两个通气孔和一个食奶孔。用铝掩膜和同轴喷气 方法能使二氧化碳激光在塑料和薄橡胶片上打大量的小孔：激光可以加工气溶胶塑料 喷嘴小孔；在尼龙钮扣上打孔可以避免用机械方法打孔时产生的碎屑，还能够消除使 缝纫线割断的棱角等。 4 ) 激光打孔无工具损耗。 传统的机械打孔法对硬性材料时，要经常更换磨损的刀具，既影响效率，又增加 了加工成本，而激光打孔是非接触式加工，不存在刀具磨损的问题。 5 ) 激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。 由于激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机、电一体化，使得 激光打孔过程准确无误地重复成于上万次。结合激光打孔孔径小、深径比大的特点， 通过程序控制可以连续、高效的制作出小孔径、数量大、密度高的群孔板。激光加工 出群孔板的密度比机械钻孔和电火花打孔的群孔板高l 3 个数量级。 6 ) 用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。 用机械法打斜孔时，如果角度过大，刀具在材料上滑动就无法进行打孔。而激光 打孔可方便的打任意角度的斜孔。 对于机械打孔和电火花打孔这类接触式打孑l 来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜 面上打小孔是极为困难的。倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切 削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。 如果为高强度、高硬度材料，打孔几乎是不可能的；而激光却特别适合于加工与工件 表面成6 。9 0 。角的小孑l ，即使是在难加工材料上打斜孔也不例外。 另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，没污染。因 为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔 带来的残渣，因而十分卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热 2 影响区域均较小，不需要特例保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能 对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。由此可见，激光是一种高质量、快速打 孔的有效工具。 但是，激光打孔具有鲜明优点的同时，也有着显著的缺点。打孔工艺参数较多， 精度不容易保证，重复精度差；因为激光打孔的一次性成孔质量尚不能令人满意，往 往需要利用研磨等方法进行二次再加工。各种材料对激光参数要求不一，理论计算与 实际情况有较大误差，对新材料的打孔，需要通过实验方法确定最佳参数，对于贵重 材料，无备用材料，一次性打孔成功率很低；激光器设备维护成本较高。 1 3 激光打孑l 技术的发展概况及发展趋势 1 3 1 激光打孔技术的发展概况 1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器问世，1 9 6 2 年就率先应用于对刀片的打孔，开 创了激光打孔应用的先例。 7 0 年代初我国几家大的金刚石工具生产厂与有关部门一起研究用脉冲激光加工金 刚石和人造金刚石聚晶的拉丝模的原始孔。 随着科学技术的飞速发展，在航天、航空、电子、制药、食品、纺织、仪器和医 疗器械等行业中，带有小孔的零件越来越多，并且对孔的精度和尺寸要求越来越高， 孔径越来越小。