激光打孔过程的半解析模拟研究

激光打孔过程是激光与物质相互作用的复杂物理过程,涉及物质在激光作用下的多种物态变化。为模拟激光打孔过程,将物质状态随加热时间的变化等效于无限大介质内部热源功率密度分布随时间的变化,采用热物性参量为恒量的无限大均匀介质中热扩散方程的解为理论工具,给出了该过程的近似数学表达式,并编制软件模拟了激光打孔的孔洞形成过程。模拟计算表明,所设计的软件能够模拟一个合乎逻辑的材料孔洞形成的过程,如果改变计算参量,则可以实现不同形状的孔洞。该研究将为工业生产中激光加工工艺的制定或激光辐照下材料的热损伤快速估计提供一种快捷的工具。     

激光打孔脉冲波形探讨

研究了打孔激光脉冲与材料的相互作用，提出一种新的深孔加工激光脉冲波形，更符合打孔过程向加工区输入能量的规律性，比常规波形脉冲更有利于打孔加工。     

短脉冲激光微孔制备的双脉冲方法研究

为了提高纳秒短脉冲激光微孔制备的加工效率,采用了一种新颖的双脉冲方法。通过时域脉冲塑形将调Q激光器产生的普通纳秒脉冲变换为具有几十纳秒脉冲时间间隔的双脉冲序列。使用这种双脉冲序列对不锈钢试件进行打孔实验,与传统单脉冲打孔结果对比发现,在一定条件下双脉冲序列能将打孔烧蚀率提高一个数量级以上。实验中研究了脉冲能量、重复频率以及环境气体压力对双脉冲序列烧蚀率的影响,并将脉冲烧蚀率提高的原因归结为材料预加热、材料溶液的加速以及瞬时准真空环境,对各种机制分别进行了讨论。结果表明,采用双脉冲方法替代普通单脉冲进行金属打孔,可以在相同能量密度,相同脉冲重复频率的情况下大幅度提高脉冲烧蚀率,为高效激光微孔制备提供了新方法。     

飞秒激光脉冲烧蚀涡轮叶片材料的仿真和实验

为研究飞秒激光脉冲对涡轮叶片材料的冲击打孔特性，使用双脉冲改写方程的激光光源项，并对涡轮叶片材料进行数值模拟，得到了镍基高温合金在飞秒激光双脉冲冲击打孔下的晶格和电子温度。通过对比单脉冲的模拟结果发现:双脉冲烧蚀情况下，材料电子和晶格出现2个峰值温度，且电子和晶格的平衡温度相比单脉冲提高345ｋ，平衡时间延长了5ps，用 美国Ray Crop生产的飞秒脉冲激光器，对镍基高温合金材料在不同的激光参数下:激光脉冲宽度、激光能量、激光频率、脉冲间隔对材料的烧蚀进行双脉冲打孔，得到孔的形貌特征，并与单脉冲打孔对比发现双脉冲打孔的质量和效率优于单脉冲。     

耦合系数对激光辐照金属材料温度场的影响

为研究耦合系数随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生的温度场分布的影响,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料金加热过程的有限元求解模型.在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和多参数同时随温度变化的情况下,计算得到了短脉冲激光辐照金属材料金激励产生的温度场瞬态分布,比较了耦合系数随温度变化和不随温度变化两种情况下...     

影响振镜扫描式脉冲激光加工速度的两个因素

为了提高振镜扫描式脉冲激光加工的速度,从振镜扫描的特点及脉冲激光加工的原理出发,分析了影响振镜扫描式脉冲激光加工速度的两个因素.结果认为:在脉冲激光加工、尤其在用脉冲激光进行多个区域的扫描加工(如脉冲激光的扫描点焊、扫描打孔等)时,在时序上合理地匹配振镜的转动与脉冲激光的开启与关闭,在一定程度上能提高激光加工的速度;还可以将激光束在时间上和空间上分光,进行多光束同时加工及多工位加工,实现宏观“同时”和微观“分时”的快速激光加工,提高激光加工设备的利用效率.     

