準連續波激光打孔工藝綜述

王 軍,尹 毓,李云濤,王志華,田春英

(1.天津中德應用技術大學航空航天學院,天津 300350;2.天津理工大學材料科學與工程學院,天津300384)

1 引 言

激光打孔作為激光技術最先應用于材料加工的技術,與其他打孔方式相比,具有打孔精度高、打孔速度快、通用性強、非接觸性加工、可加工微小零件等多種優點[1],是應用最為廣泛的打孔技術。目前,工業化應用的激光根據脈寬分有連續波、準連續波(quasicontinuous wave,QCW)、短脈沖激光和超短脈沖激光[2],其中QCW激光的應用最為廣泛。

與連續波激光相比,準連續波激光在同等功率下有更低的熱輸入,降低了工件的熱效應,所以準連續波激光具有更高的打孔質量[3],更高的材料適用性[4]。與短脈沖激光相比,準連續波激光的加工速度有著明顯的優勢,且短脈沖激光打孔過程復雜,結構參數難以預測[5],準連續波激光打孔為穩態打孔過程,在數學模擬上也會更為簡單。對于超短脈沖激光打孔,準連續波激光打孔有著明顯的成本優勢與更高的工作效率[6]。IPG公司已經成功的使用QCW激光在1.5 mm厚的不銹鋼上高速的鉆出高縱橫比的孔圖案且板沒有發生變形,如圖1所示[7]。

圖1 由1902個直徑0.4 mm的孔組成的圖案,

2 準連續波激光打孔的機理

高功率激光照射到金屬材料表面時,材料吸收激光能量,材料表面溫度升高繼而發生熔融、氣化、噴濺以及產生等離子體等現象[8]。準連續波激光分為毫秒激光與微秒激光,在毫秒激光打孔過程中,材料先熔化,隨后大部分液態金屬材料劇烈汽化膨脹產生的反沖壓力將熔融液體材料拋出,少部分液態金屬隨著溫度升高達到汽化閾值而汽化,最終形成小孔,一般沒有等離子體的形成。而微秒激光的功率密度更高,已經可以在打孔過程中形成等離子體。

在激光打孔中[9]:

(1)

(2)

式中,PA為平均功率,單位W；E為單個脈沖的能量,單位J；R為激光頻率,單位Hz；PP為峰值功率,單位W；D為脈沖寬度,單位s。這些參數決定了激光打孔能否順利進行,也對激光打孔的孔質量有著重要的影響。

3 準連續波打孔工藝參數對打孔質量影響規律

如果打出的孔質量較差,工件工作時在孔邊容易發生疲勞破壞,降低工件的使用壽命。孔質量的好壞通常從孔徑、孔的形貌、錐度、重鑄層等方面來評判。

3.1 激光能量、脈沖寬度以及激光頻率對打孔質量的影響

(1)激光能量

激光打孔是由激光照射所帶來的熱量熔化金屬,排出熔融金屬而形成小孔的過程。激光能量為單個激光脈沖照射在材料上的能量,對打孔速度以及打孔質量都有重要的影響。

葉海彬[10]實驗得到了孔徑與激光能量關系圖,如圖2所示。結果表明隨著激光能量的增大,輸入的熱量增加,孔的直徑會隨之增加,但是受到光斑直徑的制約,增長速度會逐漸變小。

圖2 激光能量對微孔幾何尺寸的影響規律[10]

張文[11]在實驗中發現隨著激光能量的升高,孔的表面會出現很多的毛刺,這是因為溫度過高導致噴發的熔融金屬增多。但是Duan[12]等人發現毛刺體積的增長速率會隨著激光能量的增長而逐漸減緩,因此他認為隨著激光能量的進一步增長毛刺體積可能會下降,如圖3所示。

(1)引導學生自主提問評估，理清問題思維.在對物理知識進行學習時，由于物理學科需要較強的邏輯思維，因此學生的發散思維在物理學習過程中起著重要的作用.因此在物理學習中作為教師應引導學生善于提出疑問、進行自我提問、進行自我評估.這樣學生不僅能夠理解題意、剖析題意，更能從深層次掌握該題的內涵，從而具有清晰的解題思路，提高解題效率.