同时，工件的材料多种多样，既有金属也有非金属，还有许多难加工 的材料。8 0 年代，以美国、德国为代表的工业发达国家己将激光加工深微孔技术大规 模的应用到飞机制造等行业。例如，1 9 8 4 年美国一家发动机制造厂利用激光打孔设备 对涡轮发动机零件进行数万个冷却孔加工；1 9 8 5 年英国的一家公司用高功率密度的激 光束精确可控地加工小孔，在0 0 3 5 英寸厚的不锈钢和钛板上加工出孔径为0 0 2 5 英 寸的小孔3 5 万个；1 9 8 2 年国外某公司在透平压缩机燃烧室衬砌里加工直径为1 1 7 1 2 5 m m 的小孔9 0 0 0 多个，且大多数孔对工件表面成2 5 。角，燃烧室衬砌是由2 3 6 m m 厚的长方形耐高温镍基合金块所组成，加工难度很大；1 9 8 6 年原苏联基辅工学院用工 业激光器在硬质合金毛坯上打中心孔，孔径为0 6 l m m ，深度为6 m m 。“1 进入9 0 年代，国内、外激光加工机生产技术同趋完善，激光打孔朝着多样化、高 速度、孔径更微小的方向发展。丹麦一家公司研究出高速打孔技术，在3 m m 厚的不锈 钢上以6 5 孔秒的速度打孔，而在l m m 厚的不锈钢上以1 0 0 孔秒的速度打出高质量的 孔。日本在厚l m m 的氮化硅板上打出孔径0 2 m m 的小孔，在0 0 5 m m 的陶瓷薄膜上加工 出孔径0 0 2 m m 的孔，而在钛、白金、钨、钼等难加工材料上也进行了有效的激光加工。 1 9 9 3 年我国的科研人员用激光在8 m m 厚的硬质合金上打出孔径为0 0 1 0 6 m m 的深微 孔。 近年来，激光微孔加工技术的发展更加快速，打孔效率不断提高，并且对打孔过 程进行了深入细致的研究。2 0 0 5 年奥地利的塔恩纸业公司在其水松纸激光打孔机上装 备有两个4 0 0 0 瓦的激光源，一分钟打孔数量达到6 0 0 0 万个。2 0 0 6 年德国科学家 k w a l t h e r 等通过将两脉冲激光进行叠加对不锈钢进行打孔，进一步提高了打孔效率。 旧2 0 0 1 年，中国科学技术大学的吴气虹，马玉蓉等人发明了一种激光打孔装置，它包 括长脉冲的长波长激光器和一台短脉冲的短波长激光器，其输出的激光轴线在同一水 平面相互垂直；两束激光交汇处设置有一个与两束光轴线均成4 5 。的透镜反射平面 镜，在所述平面境输出激光的光路上设有一能沿光路方向移动位置的聚焦透镜。进行 打孔加工时，每个孔的加工均分两步，即先用长波长激光快速穿孔，再用短波长扩出 成形孔。其在有效保证质量的情况下，提高了打孔效率，易于工业应用。 而且，随着飞秒激光加工技术研究的深入和发展，飞秒激光打孔的优势更加突出。 在飞秒激光加工中，飞秒激光脉冲在等离子体膨胀前，已全部注入到了固体表面，并 且没有热传导造成的激光能量的损失，可以将照射区的温度迅速提升到升华点以上。 再由于每个飞秒激光脉冲的能量非常小，每个脉冲所汽化的物质也是极少的。所以飞 秒激光加工很精细，其热影响区非常小，没有熔化及再凝固痕迹，呈现锐利的加工边 缘，因此加工精度很高。m 1 3 2 激光打孔的发展趋势 微孔激光加工技术经过了二十几年的发展已逐渐成熟起来，并被越来越多的人们 所认识、接受和采用。随着科技和社会生产的迅速发展，一方面给激光打孔提出了各 种各样更高的要求：另一方面使得生产高功率、高质量的激光打孔机成为可能。这为 微孔激光加工技术的不断发展提出了目标，同时也提供了保障。激光打孔的发展趋势 有以下几个特点： 1 ) 激光打孔将朝着高速度、高效率方向发展。 以前的激光打孔由于受到激光器的输出能量低、重复频率低、脉冲峰值功率低的 因素的限制，使激光打孔速度不能提高。尽管这一速度已比机械钻孔和电火花打孔速 度高了几十倍，仍不能满足日益增长的社会需求。