碳鋼激光脈沖寬度打微孔的研究

李菁菁

(長春大學 光華學院，長春 130117)

碳鋼激光脈沖寬度打微孔的研究

李菁菁

(長春大學 光華學院，長春 130117)

激光打孔是激光加工的主要應用領域之一，取五種不同厚度的碳鋼材料進行了激光打微孔實驗，利用雙因素無重復試驗方法分析了激光脈沖寬度和碳鋼含碳量對激光打微孔的質(zhì)量影響，為激光打微孔的激光參數(shù)合理選擇提供了可行的方法。

激光打孔;碳鋼;雙因素無重復試驗方法

0 引言

激光打孔是最早達到實用化的激光加工技術，也是激光加工的主要應用領域之一。目前采用激光打孔可加工出直徑1.8um的微孔，如在高熔點金屬鉬板上加工微米量級孔徑，在硬質(zhì)碳化鎢上加工幾十微米的小孔;在紅、藍寶石上加工幾十微米的深孔以及金剛石拉絲模具、化學纖維的噴絲頭等，這一類的加工任務用常規(guī)機械加工方法很困難，有時甚至是不可能的，而在激光打孔則不難實現(xiàn)［1］［3］。激光束在空間和時間上的高度集中，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得很高的功率密度，幾乎可以對任何材料進行激光打孔［3］。國外曾對激光、電子束、超聲波、電化學、射流、電火花和機械鉆孔進行比較表明，激光打孔具有效果好、通用性強、效率高、成本低、工裝少等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、汽車、微電子、醫(yī)療等要求高精度和高質(zhì)量的領域［2］［4］。目前國內(nèi)外對碳鋼激光打孔技術的研究較少，本文選擇了Q235A、20、35、45和T10共五種不同厚度的碳鋼材料，采用析因?qū)嶒炘O計中的雙因素無重復試驗方法，系統(tǒng)分析了脈沖寬度和含碳量對激光打微孔的影響，為合理選擇碳鋼激光打微孔參數(shù)提供了可行的方法。

1 碳鋼激光打微孔材料的選擇及試驗設備

為研究不同含碳量和激光脈沖寬度對激光打微孔的影響，選用了五種不同厚度的碳鋼材料，即:Q235A鋼，厚度為1mm、2mm、3mm、4mm;45 鋼，厚度為3mm、4mm、5mm、6mm、8mm;20、35、T10 鋼，1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm。其含碳量如表1所示。本試驗所用的激光打微孔設備為SLC-X15X30數(shù)控CO2激光多功能加工機，激光功率、脈沖寬度與脈沖頻率可調(diào)，并通過2.5D影像測量儀測量孔徑。

表1 碳鋼含碳量

2 雙因素無重復試驗方法

一般來說，一個系統(tǒng)或過程的特征可用一個或多個變量來描述，這些變量隨著諸多因素的變動而變動。通常把引起系統(tǒng)特征變化的輸入變量稱為因子，把系統(tǒng)的輸出稱為響應。設計、實施一個試驗，就是對某些可以人為控制的因子作一系列有目的的變動，觀察相應的響應，然后研究因子的變動與響應的變動之間的關系，得到與研究目的有關的結(jié)論。試驗方案設計得好，能使得到的數(shù)據(jù)包含的有效信息量大，有利于通過數(shù)據(jù)分析得到可靠充分的結(jié)論;另一方面，由于人力、材料、資金、時間等等因素的限制，現(xiàn)實條件下對于系統(tǒng)或過程的試驗考察總是局部的，試驗次數(shù)是有限的。為了減少總的試驗費用，常常希望設法減少試驗次數(shù)。這時，一個好的試驗方案往往會達到事半功倍的效果。工程試驗研究中常用的試驗設計方法有求值試驗設計、析因試驗設計、正交試驗設計、加速試驗設計、對比試驗設計等，析因試驗設計主要目標在于確定不同因素(獨立變量)對產(chǎn)品某些令人感興趣的特征(相關變量)的影響。影響激光打孔質(zhì)量的主要因素有激光功率、激光脈寬、激光重復頻率、離焦量和輔助氣體等，可見是多因素決定了激光打孔的質(zhì)量。雙因素試驗是研究兩個因素的交互作用，為要檢驗交互作用的效用是否顯著，對兩個因素Ai、Bj的每一個組合至少要做兩次試驗，其試驗數(shù)據(jù)Xij按表2排列，用所獲得的Xij按雙因素無重復方差分析方法進行因素作用效應的顯著分析如表3。若兩個因素之間不存在交互作用或交互作用影響很小，則可以不考慮交互作用，可以做一次試驗進行每個因素作用效應的顯著分析［5］。

表2 雙因素無重復試驗數(shù)據(jù)表

表3 雙因素無重復方差分析表

F檢驗中在給定的顯著水平0＜α＜1時(1－α稱為置信度)，若F≥F?(k－1，n－k)則表明因子A對試驗結(jié)果有顯著影響。F＜F?(k－1，n－k)，則表明因子A對試驗結(jié)果無顯著影響。一般α分布取0.05和0.01。實際應用中，需要假定xij來自正態(tài)分布。表3中SA、SB、SE、ST可按式(1)式(2)計算，并設因素A為激光脈沖寬度、因素B為碳鋼含碳量。

3 激光脈沖寬度對打孔質(zhì)量的影響

3.1 激光脈沖寬度對打孔試驗的數(shù)據(jù)分析

脈沖寬度所表現(xiàn)的是脈沖能量的時間部分特性。當脈沖能量一定時，脈沖寬度越窄，表示以時間為分母的時間能量密度越大，反之則時間能量密度越小。因此，脈沖寬度的變化對孔深、孔徑、孔型的影響較大。

