09074051(戴保建)毕设终稿-

中南民族大学毕业论文（设计）学院： 电子信息工程学院 专业：光信息科学与技术 年级： 题目： 激光Al材料微孔加工研究 学生姓名： 戴保建 学号：09074051 指引教师姓名：陈涛 职称： 副专家 年 月 日中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指引下独立进行研究所获得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不涉及任何其她个人或集体已经刊登或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承当。作者签名： 年 月 日 注：本页放在学位论文封面后，目录前面目 录摘要1Abstract11 绪论22 激光打孔的概述22.1 激光打孔技术国内外的发呈现状22.2 激光打孔的将来发展趋势32.3 激光打孔的特点33 激光打孔原理43.1 激光束的特点43.2 材料对激光的吸取及其影响因素53.2.1 金属对激光的吸取63.2.1 非金属对激光的吸取73.3 激光打孔基本原理73.4 激光打孔方式的分类103.4.1 复制法113.4.2 轮廓迂回法114. 激光打孔光学系统125. 激光打孔实验及成果分析155.1 脉冲能量对激光打孔的影响165.2 焦点位置对激光打孔的影响175.3 激光脉冲次数对打孔的影响195.4 脉冲反复频率对激光打孔的影响195.5 实验结论分析206 总结21道谢22参照文献22 激光Al材料微孔加工研究摘要：激光打孔具有精度高、合用性强、效率高、成本低等长处，在航空航天、机械制造、电子制造等领域被广泛应用，是现代加工技术的重要发展方向。本文一方面简介了激光打孔国内外发呈现状，随后结合材料对激光的吸取从理论上具体分析了激光打孔的基本原理，并对激光打孔方式以及激光打孔的光学系统做了简朴分析。光学系统中采用了扫描振镜系统，通过实验对激光打孔的工艺进行了分析和研究。在实验中分别对激光打孔中激光脉冲能量、脉冲次数，脉冲反复频率和离焦量等参数对打孔质量的影响进行了分析，再综合实验成果拟定出了最佳的打孔工艺参数,最后在Al材料上打出了1010的阵列微孔，孔的直径约为28m。核心词：激光打孔 扫描振镜系统 打孔质量 工艺参数Study on laser micro drilling of aluminum material Abstract：There are has many advantages for laser drilling, such as the high accuracy, the good commonality,the high efficiency and low cost.As advanced manufacture technology of micro-machining, it has been widely used in many areas including aerospace, mechanical and electronic manufacture industry. First of all, this paper introduces the laser drilling technology development in domestic and abroad. Secondly, the fundamentals of laser drilling interactive regulation between laser and material related absorptive are .analyzed theoretically. The different way and optical system of laser drilling are discussed. A computer controlled F-theta scanning galvanometer and DPSS green has been used for the laser drilling system. The laser drilling experiment have been