例如，某些航空零件要求有上百万 个的精密孔，仅仅使用普通的单脉冲打孔和低重复频率的多脉冲打孔，其打孔速度已 远远不能满足要求。目前，人们解决这一问题的方法有两种：第一种是让工件在光束 下自旋转，并使激光脉冲的频率与工件旋转同步。激光器发射第一个脉冲到工件上形 成一个孔，利用第一个脉冲到下一个脉冲到来之前的阳j 隙，使工件旋转到下一个孔位， 再发射第二个脉冲。由此延续下去，当第一个孔回到光束下方原来的位置时，再发射 脉冲到第一个孔上，此时第一个孔体的等离子体己排除干净，使打孔过程顺利进行。 这种打孔方法的速度可达到6 5 1 0 0 孔秒，且孔的质量高。此方法的特殊局限是：工 件必须允许旋转加工；第二种方法是在y a g 激光器中采用两组振荡放大器，通过采用 改进电源，可以使激光器输出5 0 k w 峰值功率，此时可以在5 0 m m 厚的不锈钢上每秒钟 加工直径位0 8 m m 的孔5 0 0 个，而且孔的精度高、质量好、速度快。 由此看来，不断的提高激光器的输出参数并与其它打孔辅助工艺配合，提高激光 打孔速度已成为必然。高速激光打孔主要应用在汽车制造业和飞机零件的制造以及宇 宙飞船的制造业中。激光打孔速度目前已比原来提高i 0 0 倍，使得单孔加工成本大大 的降低，一般可低于原成本几个数量级。 4 2 ) 激光打孔的深度不断增加。 长期以来，激光打孔的深度一直在几个毫米的范围内，使得激光打孔的应用受到 限制，其主要原因是脉冲激光在脉宽状态下的脉冲频率太低。随着激光打孔工艺的不 断的深入研究及激光器水平的提高，激光加工深孔成为可能。国内目前可以进行厚1 5 2 2 m 的深孔激光加工。国外某公司用大功率的激光打孔，打孔速度为4 个秒，其打孔 深度为1 9 0 5 m 。目前人们用n d ：y a g 激光在9 4 m m 厚的不锈钢上仅用4 s 就可打出一个 直径为i 2 7 r a m 的孑l 。 随着激光器的发展和对打孔工艺的深入研究，激光打孔的深度还将继续的增加， 这将满足模具制造业和高压力喷嘴生产对深孔的需要。 3 ) 用激光加工微米级的小孔。 一般的激光打孔在对激光器不加调制的情况下，打孔的孔径在0 2 o 4 m m 范围内。 大于0 4 m 的孔可以通过激光束与工件的相对运动实现( 即轮廓迂回法) ；而对于孔径 小于0 2 m m 至几微米的孔，必须通过特殊的手段对激光束进行限模或调制方可实现。近 几年我国的有关人员通过腔内增设光栏和缩短透镜焦距等的方法获得了孔径为2 5 3 0 9 m 高精度孔的激光加工。 4 ) 激光打孔材料多样化。 以前人们已经尝试用激光在许多种材料上打孔，如金属材料中的炭钢，非金属材 料中的红宝石、人造金刚石、玻璃、橡胶、陶瓷等。现在可应用激光打孔的材料越来 越多，在金属材料中有钢、铍、钨、钼、镁、锗、硅、轻金属、铜、锌、铝、不锈钢、 耐热合金、镍基硬质合金、钛、金、自金、普通硬质合金以及磁性材料等，都有入用 来作过激光打孔。 众多材料的激光打孔不仅显示了激光打孔的优势和能力，还大大的提高了许多难 以加工的材料的使用价值，在发挥难以加工材料不可估量的作用的同时，使许多行业 的产品质量的到了提高。 5 ) 激光打孔的质量不断提高。 由于激光打孔属于热烧蚀加工，孔的尺寸精度受到影响，孔壁粗糙度一般在r = 1 2 5 p m 左右。打孔过程中喷射的熔融状金属氧化物使孔板的上下表面发黑、租糙，由 于光束的发散角等原因造成了孔的锥度。这些质量问题无疑将影响激光打孔的应用。 现在人们正在使用多种方法对激光打孔的质量进行有效的改善。例如用增设石油 涂层的方法以减少出、入口处的沉淀物：利用硅油减小孔的锥度；利用铝箔等薄片覆 盖工件表面形成屏蔽层，以清除孔口修缘现象，并可清除工件表面沉积物等。还可通 过对激光器输出参数、脉冲形状等进行修整，使孔的尺寸精度不断得以提高。 总之，微孔激光加工技术的发展趋势是向着更加完善、应用范围更广泛、质量更 高的方向发展。