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激光打孔的過程是如何形成的

文章出處: 文章類型:原創(chuàng) 人氣：發(fā)表時(shí)間：2018-02-26 14:25:00

激光打孔的過程是:聚焦的高能量光束射在工件上,使被加工材料表面激光焦點(diǎn)部位式中F—一焦點(diǎn)處的激光功率密度的溫度迅速上升,瞬間可達(dá)萬攝氏度以上,當(dāng)溫度升至接近于材料蒸發(fā)的高溫時(shí),激光對(duì)材料的去除加工開始進(jìn)行,此時(shí),固態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)烈的相變,最先出現(xiàn)液相金屬,進(jìn)而產(chǎn)生待蒸發(fā)的氣相金屬,隨著溫度的不斷上升,金屬蒸氣攜帶著液相物質(zhì)以極高的速度從液相底部猛烈地噴濺出來,在噴濺物中,大約有4/5的液相物質(zhì)被高壓金屬蒸氣從加工區(qū)內(nèi)排出,從而完成打孔過程,在這一過程中,金屬蒸氣僅在光照脈沖開始約10-0~10-8s內(nèi)就形成了,面用于激光脈沖打孔的脈沖寬度均大于10-10~10-8s。當(dāng)金屬材料一旦形成蒸氣噴射,對(duì)光通量的吸收特性將會(huì)產(chǎn)生很大影響。

由于金屬蒸氣對(duì)光的吸收比固態(tài)金屬對(duì)光的吸收要強(qiáng)烈得多,所以這時(shí)的光通量幾乎全部被吸收用來使金屬升溫,金屬材料將繼續(xù)被強(qiáng)烈地加熱。而且用于去除材料的光通量遠(yuǎn)比熱擴(kuò)散的光通量要大得多,金屬蒸氣流的溫度及發(fā)光亮度都有顯著提高。由此,在開始相變區(qū)域(通常為圓窩形)的中心底部形成了非常強(qiáng)烈的噴射中心。蒸氣噴射的狀況表現(xiàn)為:開始是在較大的立體角范圍向外噴,隨后逐漸聚攏,形成稍有擴(kuò)散的噴射流。此時(shí)由于相變的產(chǎn)生極為迅速,尚未使橫向熔融區(qū)擴(kuò)大,就已被金屬蒸氣“全部”搏帶噴出。激光光通量幾乎完全用于沿軸向逐漸深入材料內(nèi)部,去除內(nèi)部的金屬材料。

由于光通量總是具有一定能量的,橫向尺寸由最初的喇叭口形逐漸收斂到一定值后,便會(huì)達(dá)到穩(wěn)定不變的狀態(tài)。這種狀態(tài)一直維持到激光脈沖即將結(jié)束,這時(shí)激光光強(qiáng)開始迅速減弱,已熔化尚未被排出的液相材料會(huì)重新凝聚在孔壁上,形成再鑄層。由于再鑄層的厚度、殘留狀態(tài)及分布情況等都是無規(guī)則的,因此,對(duì)激光打孔的精度和重復(fù)性都會(huì)產(chǎn)生一定影響。

一般來講,再鑄層的形態(tài)取決于材料的性質(zhì)和激光脈沖波形的尾緣形狀,尾緣越陡,再鑄層越少以脈沖激光打孔為例,激光打孔過程可分為三個(gè)階段:前緣階段、穩(wěn)定輸出階段和尾緣階段在前緣階段,激光束最初照射在被加工材料上并開始與其相互作用,由于材料表面的反射損耗,使材料被加熱的速度較后一階段的反應(yīng)激烈程度略顯緩和,隨著熱量向材料內(nèi)部傳導(dǎo),造成周圍區(qū)域內(nèi)的材料升溫,這一階段的相變以熔化為主,相變區(qū)面積略寬,而深度較淺,激光束繼續(xù)照射被加工材料,加工進(jìn)入第二階段,由于相變使材料的吸收率增大,加熱后反應(yīng)更加劇烈,開始產(chǎn)生金屬蒸氣,熔融區(qū)面積逐漸縮小,孔形呈收斂趨勢(shì)而深度增加、隨后打孔過程相對(duì)穩(wěn)定,材料的汽化程度劇增,氣相物質(zhì)裹帶著液相材料飛濺出加工區(qū),形成了錐度較小的圓柱孔段。

最后進(jìn)入尾緣階段,激光對(duì)材料的加熱臨近終止,材料的汽化c熔化狀態(tài)即將結(jié)束,在孔形的最后階段形成了尖銳的錐形底孔?？仔纬傻倪^程如圖所示。由上述脈沖激光打孔過程可以看出,材料的熔化和蒸發(fā)是激光打孔的兩個(gè)最基本的過程,其中,提高汽化蒸發(fā)的比例可以增加孔徑的深度,而加大孔徑主要靠孔壁熔化和蒸氣壓力以飛濺的方式將液相物質(zhì)排出加工區(qū)來實(shí)現(xiàn)。

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