圖3 激光能量對毛刺沉積的影響[12]

Bandyopadhyay[13]發現孔錐度會隨著激光能量的增大而增大,但變化幅度很小,這是因為熱輸入的增加,會導致上下孔徑同時增加,因此激光能量不屬于孔錐度的重要影響因素。

Marimuthu[14]等人在打孔實驗中研究了激光能量對重鑄和氧化層厚度的影響。從圖4中可以看出,隨著能量的增加,重鑄層厚度先減小后增大。這是因為隨著能量的增加,材料會出現最佳的熔體噴射狀態,但進一步增加激光能量會增加蒸氣與反沖壓力,并通過高溫相位爆炸導致過熱噴射,出現較厚的重鑄層。

圖4 激光脈沖能量對激光打孔質量的影響

Mishra[15]的實驗顯示熱影響區的范圍隨著激光能量的增加而增加,由于高熱擴散,顯微組織發生變化的距離增加,擴大了熱影響區范圍。因此在保證打孔速度的情況下,激光能量應盡量小。

(2)脈沖寬度對質量的影響

激光的脈沖寬度是指激光一個脈沖所持續的時間,當脈沖能量一定時,脈沖寬度越小,能量密度越大,反之能量密度越小。

張靜[16]在實驗中發現隨著脈沖寬度的增加,上孔徑無明顯變化,下孔徑隨之減小,如圖5所示。這主要是因為脈沖寬度越大,能量分布越不集中,導致下孔口孔徑的減小,也導致了孔錐度的增大。

圖5 激光環切打孔中脈沖寬度對微孔直徑的影響[16]

葉海彬[10]在實驗中發現隨著脈寬的增加,孔內產生的堵塞情況越來越明顯,如圖6所示。孔的表面粗糙度降低,孔的尺寸精度下降。Duan[12]的實驗證明孔口的毛刺體積隨著脈寬增大出現先增大后減小的現象。分析認為功率密度隨著脈沖寬度的增加而減小,導致汽化排除的部分減少,熔體增多,在出口邊緣重新凝固形成較大的毛刺。然而,如果脈沖寬度過大,功率密度將會很低,熔體體積減少,毛刺沉積減少。

圖6 不同脈沖寬度作用下的微孔剖面圖[10]

Marimuthu[14]等人的實驗探究了脈沖寬度對重鑄和氧化層厚度的影響。如圖7所示,在低峰值功率下,高脈沖寬度對激光打孔質量有負面影響。Mishra[15]的實驗證明隨著脈沖寬度的增加,激光與材料的相互作用時間變長,利于熱能在板材上的擴散,熱影響區范圍增大。

圖7 激光脈沖寬度對激光打孔特性的影響

(3)激光頻率對打孔質量的影響

激光頻率是指1 s內激光能夠發出的脈沖個數,激光頻率會影響到激光打孔時的熱輸入。對打孔速度有著重要的影響。

Bandyopadhyay[13]認為過低的激光頻率會導致激光打孔的速度過慢,而當脈沖頻率過高時,材料去除率增加,使得孔徑變大。但是下孔徑受到頻率的影響更大,反而會使錐度減少。Duan[12]發現高頻率會產生較多的毛刺,但這是有限度的,當頻率繼續增加時,毛刺的強度不足以支持其進一步增長,毛刺會破裂。

Marimuthu[14]等人研究了激光頻率對打孔質量的影響,如圖8所示。較高的平均功率對重鑄層厚度和氧化層厚度有負面影響。這應該是由于在高平均功率下材料過度熔化所致。Mishara[15]發現隨著激光頻率的增大,熱影響區的范圍是先減小后增大的。

圖8 激光頻率對激光打孔特性的影響

3.2 離焦量對打孔質量的影響

離焦量是激光焦點離工件表面的距離,焦平面位于工件上方為正離焦,反之為負離焦。離焦量對孔的幾何形狀有著顯著的影響,負離焦量在孔的中間位置會出現典型的重填充現象[17-18]。不同材料或不同厚度有著不同的最佳離焦量[19],且Ghoreishi[20]發現對即使同一材料同一厚度打孔,最佳離焦量也會因為其他打孔參數的變化而變化,如圖9所示。不恰當的離焦量會導致較大的錐度與較厚的重鑄層,因此離焦量要結合實際實驗設定。