随着微孔激光加工技术的不断成熟，进行激光打孔的激光加工系统的 数量将不断增加。 1 4 课题研究的来源和论文的主要研究内容 一、课题来源 长春市科技计划项目“数控激光精密打孔技术及设备研究” 二、论文的主要内容 对于现今工业上要求的大量难以加工的几何小孔，激光打孔有着比其他的常规打 孔更好的经济效益。为了满足工业发展对高精密度机械制造的需要，要求对激光打孔 过程进行深入研究，其主要方面包括当加工更复杂和更小的孔时激光的阻碍因素的研 究，及成功打出高质量的d , - 7 l 。通常激光打孔的典型缺点包括，锥度、溅污、再铸层 和微裂纹，打孔的重复性也较差。由于实际应用的需要，所有这些方面都需要改进。 本文在对激光打孔的过程和各阶段的状态进行了理论分析的基础上，采用实验室 自制的脉冲n d ：y a g 激光器进行了激光打孔实验研究，并对激光器的输出特性进行了测 试。得到了光束质量因子m 2 = 1 4 8 ，发散角0z 1 7 f a r a d ，表明此激光器适合于进行打 孔实验。在实验过程中，通过改变激光参数，对不同因素对打孔质量的影响进行了分 析研究。针对实验结果，提出改善方案。 对于脉冲激光打孔的重复性、稳定性差的缺点，研究了v r m 平凸腔及虚共心腔， 可以提高激光器热稳定和打孔质量，效果明显。分析了多脉冲打孔优点，及其对提高 打孔重复稳定性的重要作用。最后，通过实验结果，对激光打孔的工艺进行了分析和 总结。 6 第二章激光与材料的相互作用 2 1 激光打孔的基本原理 2 1 1 打孔过程描述 激光束是一种在时间上和空间上高度集中的光予流束，其发散角极小、聚焦性能 良好，采用光学聚焦系统，可以将激光束会聚到微米量级的极小范围内，其功率密度 可高达l o 。1 0 ”w e r a 2 ，当这种微细的高能激光束照射到工件上时，由于这种高强热源对 材料加热的结果，可使得照射区内的温度瞬时上升到一万度以上，从而引起被照射区 内的材料瞬时熔化并大量汽化蒸发，气压急剧上升，高速气流猛烈向外喷射，在照射 点上立即形成一个小凹坑。【8 】 旧 随着激光能量的不断输入，凹坑内的汽化程度加剧，蒸汽量急剧增多，气压骤然 上升，对凹坑的四周产生强烈的冲击波作用，致使高压蒸汽带着溶液，从凹坑底部高 速向外喷射，火花飞溅，如同产生一种局部微型爆炸那样，在工件上迅速打出一个具 有一定锥度的小孔。由于蒸汽总是先从熔融的凹坑内部向外喷射，起始阶段必然会形 成较大的立体角，故用激光打出来的孔，总是具有一定的锥度，其激光束入口端呈喇 叭形。在脉冲宽度为微米量级时，对于单束脉冲激光打孔的过程，可以用一个模式的 四个相关过程来描述。 9 】 ”1 1 ) 表面加热：激光束聚焦到金属表面上，光与电子通过菲涅尔吸收原理相互作用。 受激电子与晶格光子和其它电子发生碰撞，能量很快转化成热量传到一层很薄的只有 几纳米厚的表层。 2 ) 表面熔化：如果激光强度和相互作用时间充足，表面的薄层开始熔化。激光 束的强度非常高，这使表面熔化的时间远远短于内部材料的有效热传导。 3 ) 蒸发：在这一点，光照区域的表面温度要高于材料的沸点，这时蒸发开始了。 当蒸发的材料自由排放到大气中时，蒸汽压力比周围压力高很多，这使溢出的蒸汽加 速。 4 ) 熔融物的喷发：同蒸发一样，两种类型的熔融物喷发现象可能发生：喷发可 能作为由打孔过程中的成核机制作用引起的剧烈沸腾的一种结果而存在。低于表面的 材料能变成过热的蒸汽，因此，产生了一种突发的液态一气态的转变，这导致了小蒸 汽泡在流质表面下迅速形成和扩大。高压和快速膨胀引起了热爆炸，液态金属从孔中 破了的气泡区域喷射出来。 反作用压力引起与入射光线垂直方向上的熔化物质的加速度。对熔化物的不断加 热，使孔的直径沿轴呈放射状增大。生成孔的几何形状，同时反作用压力导致同轴的 熔化物流向入射光束。