只改變激光脈沖寬度進行打孔實驗，其實驗結(jié)果如圖1所示:35#碳鋼、1mm厚在脈沖頻率1000HZ，能量400W，不同脈沖寬度下的打孔圖，圖2所示:45#碳鋼、3mm厚在脈沖頻率1000HZ，脈沖能量1400W，不同脈沖寬度打出孔的孔徑曲線圖，由圖可知孔徑隨著激光脈沖寬度增加而減小。

圖1 不同脈沖寬度打孔圖

圖2 激光脈沖寬度與小孔孔徑關系圖

當激光脈沖寬度增加，小孔孔徑逐漸減小。這主要是由于在激光打孔其它輸出參數(shù)不變而只改變脈沖寬度時，脈沖寬度越窄，則時間能量密度越大;打孔中產(chǎn)生的氣相物質(zhì)比例越大，金屬蒸汽壓力也越大。由于孔徑的增加主要靠蒸發(fā)，因此，窄脈寬可得到較大的孔徑。但是在脈沖寬度為較小時打出的小孔形狀較規(guī)則，而隨著脈沖寬度增大時，時間能量密度下降，孔內(nèi)金屬蒸汽壓力相應減小，材料飛濺物的屏蔽作用將減小。此時激光能量主要以材料在打孔區(qū)域橫向熱傳導方式表現(xiàn)出來，這時在材料破壞過程中，熔化過程占優(yōu)勢，由此產(chǎn)生大量液相物質(zhì);而較小的金屬蒸汽壓力不能把液相物質(zhì)從孔內(nèi)排除，使其無規(guī)律的重新凝結(jié)于孔內(nèi)壁上，造成孔深度和孔的直徑減小，孔的表面粗糙度降低，孔的尺寸精度下降，使打孔過程難以控制。如圖3，脈沖寬度0.6ms作用下液相物質(zhì)完全凝結(jié)于孔內(nèi)壁。在實驗中，選擇脈寬為0.3ms作用于碳鋼打孔，孔型綜合來講較佳。

圖3 脈沖寬度0.6ms作用碳鋼圖

圖4 孔的錐度和脈沖寬度的關系曲線

脈沖寬度越大孔的錐度也會略有增加，但變化不很明顯。可見無論是想要得到小的孔徑或者是小的錐度我們都要選擇較小的脈沖寬度。如圖4所示。

3.2 激光脈沖寬度對不同含碳量激光打孔上孔徑的影響程度分析

采用雙因素無重復試驗分析方法對厚度3mm的五種碳鋼，在不同激光脈沖寬度的條件下進行打孔，表4給出了厚度3mm的碳鋼激光脈沖寬度不同時打孔的上孔徑測量值。根據(jù)式(1)和式(2)計算得出雙因素試驗方差分析見表5。查F分布表，求得α=0.05時含碳量對激光打孔上孔徑影響的F函數(shù)值F0.05(4，16)=3.01＞F比=2.6551，說明含碳量的大小對上孔徑的影響程度較小。激光脈沖寬度對激光打孔上孔徑影響的F函數(shù)值激光功率對打孔上孔徑影響的F函數(shù)值F0.05(4，16)=3.01＜F比=18.3068，說明激光脈沖寬度的大小對上孔徑的影響程度非常顯著。

表4 上孔徑測量值，厚度為3mm

表5 上孔徑雙因素試驗的方差分析表，厚度為3mm

4 結(jié)語

通過變脈沖寬度打微孔試驗，發(fā)現(xiàn)窄脈寬可以得到較大的孔徑，而且孔徑比較規(guī)則，當脈寬變大時，激光能量在打孔區(qū)域以橫向傳熱為主，較小的金屬蒸汽壓力不能把液相物質(zhì)從孔內(nèi)排除，使其無規(guī)律的重新凝結(jié)于孔內(nèi)壁上，造成孔深度和孔的直徑減小，孔的表面粗糙度降低，孔的尺寸精度下降。并且用雙因素無重復試驗分析方法也證明了這一現(xiàn)象，說明利用雙因素無重復試驗方法可以更好的確定激光打微孔的工藝參數(shù)。

［1］ 左鐵釧，等著.21世紀的先進制造:激光技術與工程［M］.北京:科學出版社，2007.

［2］ 王廣安，章玉珠，倪曉武，陸建.離焦量對空氣中納秒激光打孔效率的影響［J］.中國激光，2007，34(12):6121－1624.

［3］ 宋林森，史國權，李占國.激光打孔溫度場的數(shù)值分析與仿真［J］.工具技術，2006，40(8):12－15.

［4］ 方建成，王續(xù)躍，鄧琦林，周錦進.提高脈沖激光打孔質(zhì)量的措施［J］.制造技術與機床，1997(11):22－24.

［5］ 王太辰主編.中國機械設計大典第6卷［M］.南昌:江西科學技術出版社，2002.

A Research on Drilling Microporous on Carbon Steel by Laser Pulse Width

LI Jing-jing

(Guanghua College，Changchun University，Changchun 130117，China)

Laser drilling is one of the main application areas in laser processing，this paper makes experiments on five carbon steel materials with different thickness and analyzes the effects of laser pulse width and the carbon content of carbon steel on the quality of laser drilling by dual-factor test and non-repetition test method，which provides feasible methods for reasonable parameter choice in drilling microporous.

laser drilling;carbon steel;dual-factor test and non-repetition test method

TH744.5

A

1009－3907(2011)12－0005－04

2011-10-10

李菁菁(1980-)，女，實習研究員，碩士，主要從事機械設計方面研究。

責任編輯:吳旭云