圖9 輔助氣體壓力與離焦量對孔錐度的影響[20]

3.3 輔助氣體對打孔質量的影響

輔助氣體在激光打孔起到了非常重要的作用,Bandyopadhyay[13]的實驗表明使用O2作為輔助氣體同等條件下得到的孔徑更小,出現這種現象的原因可能是當輔助氣體為O2時,反應放熱顯著提高了鉆孔可用的總能量,從而增加了金屬蒸發對材料去除過程中的占比,噴射熔融材料對孔壁的侵蝕減少,導致較小的孔徑.

Marimuthu[14,21]等人的實驗證明O2作為輔助氣體產生的孔顯示出極好的表面輪廓,且含有較少的重熔層,如圖10所示,并且O2為輔助氣體打出的孔疲勞性能更好。Okasha[22]發現在銳角度打孔中O2作為輔助氣體的優勢更加明顯。綜合來看,打孔時應盡量選用O2作為輔助氣體,沒有條件時也可以使用壓縮空氣代替。

圖10 輔助氣體成分對激光打孔的影響

Okasha[22]在實驗中發現孔的入口直徑隨之氣體壓力的增加而減小。Chien[23]注意到較高的氣體壓力會使重鑄層的厚度減小。當選用氧氣作為輔助氣體時,稍高的氧氣壓力可以確保有足夠的氣體分子流到工作區[24],用于熔融金屬的氧化。氧氣反應放出的熱量將為打孔時提供更多的能量。金屬氧化物的形成也將提高光束耦合效率,這可以增加激光的吸收率。但是,過高的輔助氣體壓力會延長鉆孔時間,可能會產生較厚的重鑄層。

3.4 激光光源的影響

現如今除了常見的Nd∶YAG激光器以外,還有一種新興的激光器正在發展起來,這就是光纖激光器,與傳統的固體激光器相比,光纖激光器是整體化結構,大大提高了設備可靠性；同時,光纖激光器輸出的激光光束質量好且穩定,有更高的加工質量[25]。

Marimuthu[26]等人研究了Nd∶YAG與光纖激光器的激光輪廓發現YAG激光光束的形狀隨激光束功率發生顯著變化,這可能是由于 Nd∶YAG棒的熱透鏡效應。而光纖在整個功率范圍十分均勻,并以均勻的禮帽輪廓出現,如圖11,12所示。Rihakova[27]等人分別采用了Nd∶YAG與光纖激光在氧化鋁陶瓷上打孔,結果表明,光纖激光器由于其小光斑和更好的光束質量以及高功率和能量密度可形成更小的孔,孔的表面更加光滑。

圖11 焦點處的典型Nd∶YAG激光光束輪廓隨功率變化圖[26]

圖12 焦點處的典型光纖激光光束輪廓隨功率變化圖[26]

4 總 結

(1)準連續波激光包括ms與μs激光,相比其他激光準連續波激光能夠更好的在工業中快速的打出高質量的孔。

(2)激光能量過大會產生大孔徑與厚重鑄層,但對孔錐度影響不大。脈沖寬度對孔的入口直徑影響不大,但脈沖寬度越大孔的出口直徑越小,因此會導致錐度的增大,過大的脈沖寬度會導致重鑄層的增厚。脈沖頻率的增大會導致入口孔徑與出口孔徑的同時變大,對錐度沒有大的影響,但是頻率過高會導致重鑄層的增厚。

(3)離焦量對激光打孔質量的影響較為復雜,受到其他因素的影響較大。

(4)O2是最為優秀的輔助氣體,可以減小孔徑,控制重鑄層的厚度,較高的輔助氣體壓力可以得到更小的孔徑,但是當輔助氣體壓力過高時反而增加重鑄層的厚度。

(5)光纖激光與固體激光相比光束更加穩定,并且具有更高的頻率,因此打孔速度更快,而且孔的錐度會更小,孔表面也會更加光滑。