随着熔化物沿孔壁流动，熔化物渐渐冷却，同时粘性增加且速 率降低，从而凝固成为重铸层，且厚度渐增。 随着重铸层厚度的进一步增加，开始到达l 临界值，入射光束被遮蔽，并且孔的闭 包( c l o s u r e ) 出现。由材料的性质和作用过程中的激光参数决定，打出的闭包发展到 7 一个临界的孔深。这些闭包能再次用激光去除。随着孔深的逐渐增加，打孔过程由于 孔壁对于激光射线的反射而持续进行。空间强度的分布由于孔壁对激光射线的反射被 改变，并且由于周围几何形态的变化而吸收减弱。这两个过程导致孔内变化移动的熔 化物生成闭包并使打孔效率降低。而且这些过程导致了熔化物排除的不稳定和中断。 总之，激光打孔是在极短的时间内完成的，孔的形成是材料在高功率密度激光束 的照射下产生的一系列热物理现象相互作用的结果。 2 1 2 准稳定破坏状态 在激光打孔过程中，材料的蒸发和熔化是激光打孔成形的两个基本过程。其中孔 深的延伸主要决定于蒸发；孔径的扩展主要决定于孔壁的熔化，以及剩余蒸汽压力将 熔融材料的喷射排除。准稳定破坏状态是指在每一瞬时，都可以认为是蒸发和熔化的 状态与时间无关的稳态，因此可以建立起与时间无关的每一瞬时的状态方程，方便分 析。准稳定破坏状态是准稳定蒸发和准稳定熔化两种现象的综合“”“。 1 ) 准稳定蒸发 激光加热一维半无限大物体模型，当激光的光通量密度超过一定的下限q ：，材料 产生有效的蒸发，当激光加热材料温度达到某一温度瓦的瞬时起，被吸收并转换成热 的辐射能分配为两部分：一部分靠导热机理传递给材料内部，另一部分则消耗于蒸发 吸热。此时，材料表面的加热速度减慢，但温度依旧升高，直到被吸收的能量实际上 全部用于蒸发，进入准稳定蒸发状态。在准稳定蒸发状态，激光单位时间释放的热， 一方面消耗于加热，一方面消耗于把蒸发潜热k 传递给厚度为v 。的材料层，即 q = v o r o + l b ( t o ) 】 ( 2 1 ) 式中，q 为激光的光通量密度( 功率密度) ；v o 是准稳定蒸发的边界运动速度：p 为材 料的密度：c 为材料的比热容；l 。( 瓦) 是准稳定蒸发温度瓦下的蒸发潜热，j c m 2 。能 量守恒公式忽略了导热性和熔化所需的能量。公式( 2 1 ) 结合一维加热模型和材料常 数，通过一些合理的假设可以求得准稳定面的温度瓦，边界运动速度v 。，材料内过热 层厚度。 事实上，准稳定蒸发对激光的光通量密度有上下限的要求，在激光脉冲结束时可 以建立准稳定蒸发过程的下限光通量密度q ：为 拈厶詈 ( 2 2 ) 8 式中，k 是t 为零度时物质的蒸发潜热；口是光在介质中的吸收率，0 1 1 1 - 1 ；f 是激 光脉冲宽度。一般g ：“g ：s 5 x 1 0 6 w l c m 2 。上限光通量密度口：一般由蒸汽电离吸收或 等离子体吸收激光能量产生的屏蔽效应决定，对于金属q ；* 1 0 8 w c m 2 。 2 ) 准稳定蒸发和熔化 通过准稳定蒸发和熔化模型，结合聚焦镜后激光的光锥方程，可以方便的求出在 一定功率( 能量) 下打孔的深度h 和半径具体推导如下。 如图( 2 1 ) 所示，光束极限发散角为2 0 的光锥方程可写为 ，( f ) = r o + h ( t ) t a n ( 2 3 ) 在蒸发和熔化过程的准稳定条件下，凹坑中每一瞬时的能量平衡用式( 2 4 ) 确 定。 p ( t ) d t = l s 刀2 ( t ) d h + l 。2 月r ( t ) h ( t ) d r ( 2 4 ) 图2 1 孔深h 和半径r 随时间的变化 中一光锥的半张开角；r o 一凹坑起始半径( 等 于光点半径) 式中，p ( t ) 为激光瞬时功率；l 。和三。分别为蒸发比能和熔化比能，j c m 3 。