studied. In the experiment, the effect of the laser drilling quality for laser processing parameters were investigated such as pulse energy ,pulse number, ,pulse repetition rate and focusing position. The optimized laser drilling parameter is fond through the experiment study. Finally the good quality 1010 array 28m holes are finished in 0.5mm thickness Al materials. Keywords： laser drilling F-Theta scanning galvanometer drilling quality processing parameter1 绪论1960年世界上第一台红宝石激光器问世，1962年就率先应用于对刀片的打孔，开创了激光打孔应用的先例。近年来，随着现代科学技术的高速发展，在航空航天1、机械制造、电子制造等各类装备中都规定小孔和微小孔，以及群孔的加工。例如人们对电脑、手机等追求朝着轻、薄、短、小便携式发展，这在产品的生产过程中需求越来越小的孔，越来越精密的孔。老式的加工措施如机械钻孔，EDM，ECD等很难满足日益高规定的孔加工，而激光束具有非常高的亮度，几乎可以对任何材料进行加工。并且，激光打孔2具有不需要加工工具、加工速度快、表面变形小等优秀特性。因此，在工程领域受到广泛的注重。由于激光打孔过程的复杂性以及打孔受到材料自身及激光参数等多种因素的影响，势必会影响孔的质量。面对日益高规定的孔加工，研究激光打孔时各项参数对孔质量的影响有着实际重大意义。因此，在进行理论分析的同步，还要在材料上进行打孔实验与其成果相结合来提高打孔的质量以满足工业上对孔质量的不断提高。本论文将先简介激光打孔的发展及将来发展趋势，再简介激光打孔的基本原理。而Al材料为高反材料，因此分析研究材料对激光的吸取也是必不可少的。最后结合在Al材料上进行的打孔实验成果进行具体讨论分析。2 激光打孔的概述2.1 激光打孔技术国内外的发呈现状1960年世界上第一台红宝石激光器问世，1962年就率先应用于对刀片的打孔，开创了激光打孔应用的先例。国内在60年代初就开始研究激光打孔技术，一方面在钟表中的宝石轴承中进行了激光打孔研究。70年代，美国伯罗兹公司的电子元件分公司运用激光在某焚光屏的厚为76.2m的金属阴极上精确地打出16000多种直径为50.8m的微孔。80年代的中后期，以美国、德国为代表的工业发达的国家已将激光加工深微孔3技术大规模的应用到飞机制造业等行业。进入90年代，国内外激光加工机生产技术日趋完善，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。以来，随着国内制造技术的不断发展，激光加工技术在制造领域的应用得到了迅速的发展。近来几年，国内激光加工领域发生很大变化，已经由本来的轻工行业向电子、机械及汽车制造、航空航天等行业不断转变。2.2 激光打孔的将来发展趋势激光打孔技术已有几十年的发展历史，由最初的易加工材料到目前的难加工材料，由最初的简朴加工到目前的复杂加工。现代工业的高速发展，势必对打孔技术有更高的规定，对将来的发展趋势重要体现为：激光打孔将更迅速，更高效4；激光加工孔的孔径将不断减小，深度将不断增大；激光加工越来越复杂的异型孔等。随着光学、机械技术以及计算机技术的不断发展，激光打孔技术将会越来越成熟，其应用也会越来越广泛。2.3 激光打孔的特点激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的重要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而老式的加工措施已不能满足某些工艺规定。而激光束具有很高的功率密度，几乎可以对任何材料进行加工，相比老式的EDM、ECD等加工措施，激光打孔具有如下长处5：（1）激光打孔属非接触加工，没有一般钻头打孔时产生的钻头磨损、断裂及损坏。