激光打孔加工——短脉冲激光器可以进行精确的螺旋状钻孔

        用于打孔的光学装置：电子元件、医疗设备、传感器、计算机、航空电子等设备的制造商需要一些零件，它们具有微型尺寸，复杂的外形和小孔外形。纺织产业使用的喷丝头和火车柴油机的喷油嘴就是这样的例子，这两个实例都是金属零件，在上面钻了精细的小孔。这些典型的小孔尺寸为50 - 100 μm，小孔深度达2 mm。

        与线切割放电加工，化学蚀刻，机械加工/切割，电铸，以及其他加工技术相比，激光打孔设备的性能要好，这是由于激光加工是非接触式的，并且更灵活。此外，加工过程所受的限制更少，不需要进行昂贵的废弃物处理，工具的本钱也更公道。与放电加工相比，激光打孔能够得到更高的长度直径比，此外，它能够对各种材料进行打孔，包括陶瓷，硅，钻石和聚合物。 

        由于使用了灵活的激光光束来扫描，甚至非圆形且具有复杂外形的小孔都可以得到。在制造尺寸很小的孔的方面，已经有一系列非接触、无摩擦的技术，它们使用了紧密聚焦的光束，这些技术已经在微电子制造工艺和发动机零件的制造中建立了一定地位。假如小孔必须是圆锥形，将碰到特别的困难，由于在打孔方向上直径不断在增加。这种几何外形在一些零件中是需要的，比如喷嘴组件，它们从反向是无法达到的。Fraunhofer激光技术研究中心（ILT）的科学家已经开发了这样的打孔技术，使用了一种新型的精确打孔的光学装置，它能够提供很高的扫描速度，且能得到的小孔几何正确率更高。 

        使用激光辐射来打孔已经在各种产业应用中已确立其地位。激光技术从腕表产业首先开始其应用。当需要在节能条件下得到高深宽比的小孔时，比如在气体涡轮机制造中的冷却小孔，或者在燃料供给系统中的过滤器，都使用了激光，它已成为一个普遍的工具。在这些应用中，应用脉宽为几个微秒的单脉冲进行激光钻孔或者冲击钻孔能够得到的钻孔速度较高。但是由于激光加工主要是个加热过程，激光钻孔导致孔内残留有熔化层。由高强度的激光脉冲熔化或者汽化的材料在被自己的蒸汽传送出往以前，会在孔壁上凝聚或者重铸。在冲击钻孔中更是如此，这里激光束没有移动，总是打在同一个地方，这导致所产生的熔化体积很大。更短的脉冲（在飞秒和皮秒量级）所产生的热渗透深度更浅，然而仍然会残留熔化层。但是，使用这类激光器时，生产率很低，这是由于在脉冲能量高的情况下，激光功率不够。 

        使用称为螺旋式打孔/穿孔法的打孔技术就可以克服这些质量和生产率方面的限制。在这个技术中，使用了紧密聚焦的短脉冲激光束，沿着中心点旋转，严格的描绘出小孔的几何外型。打孔过程中，每一小部分材料相继的被蒸发，范围限定得很好的激光脉冲被旋转和重叠使用。使用这项打孔技术时，在整个打孔过程中，孔壁一直被加热，这就阻止了重新凝固的过程和白色厚层的产生。使用了这项技术，甚至在纳秒范围的“长”脉冲也可以被使用，从而使得较大量材料的蒸发和更高的生产率成为可能，能够得到使用皮秒脉冲才能得到的效果。螺旋式打孔的光学装置取决于激光束的可聚焦性，它能够在厚度为1mm的材料上打出直径达30微米的圆形小孔。

        为了进行螺旋式打孔，专门打孔的光学装置能够以可变的旋转直径来对激光光束进行旋转。过往已取得了几项进展用来实现激光束旋转的高精度，它们使用了传统的振镜扫描仪，旋转楔形棱镜，以及离轴旋转透镜。所有这些设备都需要高光束质量，并要求激光光束转动时尽对对称。若为椭圆型的激光束或者在外形上有其他偏差，将产生不圆的小孔。此外，这些设备的扫描频率的最大值是3000转/分钟。在这个扫描频率下，孔壁的连续加热无法得到保证，或者说，在激光器的高重复频率下会产生过热现象。

小孔样品

        新开发的钻孔光学装置使得激光光束的旋转频率可以达到40,000转/分钟。能够在2-mm厚的材料上打直径比高达2的锥形小孔。新型光学装置的主要上风是扫描频率很高，用来设置直径和激光光束倾角的所有设备都不旋转，此外，搭建时只要它们能提供很高的精度即可。

        使用这一光学装置和调Q的Nd:YAG激光器（脉宽15纳秒，脉冲能量600到800μJ。在少于25秒的时间内，脉冲激光穿透金属薄板，打了一个直径为50微米的小孔。小孔中残留的熔化层厚度仅有1-2 μm，材料顶部熔化物可以通过超声波清洗方便地往除。在金属组件上进行直径范围在几个微米内的高精度打孔时通常都使用短脉冲，或者超短脉冲激光。使用这个新型的激光打孔头，就可以使用纳秒激光器，这就使得在生产本钱较低时，生产率能够较高。使用更短波长的脉冲（绿色或者紫外）能够得到更小的光斑尺寸，在一些经挑选的材料上，小孔直径可以达到10-20 μm。到目前为止，检验了厚度达2 mm的工具钢和高级钢。要得到这些几何外形，又实现精度要求，对于传统型打孔来说必须花大量开支才能实现。在这些方面，这一技术找寻到了潜伏的应用领域。 

本文章来自于佛山中恒三禾激光：http://www.zhshjg.com/gwb.html