式 ( 2 4 ) 中等号左边表示d t 时间内被吸收的激光能量，右侧第一项表示用来蒸发孔底 厚度d h 所需的能量，第二项表示熔化厚度为d r ，高度为h ( t ) 的圆环所需的能量。在 9 此方程中忽略了热传导作用。 设p ( t ) 为常数，在初始条件h ( o ) = o ，r ( 0 ) = ，0 下，联立方程式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) ， 在h ( t ) ，o 时，则为 1 纛 j 州老 j 实际上岛 l 。，相对孔深可以写为 生：生：上 d2 r 2 t a n 西 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中 e = p t ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 可以看出，t a n 矿越小，对于获得小直径的孔深越有利。在聚焦系统中， m n 由式( 2 9 ) 决定 t a n 矿= 半 ( 2 9 ) 矿= _ ( 2 ) 厶， 式中，d 为激光工作介质端面直径；2o 为激光发散角；，为从激光介质端面到焦 距为厂的光学系统前焦点之间的距离。当t a i l = 0 时，是获得小直径孔深的最佳条件， 并且可以用一种称为圆柱光管的光学系统来实现这一条件，这种光学系统可以在焦平 面和工作物质振荡端面的影像面之间获得圆柱光管。在这种情况下 矗：要；，o f = r o = o ( 2 1 0 ) 拈而；7 2 l o 堂柏 惠 一般情况下，t a n # 0 ，在凹坑形成某一深度时，由于激光束散焦而在凹坑底部 发生通量密度减小，这一现象在能量为e 的无数次脉冲打孔时，造成孔存在极限尺寸 fefe * 喾* 等；。岳 式中，q 为在脉冲将要结束时建立起准稳定蒸发态的阈值能量密度。 ( 2 1 1 ) 由准稳定蒸发模型得出了打孔的深度及半径表达式。实验证明，式( 2 6 ) 中的深 度计算公式比较符合实际情况，而半径计算公式与实际偏离较大。于是利用实验数据， 引入破坏比能的概念，破坏比能是指去除单位体积材料所需要的能量，用l ，来表示： 铲去 汜 通过式( 2 1 2 ) 可以求得半径r 。表2 - 2 给出了某些金属与合金的破坏比能。 对于确定的激光能量e 、脉冲持续时间f 、激光发散角2o 、给定的孔深h 和孔半 径r ，可以求得聚焦透镜焦距为 ，一塑唑掣 ； 式中，s = ( d - 2 a ) 2 ，占= o l 。 表2 - 2 某些金属与合金的l p 和k 值 ( 2 1 3 ) 2 2 1 激光的吸收 激光入射到材料表面时，一部分被材料表面反射，一部分被材料吸收，另一部分 通过材料透射“”。在这一激光传播过程中，显然应满足能量守恒定律。用玩表示入射 到材料表面的激光能量，e 反射表示被材料表面反射的激光能量，e 暇收表示被材料表面 吸收的激光能量，而岛射表示透过材料的激光能量，则有能量守恒定律有： 昂= e 反射+ e 吸收+ e 透射 ( 2 1 4 ) 上式可变形为 1 ：孕+ 争+ 争：m 鸲坼 ( 2 1 5 ) e oe 口e o i h“i 式中，p r 为反射比；为吸收比；f r 为透射比。 对于不透明材料，透射光亦被吸收，即射- - - - 0 ，则有 1 2 风+ 吼 ( 2 1 5 ) 激光在材料内部传播过程中，激光强度按指数规律衰减，激光入射到距表面x 处 的光强度i 为 i = l o e 一“ ( 2 1 6 ) 式中，i 。为入射到材料表面( x = o ) 的激光强度；a 为材料的吸收系数。 若将激光在材料内的穿透深度定义为光强度降至i o e 时的深度，则穿透深度为 1 佩。 材料对激光的吸收系数a 除了取决于材料的种类外，还与激光波长有关。