老式的机械打孔法对硬性材料时，要常常更换磨损的刀具，既影响效率，又增长了加工成本。（2）几乎所有的材料均可用激光打孔，无论是金属或是非金属（如陶瓷、玻璃、石英等），特别是在高硬度、脆性材料上打孔具有优越性，且打孔速度快、效率高、没有污染。被加工件的氧化、变形、热影响区也非常小。（3）激光能打微型孔（孔径可达微米至亚微米级），也可打深孔和深径比（孔深和孔径之比）很大的孔。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一种重要指标，对于用激光束打孔来说，激光束参数较其她打孔措施更便于优化，因此可获得比电火花打孔及机械钻孔大得多的深径比，一般机械打孔深径比不超过10:1，激光打孔可以达到100:1以上。（4）激光打孔以便灵活，易对复杂形状的零件打孔，也可在真空中打孔。（5）激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。由于激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光机电一体化，使得激光打孔过程反复上千万次而精确无误。结合激光打孔孔径小，深径比大的特点，可以高效地制作出小孔径、大数量、高密度的群孔板。激光加工出群孔板的密度比机械钻孔和电火花打孔的群孔板高13个数量级。（6）激光可以加工工件与工件表面成60900角的小孔，虽然是在难以加工材料上打斜孔也很容易。对于机械打孔和电火花打孔此类接触式打孔来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜面上打小孔是极为困难的。倾斜面上的小孔加工的重要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。如果为高强度，高硬度材料，打孔几乎是不也许的。但是激光打孔也存在一系列的问题，激光打孔中会存在重铸层以及微裂纹，由于激光打孔收到多种工艺参数的影响，激光打孔的反复稳定性较差，孔表面会有熔融残渣等问题。3 激光打孔原理3.1 激光束的特点激光与材料互相作用就是运用了它的优秀特性，如高亮度、方向性、单色性和干涉性好等。激光束的重要特性参数是光束的发散角和束腰半径。在抱负状况下，这两个参数的关系为6： （1）由（1）式可知，在波长一定的状况下，是一种常数。在“抱负”的光的传播过程中，这个关系是永远对的的。而在实际的加工过程中，光束永远不也许是抱负的，这就存在一种用来比较真实激光束和抱负激光束之间的参数M2，这样真实的激光束的就变成为： （2）式中M2激光束的质量因子。在聚焦光路中，激光束的发散角通过透镜聚焦变化后，其值为： （3）式中： 通过激光聚焦镜的光束发散角 激光束束腰半径 聚焦透镜的焦距这样就得到了最小的聚焦尺寸： （4）式中激光束的聚焦半径。由（4）式可知，要得到小的光斑尺寸，需要好的光束质量，短的波长和短焦距的聚焦透镜。激光束在聚焦时尚有一种非常重要的参数，聚焦深度。聚焦深度 可按下式估算5： （5）焦深示意图如图1所示：图1 透镜聚焦时焦深示意图这里要阐明的是，多种资料文献中对聚焦深度的截取位置各不相似，有些是以从束腰向两边截取至光束半径增大5%处，此时聚焦深度为；此外有些是以光轴上某点的光强降至激光焦点处的光强一半时，该点至焦点的距离作为光束的聚焦深度，此时有。从上面可以看出，光束的聚焦深度与入射激光波长和透镜焦距的平方成反比，与成反比，因此要获得较大的焦深，就要选择长焦距透镜。在激光打孔中，需要一定的焦深，在焦深范畴内，激光功率密度基本相似。要减少孔的锥度，需要较大的焦深。因而选择合适的焦深对于加工孔的质量具有重要意义。3.2 材料对激光的吸取及其影响因素激光照射到材料表面时，由于光波的电磁场和物质的互相作用，将产生反射、折射和吸取，这一过程应当满足能量守恒定律，即： （6）式中，R为材料的反射率，A为材料的吸取率，T为材料的透射率。当激光沿X方向传播，照射到材料上被吸取后，其强度满足关系式： （7）式中，I为激光被材料吸取后的强度，I0为入射光强度，此式称为布格定律。由此可见，激光在材料内部传播时，强度按照指数衰减，其衰减限度由材料的吸取率R决定，即物质同激光互相作用重要取决于材料对该种波长激光的吸取率的大小。