复合激光打孔最佳匹配参量的研究

为了有效提高激光打孔的速率和激光能量的利用率，采用长脉冲激光和短脉冲激光空间叠加打孔的方法，对复合激光打孔的最佳匹配参量进行了理论和实验研究。建立复合激光打孔最佳匹配模型，以熔融物的产生和去除达到平衡为准则，理论计算得出长脉冲激光和短脉冲激光的最佳匹配参量和最佳匹配情况下的复合激光打孔速率。同时进行了毫秒脉冲和纳秒脉冲的Nd:YAG激光器复合作用于5mm的不锈钢板的打孔实验。结果表明，在实验中得到的最佳匹配参量下，复合激光打孔速率相比于毫秒脉冲激光单独打孔最大提高了3.3倍。实验和理论模型均证明了复合激光打孔在最佳匹配状态下，打孔速率达到最大，激光能量得到充分利用。     

高峰值功率自准直脉冲Nd:YAG激光加工无锥度直孔研究

利用改进的脉冲Nd:YAG激光器,对激光冲击打孔加工无锥度直孔进行了实验研究。在优化激光脉冲峰值功率和脉冲能量、辅助气压参数的基础上,通过比较实验证明,能量递增组合脉冲是实现无锥度直孔加工的有效方式,增加脉冲组合中脉冲的个数可加工出负锥度的孔;激光焦点位置是影响孔锥度的重要因素,焦点位于材料表面上方1.1~1.7 mm有利于减小锥度。在厚度为1.5,3.0 mm的镍基高温合金材料上,获得孔径分别为480,510μm的直孔,重复打孔孔径误差约30μm,孔锥度<1%。给出了可实用于激光冲击打孔的直孔加工方法和脉冲激光器,并可用于其他材料的加工。     

高温合金激光打孔穿透脉冲个数的识别

为了避免对含腔体零件内表面造成损伤以及提高加工效率,需要确定激光打孔过程中穿透材料所需脉冲个数.在对GH3536高温合金激光冲击打孔过程中,使用光电二极管对材料上表面的光信号进行检测.通过采集得到的电压信号判断材料是否被穿透,进而识别穿透时已作用的脉冲个数.研究结果表明,选取的光电二极管产生的电压信号幅值变化,可反映出...     

透明材料飞秒激光三维微制备

利用飞秒激光对透明材料进行改性和加工，制备三维微结构和器件受到极大的关注。本文介绍了在透明材料内部或表面进行微制备的方法和应用，包括利用飞秒激光诱导的折射率变化来制作光波导、光栅和耦合器等；利用材料内部的微爆炸实现三维点存储和其它三维点阵结构等；通过界面的烧蚀过程进行打孔、切割和刻蚀等；利用双光子聚合制备微透镜、光子晶体和衍射光学元件等等。     

准连续波激光打孔工艺综述

激光打孔作为在金属上制备各种大小和形状的孔的有效方法,在现代制造业中得到了广泛使用。而准连续波激光相比于连续波激光具有更低的平均功率以及更高的峰值功率,打孔过程中的热效应小,更为适合精密加工;而与短脉冲激光或超短脉冲激光相比,准连续波激光拥有更快的加工速度。因此准连续波激光在激光打孔中具有重大的发展潜力。本文总结了准连续波激光打孔时的激光参数变化对打孔质量产生的影响,以及其他工艺与打孔质量的关系。     

激光脉冲和工件参数对激光微孔加工质量的影响

研究了激光功率、重复频率、焦点位置以及光束质量对激光打孔质量的影响。通过调整和优化激光脉冲、聚焦光学系统和工件参数，在０．１～２ｍｍ厚的不同材料上打出孔径０．０６～０．２ｍｍ的精密小孔。利用ＴＥＭ００模激光脉冲和望远镜扩束后再聚焦的办法，加工出孔径２５～３０ｍｍ的微孔。     

日本东芝公司的激光装置

YAG激光加工装置利用YAG激光加工机进行微型加工,在金刚石、红宝石、金属、半导体上打孔,金属焊接,金属蒸发切除以及半导体、陶瓷、电阻体的切割、微调等都在不断广泛应用。采用激光加工,被加工件的性能随选定最佳加工条件的不同而有很大变化。YAG激光加工机主要采用脉冲激光。连续YAG激光可用于部分非金属加工。脉冲激光要选定最佳加工条件,其中包括脉冲能量、脉宽、脉冲波形、光斑聚集条件等各种参数。在生产线上采用这种加工存在着激光激励灯消耗维修费的问题,但目前正在设法提高泵浦来相应降低激光器运转费用。     

国内外激光精密加工的应用现状

激光精密打孔随着技术的进步，传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求。例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔：在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等，用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密度高达108W／cm^2，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，在上述材料上实现打孔。与电子束、电解、电火花、和机械打孔相比，激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光精密打孔已经达到很高的水平。     