这种吸 收系数与激光波长有关的特性为选择吸收；而吸收系数不随激光波长变化的吸收称为 一般吸收。在一般情况下，吸收系数与激光强度无关，但有时会出现反常现象，即自 变透明现象，就是说随着激光入射强度的增加，吸收系数变小，从而透射加强。 风、及a 的值可由材料的光学常数或复数折射率的测量值进行计算。材料的 复数折射率为 玎2 扎+ t 2 当激光垂直入射到平板材料时，激光的反射比风为 ( 2 1 7 ) 1 2 胁= l 剖2 = 器糍 对不透明材料有= 1 一p 。，从而有 2 百商4 n l 因而吸收系数a 由下式给出 式中，旯为激光波长。 彳：兰堡 a ( 2 1 8 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。 在金属中存在大量的自由电子，该自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波。 这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波。其中的透射波部分又在很薄的金属表 层被吸收，因而激光在金属表面有较高的反射比。对光子能量较高的可见光或紫外光 而言，由于金属中的束缚电子的固有频率常处于可见光或紫外光频段，因而还能对金 属中的束缚电子发生作用。束缚电子的作用将使金属的反射能力降低、透射能力加强， 并增强了金属对激光的吸收，使之呈现出某种非金属的光学性质。金属对激光的吸收 与波长、材料特性、温度、表面情况和激光的偏振特性等诸多因素相关。 2 2 2 激光熔融与气化 激光加热材料表面使得其表面温度升高，当表面温度达到材料的熔点时，将发生 熔融现象；继续加热到材料表面温度达到气化温度时，表面将发生气化现象。“” 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表面已有部分被熔化，而且熔化 区的出现使热传导变得很复杂。其中的原因主要因为材料的熔化要吸收熔化潜热；其 次是材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。所以，一定强度的激光照射到材料表面 时，一旦其表面温度达到熔点乙时，等温面( 熔化前) t = l 将以一定的速度向材料 内部传播，其传播速度取决于激光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。等温 面传播的最大距离称为最大熔化深度。 设t 。是激光照射材料表面到开始熔化所需的时间，由式( 2 2 7 ) 可得 ( 2 2 0 ) 其中l 代表熔化温度；e , o = 只( 0 ，f ) 为激光光斑中心的功率密度；为材料表面对激 光的吸收比；a t 为材料的热扩散率；元为材料热导率。 示为 对于大多数金属而言，等= o 5 近似成立，所以熔化波i ；仃的穿透深度可简单地表 c ，n 砸) = 警”u 口l ， 当t = f 时达到最大熔化深度，此时 根据计算有 z 一；学( 一) 2 2 彳【一) t b - t = 4 7 6 咯叫 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式中，瓦为对应“时的温度( 一般认为就是气化温度) 。将上式带入( 2 3 3 ) ，就有 即 ( 2 2 4 ) 式中z 。口。的值取决于材料本身的性质。材料的热导率丑和的比值均较大时，熔 n 化波前的穿透深度就较大。为了提高熔化深度，所使用的激光功率密度厶应较小。但 稚伊 等 懈 当只。较小时，材料表面加热到瓦的时间变长。因此，在所作用的激光脉宽一定时，应 调整作用激光的功率密度，以获取最大的熔化深度。 高强度激光脉冲照射金属材料表面分为以下几个阶段。