材料对激光的吸取率除了取决于材料的种类外，还与激光波长有关。R及A的值可由材料复数折射率的测量值进行计算。材料的复数折射率为: （8）其中为复数折射率的实部，即一般所说的媒质的折射率；而虚部为消光系数；根据菲涅耳公式，当激光垂直入射到平板材料时，激光的反射率R为： （9）对于不透明材料，材料的透射率T=0，则有，从而： （10）材料的吸取率A也可由下式给出： （11）式中，为消光系数，为入射光波长。当激光斜射至平板材料时，垂直于入射面的S分量的反射率为： （12）平行于入射面的P分量的反射率为： （13）式中，n1和n2分别为媒质的折射率，和分别为入射角和折射角。当时，光线垂直入射，此时： （14）由上可知，材料的吸取率R重要与激光作用波长、材料温度，入射光偏振态、激光入射角和材料表面状况有关。一方面由（11）式可知，吸取率是波长的函数，随波长的变化而变化，一般状况下，照射光的波长越短，吸取率越大。另一方面，当温度变化时，材料对激光的吸取率也随之变化；温度升高，材料的吸取率增大。激光功率越大，使材料的温度上升得越高，则材料的吸取率也越大。此外，若入射的激光为垂直于入射面的线偏振光，反射率R随入射角的增大而增大，而吸取率A随着入射角的增大而减小；若入射光为平行于入射面的线偏振光，则反射率R随着入射角的增大而减小，吸取率A随着入射角的增大而增大。一般状况下，材料的表面越粗糙，反射率越低，材料对光的吸取率越大，并且在激光加工过程中，由于激光对材料的加热，存在表面氧化和污染，材料对光的吸取将进一步扩大。3.2.1 金属对激光的吸取金属为导电媒质，内部有诸多被束缚的电子，当激光照射到金属表面上，这些电子收到电磁波的逼迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波，透射部分在很薄的金属表层被吸取。由于反射率和透射率随波长变化，因此在加工过程中，为了有效运用激光能量，应当根据不同材料选择不同波段的激光。3.2.1 非金属对激光的吸取非金属与金属不同，它对激光的反射率比较低，而吸取率比较高，同步非金属的构造特性也决定了它对激光波长具有强烈的选择性。非金属材料的导热性很小，在激光作用下，不是依赖自由电子加热。长波长（低频率）的激光照射时，激光能量可以直接被材料晶格吸取而使振荡加强。短波长（高频率）的激光照射时，激光光子能量高，鼓励原子壳层上的电子，通过碰撞传播到晶格上，使激光能量转化为热能被吸取。图2为几种材料对激光的吸取随波长变化的关系图：图2 波长和光学吸取深度的关系图由此图可知，对于大部分金属而言，光学吸取随着波长的增大而减小；对于非金属而言其光学吸取随着波长的增大而增大。本次实验的加工工件是高反射的Al材料，由以上分析可知，应当采用波长较短的激光器进行打孔实验。3.3 激光打孔基本原理激光打孔是通过聚焦透镜将激光光斑聚焦7到极小的半径后照射到被加工工件上。激光具有极高的功率密度，以及较好的相干性，使得工件被照射部位瞬时的到高的热能，温度可到到上万摄氏度，激光光能转化为的热能在工件表面上达到和超过材料的熔点，材料发生熔化；当达到热能达到和超过材料的汽化潜热，材料汽化随之发生。此时，材料已被熔化甚至汽化，熔体温度的不断升高同步随着着熔化物和汽化物从熔体底部向外喷射，从而达到清除材料，进行打孔的目的。激光打孔机的基本构造涉及激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作盘，其基本构造示意图如图3所示。加工头将激光束聚焦在材料上需要打孔的位置，合适选择各加工参数后，通过激光发出的光脉冲就可以加工出所需要的孔。图3 激光打孔机的基本构造示意图在如图4所示的激光打孔几何原理简图中，激光器输出的光束直径为D，发散角为，通过会聚透镜在材料表面上聚焦，其会聚角即会聚后激光光束发散角为2，激光束腰半径为，在时刻的底面半径为，孔深为，则有： （15）考虑材料从孔底蒸发，而熔化的液体从孔壁流走，时刻的能量守恒方程为： （16）式中，为蒸发汽化比能，为熔化比能，其单位为。左边表达时刻激光提供的能量增量，右边第一项为孔底蒸发消耗的能量增量，第二项为孔边熔化消耗的能量增量，在此方程中忽视了热传导作用。