激光打孔加工研究的現(xiàn)狀分析

金銳超

【摘 要】激光加工工藝是一項復(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現(xiàn)激光超精細加工，本文介紹了激光加工的理論、加工工藝、飛秒激光加工的國內(nèi)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前激光打孔的不足，為未來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)上利用激光進行切割、焊接、鉆孔、刻標、重熔、熱處理、表面合金等加工。

近年來國產(chǎn)激光切割機的量產(chǎn)與自主開發(fā)力度的加大，外國一線公司在華本土化生產(chǎn)，縮小了二者的產(chǎn)品差距與價格差距。上海團結(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占有率大幅的增長。但是我國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)機械系激光加工研究中心鐘敏霖等在《國際激光材料加工研究的主導(dǎo)領(lǐng)域與熱點》中根據(jù)1247篇國際會議論文和231篇國內(nèi)會議論文在22個主導(dǎo)研究領(lǐng)域的分布，指出中國在激光表面強化特別是激光熔覆方面的大量深入研究已形成優(yōu)勢，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[1]。

1.1 激光與金屬作用的理論研究

1916年著名的美國物理學(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”這個單詞，1960年：美國加州Hughes 實驗室的Theodore Maiman實現(xiàn)了第一束激光。自激光問世以來，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事六個領(lǐng)域并逐漸引領(lǐng)設(shè)人類工業(yè)社會的進步。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所先進制造工藝力學(xué)實驗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)值計算模型?；谟邢摅w積法， 編制計算程序， 對激光打孔過程中的溫度場、孔型演化過程進行了數(shù)值模擬，探討了不同激光參數(shù)對打孔過程的影響[2]。南京理工大學(xué)秦源在博士論文中從實驗和數(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和應(yīng)力場的分布，得到了塑性屈服時間、范圍以及殘余應(yīng)力的大小?；跓醾鲗?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板打孔的實驗方法，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 對激光打孔過程的溫度場進行模擬仿真，通過對溫度場的分析，得到小孔的孔深、孔徑的時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銅金屬進行了打孔實驗，對微孔形貌進行了觀察并對其熱力學(xué)過程進行了相應(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雙光楔矢量模型進行了建立與分析。應(yīng)用Matlab 編寫了仿真軟件，仿真得出了激光束經(jīng)過兩個相同光楔后的軌跡，并指出了由于運動系統(tǒng)的不同步對激光微孔加工中打孔質(zhì)量的影響，進行了誤差定量分析并給出了誤差計算公式[6]。盧軼等利用電容傳聲器、PVDF 傳感器分別測量了激光打孔過程中的聲波型號與沖擊波信號，得出氣流的物理作用減弱材料蒸汽和等離子對激光的屏蔽效應(yīng)，維持較為連續(xù)的聲波信號輸出，輔助氣體氧氣的化學(xué)作用會增強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)作用交替進行產(chǎn)生了不連續(xù)的聲波信號[7]。endprint

1.2 航空發(fā)動機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]。 中國工程物理研究院機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)對小孔形狀、小孔封焊形貌的影響規(guī)律[9]。中國科學(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、準直鏡組、聚焦透鏡來獲得光斑半徑小、強度高的光束，并用其對金屬靶材進行加工，得到了優(yōu)于機械打孔的微孔[10]。西安交通大學(xué)段文強等用大功率Nd： YAG毫秒脈沖激光器，分別在304不銹鋼和DZ445定向結(jié)晶鎳基合金上進行孔加工實驗，探討了旋切路徑、 旋切速度、 旋切圈數(shù)對孔質(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[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隨時間變化關(guān)系，高頻超聲波調(diào)Q方法，研究出聲控激光打孔系統(tǒng)。提出了新的實現(xiàn)自動化數(shù)控打孔，把超聲調(diào)制激光功率控制、精密機床、聲波傳感器和電腦控制技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)對激光打孔過程的在線實時監(jiān)控。在國內(nèi)外首次采用聲波信號控制自動打孔。采用計算機內(nèi)部硬件配合專用自動編程軟件實現(xiàn)了激光焦點上下運動，實現(xiàn)了對X.Y平面上運動精確控制[15]。

2 總結(jié) 目前研究的缺陷

目前大多數(shù)研究者和研究機構(gòu)采用毫秒激光加工航空發(fā)動機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。雖然對于模型的研究較多，但是還沒有一個普遍較為認可的全參數(shù)模型。

為了更好地利用超短脈沖激光進行高質(zhì)量和高效率的金屬燒蝕加工，必須認識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現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

【參考文獻】

[1]鐘敏霖，劉文今.國際激光材料加工研究的主導(dǎo)領(lǐng)域與熱點[J].中國激光，2008，35（11）：1653-1659.

[2]葛志福， 虞鋼，何秀麗.激光打孔過程三維瞬態(tài)數(shù)值模擬[J].中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2012.42（8）：869-876.

[3]秦源.毫秒激光與金屬材料相互作用中的熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)研究[D]南京：南京理工大學(xué)2011.

[4]宋林森，史國權(quán)，李占國.利用ANSYS 進行激光打孔溫度場仿真[J].兵工學(xué)報，2006，27（2）：879-882.

[5]李世文，張秋慧，牛瑞華.激光對金屬銅微孔加工的熱力學(xué)過程研究[J].光譜學(xué)與光譜

[6]郭云曾，楊小軍，楊小君，等.旋轉(zhuǎn)雙光楔光路引導(dǎo)系統(tǒng)Matlab仿真研究[J].紅外與激光工程2014，43（3）：856-860.

[7]盧軼，馮愛新，戴峰澤.脈沖激光打孔聲波產(chǎn)生機理研究[J].激光與紅外2014，44（12）：1331-1334.

[8]張曉兵，李其連，王健.激光加工小孔工藝及其孔壁再鑄層對D Z 2 2高溫合金疲勞性能的影響[J].新工藝新技術(shù)新設(shè)備，1995，2：2-3.

[9]滕文華，劉世杰，沈顯峰.大氣環(huán)境下激光打孔及封焊技術(shù)研究[J].應(yīng)用激光2013，33（5）：515-519.

[10]敖霖，管昇煒，汪曉.激光聚焦與激光打微孔實驗設(shè)計[J].物理實驗，2014，34（12）：6-9.

[11]段文強，王恪典，董霞.激光旋切法加工高質(zhì)量微小孔工藝與理論研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2015，49（3）：95-111.

[12]王硯麗.激光旋轉(zhuǎn)打孔技術(shù)的研究[D]武漢：華中科技大學(xué)2012.

[13]辛凰蘭.高質(zhì)量打孔技術(shù)研究[D]北京：北京工業(yè)大學(xué)2006.

[14]袁立新，徐家文，趙建社.噴射液束電解輔助激光加工的理論模型和實驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報自然，2010，40（4）：736-740.

[15]禹東赫.聲控激光打孔技術(shù)研究[D]天津：天津大學(xué)2007.

[責任編輯：張濤]endprint