首先，材料表面达到熔点 温度时，就形成一个熔融层，然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能 流变为蒸发的潜热、气化质量的动能和喷溅蒸汽的热量，其余部分传给材料。最后， 在强度不是很高的条件下，喷溅蒸汽不能形成强吸收，系统达到一个稳定状态。 对于稳定蒸发态，可从温度和蒸汽的质量变化率来计算蒸汽压力，即 = i d m - ( 隅一器 ( 2 2 5 ) 、 矿 在更高的强度下，激光和蒸汽之间的相互作用变的重要了，温度很高以致部分材 料蒸汽原子处于激发态，另外随着蒸汽密度的加大，逆韧致辐射过程加强了。 在激光加热材料直至气化过程中，还有两个非常重要的物理量，一是激光与材料 的热耦合系数，它表示激光能量中被转化为材料的热能部分，如果忽略材料蒸汽的动 能，那么对于不透明的材料近似可用( 1 一m ) 来估算。但是，反射比m 与材料表面状 况( 温度、相态等) 有关，而且在相互作用过程中还有变化，因而很难测准。精确的 方法时测出材料的温度分布后进行计算，那将很麻烦。另一个重要的物理量是质量迁 一 移率，常用l 1 i f f l 表示，即表示在能量为e 的激光作用下材料因气化而损失的质量聊， 丘 该比值与激光功率密度分布、脉冲结构、光斑大小及材料本身的特性等都密切相关。 a 对于调q 或锁模激光，三等的值在1 1 0 ，磐，范围，而对自由振荡脉冲激光，其脉宽 正 “ 为毫秒级量级，竿为1 0 2l 【f g j 数量级。 2 2 3 等离子体 随着材料表面温度的升高，当超过材料沸点温度时，发生气化现象，如果蒸气粒 子继续吸收激光能量，蒸气温度继续升高，最后将导致蒸气分子电离，形成一种高温 度高密度的状态等离子体，这种等离子体在高功率激光与材料相互作用研究中有 着非常重要的地位。m “”1 材料表面吸收激光脉冲之后，温度迅速上升，达到沸点，发生气化现象，随着温 度的继续上升，蒸气发生电离，继而相成高温度高密度的等离予体，这种等离子体继 续吸收激光剩余能量，并向外迅速膨胀，形成等离子体冲击波，直至最后等离子体熄 灭。一般认为存在两种机制使蒸气吸收激光能量完成电离，第一种是自由电子通过逆 韧致辐射吸收光子能量。自由电子只有在激光电场中振动时，在整个光周期中被平均 化，因此不吸收能量。但与价电子和声子碰撞而相位偏移，就吸收能量。这是经典吸 收的过程，也称逆韧致辐射。第二种激光吸收机制是材料激发态的光致电离，因为蒸 气温度很高，所以有部分材料原子处于激发态，这部分原子较基态原子易电离。 这种等离子体向外迅速膨胀，在膨胀过程中等离子体继续吸收入射激光。无形之 中等离子体阻止了激光到达材料表面，切断了激光与材料的能量耦合。这种效应叫做 等离子体屏蔽效应。等离子体吸收大部分入射激光。不仅减弱了激光对材料表面的热 耦合，同时也减弱了激光对材料的冲量耦合。激光作用与材料表面产生等离子体示意 图如图2 2 所示，这时相互作用物质可简单分为三部分：目标材料、激光、等离子体。 等离子体屏蔽能量的程度可以用一物理量来描述，即等离子体屏蔽系数，它的定义是 等离子体吸收的能量与入射激光能量之比。 目标材 等离子体 图2 2 激光与材料相互作用示意图 2 3 激光打孔分类 激光打孔是一个复杂的过程，涉及到多方面因素的影响，因此其分类方法很多。 一般可以根据打孔的原理分为复制法和轮廓迂回法；根据激光运转方式不同分为连续 激光打孔、自由振荡脉冲激光打孔、调q 激光打孔和超短脉冲激光打孔；根据激光波 1 6 长分为紫外激光打孔( 如准分子激光器) 、可见及近红外激光打孔( 如红宝石、n d ：y a g 激光器) 、远红外激光打孔( 如c 0 2 激光器) ；根据材料不同分为金属、陶瓷、玻璃和 有机物的打孔等；根据孔的类型分为盲孔、通孔和异形孔的打孔等。下面对复制法和 轮廓