355 nm全固态紫外纳秒激光加工蓝宝石通孔研究

采用355 nm全固态紫外纳秒脉冲激光器对蓝宝石（Al2O3）进行打孔实验。通过控制变量法，对蓝宝石样品进行了打孔加工，研究了激光能量密度、重复频率和扫描速度对蓝宝石通孔质量的影响。实验结果表明，通孔边缘熔融物堆积形成的重凝区随着激光单脉冲能量的升高而减小，但是激光能量过高时，通孔附近出现沉积物，影响通孔的质量；通孔边缘的重凝区随着激光重复频率的降低而减小；通孔附近的沉积物随着激光扫描速度的降低而减少，但是速度过低时，激光脉冲的重叠率过高，导致高斯激光外围孵化效应明显，且其能量不足以使材料气化，因此扫描速度过小时孔道边缘再次出现熔融物堆积形成的重凝区。研究结果表明，采用纳秒脉冲激光加工高质量蓝宝石微通孔是可行的。     

三脉冲激光支持爆轰波打孔实验

激光支持爆轰波在航天推进,激光微加工等领域具有广泛的应用前景。本文通过改进调Q技术,在一次氙灯泵浦的时间内输出3个强脉冲,对铝靶材进行打孔实验.研究结果表明:三脉冲激光对铝材料烧蚀,产生空洞结构,材料在三脉冲激光产生的爆轰波作用下被充分消融并向空洞结构四周扩散,沉积。     

超快脉冲有助于精细结构的加工

在过去的几年里，结构紧凑、用户满意的全团化超快激光光源取得了很大的进展，导致了许多新的、令人激动的应用。其中之一就是飞秒和皮秒脉冲应用于微型机械及材料加工．赶快脉冲的优势在于不会使入射能量显著地扩散至脉冲作用目标的周围，所以它可以广泛地应用于生物组织、绝缘体及金属的加工。激光器应用于材料加工的市场份额正在以22％的年增长率快速增长，1998年将达到10亿美元．对于非半导体激光器，材料加工拥有其应用的最大市场份额．它的应用范围包括从重工业的焊接及切割到精细结构的加工。如微打孔及微构造．传统的超大能量激光器…     

玻璃材料激光加工技术的研究进展

玻璃材料因其优良、独特的理化性能在半导体、微流控芯片、微机电系统、光通讯及光存储等新兴领域有广泛的应用。激光技术作为一种新型非接触加工方法,可以对玻璃材料表面或其内部进行高精度、高效率的微加工,在玻璃材料加工领域展现出巨大潜力。归纳了激光刻蚀、激光打孔、激光焊接及激光制备功能结构4种典型的激光加工玻璃工艺的基本原理及关键问题,指出了玻璃材料激光加工的最新研究进展、工艺水平及应用现状,其中激光刻蚀包括了激光直写刻蚀、激光诱导等离子体刻蚀与激光背部湿法刻蚀; 激光打孔包括了远红外CO₂激光打孔、超快激光打孔及改进的打孔方法;激光焊接玻璃工艺包括远红外CO₂激光焊接、纳秒激光焊接、超快激光焊接,以及激光制备表面和内部3维功能结构。同时总结了4类激光加工玻璃工艺的优缺点,分析了目前的瓶颈问题。在此基础上,对激光加工玻璃材料的发展前景进行总结和展望。     

基于正交实验的SUS304不锈钢激光打孔过程参量优化

为了优化激光打孔参量和提高激光打孔成型质量,采用正交实验法对5mm厚的SUS304不锈钢材料进行激光打孔实验研究和理论分析,测量和计算得到了激光打孔上下孔径和锥度的数据,并采用极差分析法得到了脉冲宽度、脉冲能量、重复频率、离焦量和脉冲个数等参量对小孔锥度的影响程度以及SUS304不锈钢激光打孔的最优实验参量组合。结果表明,离焦量、脉冲宽度和脉冲个数对孔锥度的影响较大,重复频率和脉冲能量的影响较小,优化后的激光参量为脉冲宽度0.5ms、脉冲能量2.5J、重复频率40Hz、离焦量0mm、脉冲个数200个。采用优化后的激光参量可加工出锥度较小的孔。     

光纤激光在微喷灌塑料管上的打孔实验

农业用的塑料微喷灌管上要加工0.3～1 mm的小孔,传统的机械冲孔方式不能很好地满足质量要求。用激光在微喷灌管材上打孔,有对材料适应性好,加工效率高,孔口无毛刺等优点, 提高了产品质量和产品种类。实验采取连续光纤激光和脉冲光纤激光对聚乙烯(Polyethylene,PE)管进行打孔,得到了激光功率与加工孔径之间的关系和能量通量与加工孔径之间的关系。最后,用连续光纤激光和脉冲光纤激光均能够加工出符合要求的孔。