设常数，在初始条件，下，联立方程试（15）和（16），在时，可以给出和的体现式如下： （17）图4 激光打孔几何原理简图时，则为8： （18）事实上，相对孔深可以写为： （19）其中， （20） 由式(18)可以看出，越小，对于获得小直径的孔深越有利。在聚焦系统中，由式（21）决定： （21）式中，为激光发散角，为激光介质端面到焦距为的光学系统前焦点之间的距离。当时，是获得最小直径孔深的最佳条件，并且可以用一中称为圆柱光管的光学体统来实现这一条件，这种光学系统可以在焦平面和工作物质震荡端面的影像面之间获得圆柱光管。在这种状况下 （22）一般状况下，在凹坑形成某一深度时，由于激光束聚焦而在凹坑底部发生通量密度减小，这一现象在能量为E的无多次脉冲打孔时，导致孔存在极限尺寸： （23）式中，为脉冲将要结束时建立起准稳定蒸发态的阈值能量密度。3.4 激光打孔方式的分类激光打孔方式的发展可用图5形象地表达：图5 激光打孔方式的发展图总的来说，激光打孔方式14可分为两大类：即复制法又叫冲击打孔法和轮廓迂回法。下面具体简介这两种措施。3.4.1 复制法复制法涉及单脉冲打孔和多脉冲打孔。单脉冲打孔存在诸多难以控制的因素。例如：汽化的材料从孔道中喷出时对激光照射的无规则屏蔽及散射；液态金属材料未被喷射带走，在表面张力作用下的再凝固等。因而单脉冲打孔时往往在薄板零件打盲孔时采用。加工深孔时常常采用多脉冲打孔，用多种低能脉冲打深孔，比用单个高能脉冲更有效，多脉冲打孔可使孔的锥度小，轮廓清晰，打孔时应通过变化脉宽来控制孔的锥度，减小等离子体屏蔽。并且可使工件上能量的横向扩散减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够的热量沿着孔的轴向扩散，而不被材料的表面吸取。3.4.2 轮廓迂回法轮廓迂回法涉及回转法、套塑法以及螺旋打孔。加工表面形状由激光束和加工工件相对位移的轨迹决定。在加工较大孔径时，一般采用轮廓迂回法，可以采用回转法及套塑法加工。所谓回转法，即工件绕以偏离激光聚焦斑点中心距离D/2的一轴回转。当回转速度较慢（相对脉冲激光发射频率而言）时，相称于切割。回转一周，在工件上就切下一种孔径为D的孔。图6为回转法加工示意图。图6 回转法激光加工 所谓套塑法，就是采用锥形聚光透镜，把激光束聚焦成一种圆环而不是一种斑点。用一种或者几种脉冲把聚焦环中间部分的材料切除在材料上形成孔。采用此法，规定激光束具有足够大的能量。直径不小于1.5mm的孔可以采用套塑法打孔，激光套塑打孔最适加工直径为0.53mm的小圆孔（深径比为10：1，最大深度为8mm），可节省工时30%。图7为回套塑法加工示意图。 图7 套塑法激光加工根据前文分析及实际联系，本次实验选择用多脉冲冲击打孔方式。实验是需要在500厚的Al材料打阵列群孔，多脉冲打孔具有其独特的优势切可以满足实验的规定，并且多脉冲打孔时效率较高，故而综合考虑后选择用该方式进行实验研究。4. 激光打孔光学系统激光打孔用光学系统的重要作用有两点：一是使激光通过扩束准直系统传递到材料的加工区域；另一点是激光通过聚焦透镜聚焦后达到足够高的功率密度，从而实现对材料进行打孔加工。光束传导的具体过程如下：1、 当激光器发出光束后，由光学系统中的450棱镜或者全反镜变化激光的输出方向，将激光引导到指定的加工点上。2、 激光器发出的光束通过聚焦透镜聚焦后，可以得到极高功率密度的激光光斑，最后用这种高功率密度的激光在材料的指定打孔位置上进行加工。由此可知，一种合理的光学系统对激光打孔有着至关重要的作用。光束聚焦原理简图如图8所示：图8 光束聚焦原理简图1. 观测与定位光学系统一台激光打孔设备的光学系统，除了激光谐振腔和激光参数变换系统外，还涉及对被加工工件的显微观测和激光瞄准定位装置，以保证打孔位置的精确13，并检测打孔状况。在加工中只是起到辅助作用，并不会变化激光束的参数。为了保证观测者的眼睛不受到伤害，观测和打孔通过控制光阑或者控制激光器点源交替进行。为了同步观测孔的成型状况，也可以用CCD成像元件替代人眼，通过显示屏的观测并实时调节设备的工作状态机，使得人眼彻底避免受到伤害。2. 激光束参数变换系统要达到精密打孔的规定，激光束在达到被加工工件表面时一般要通过几种环节的变换。其中常用的器件有光阑、准直扩束望远镜、聚焦系统等。1） 光阑光阑在激光器谐振腔中有选模、限模的作用，此外也有控制变化脉冲能量的作用。特别是在微孔加工中，它有着核心的作用。光阑制作材料多用耐高温或者导热性能好的材料，如钼、铜等，以避免小孔边沿被激光烧坏。光阑的放置规定与激光束精确同轴，否则会影响激光束的能量和孔的圆度。2） 准直扩束望远镜采用准直扩束望远镜系统目的是减小激光束的发散角，从而 可以把光点聚焦得更小，实现微孔加工。激光束发散角通过扩束望远镜系统变换后可以写为9： （24）式中M是扩束望远镜的放大倍数。而聚焦光斑的直径可以写为： （25）式中，为聚焦透镜的焦距。这就阐明，加了准直扩束望远镜系统后，聚焦光斑直径是本来的。3） 聚焦系统本次实验的聚焦系统选用扫描振镜加工头。扫描振镜系统是激光加工系统中重要组件之一，具有速度快及灵活性高等长处。重要配备为一种大尺寸的镜头（场镜）和二维偏转扫描反射镜。其工作原理是激光束通过X轴反射镜后反射至Y轴反射镜，在计算机控制下完毕指定二维图扫描。透镜10所起的作用是在进行大范畴扫描的时候，使得作用在工件表面的加工构造保持一致性，不随偏转角度的变化而变化11。扫描振镜打孔工作原理图如图9所示：图9 扫描振镜打孔工作原理图图10为几种镜子聚焦后的示意图： （a） （b） （c） 图10 聚焦示意图图10中（a）可看出，当入射光束有一定倾斜角度时，聚焦后焦点位置发生变化，并且聚焦后光束与工件表面有一定倾角；（b）中存在远心误差；而（c）中采用的是镜，进行聚焦可以使得聚焦后的光束与加工工件表面几乎成900角，虽然入射光束是倾斜的。由3.3节的讨论可知，获得最小孔径的孔的最佳条件是。用镜时，几乎为0，这将有助于在实验中获得小孔径的微孔。本次实验采用的激光振镜扫描系统其原则输入光斑直径为14mm，镜头的焦距为100mm，可将激光束聚焦为十几种微米的高能量光斑，从而进行高精密度的微孔加工。5. 激光打孔实验及成果分析本次实验目的是分析讨论孔质量的影响因素，得到最佳打孔参数，并在500m厚的Al材料上打出1010的高质量阵列微孔，孔径为28m，孔间距为100m。由（5）式可计算出本次实验光学系统聚焦的焦深约为360m，这对于在500m厚的Al材料上进行打孔操作足够满足规定，而不需要变化焦平面的位置。本次实验采用的是JDSU公司生产的Q202型号二极管泵浦调Q的绿光固体激光器，其基本参数如表2所示：表2 Q202激光器基本参数波长532nm输出模式TEM00模光束质量M285%光束发散角2.2mard反复率控制内部触发外部触发1KHz250KHZ0250KHz脉冲平均频率15KHz平均输出功率在15，20，30，40，50，60KHz12，13，14，14.5，14W脉冲宽度在15，20，30，40，50，60KHz5520，6525，8535，11045，13555，16065ns工作环境温度1535该激光器脉冲反复频率和平均功率的关系图如图11所示：图11 Q202激光器脉冲反复频率和平均功率的关系图由图11可知，Q202激光器的能量分布是非线性的，在40KHz频率下，激光器的功率最大，在15KHz频率下，激光器的能量最大，对孔的加工更为有利。激光束通过准直扩束系统，扩束系统放大倍数为4，通过转镜进入扫描头进行聚焦，在扫描头前加了一种光阑。此处光阑的作用是提高打孔的圆度，限制入射光斑的大小对扫描头起到一定保护作用， 合理运用光束能量等。聚焦后的高功率密度光斑在PC控制系统下对工件进行加工操作。本次实验装置简图如图12所示：图12 实验装置简图5.1 脉冲能量对激光打孔的影响激光打孔时，作用在材料上的能量密度是一种非常重要的参数，激光束焦点处的能量变化取决于激光器输出的脉冲能量的变化。因此，重要通过变化脉冲能量来控制孔深和孔径的变化。本小节重要运用JDSU公司的Q202二极管泵浦的调Q绿光固体激光加工设备在500m厚的Al金属上进行冲击打孔实验，并根据孔的外貌及清除的规律进行微孔质量与激光参数之间的分析讨论。实验中激光频率选择15KHz，功率为12W，激光单脉冲能量为0.9mJ，在无其他保护气体状况下，激光束通过扫描振镜聚焦后对Al金属进行冲击打孔，聚焦光斑直径约为18m。通过对不同能量下冲击打孔所得孔径大小的分析，发现它们之间存在一定的关系。图13为激光脉冲能量和消融孔径的实验数据图。图13 脉冲能量与孔径关系图由图13可知，孔径随着激光能量的增长而增大，当达到一定能量值时，孔径大小趋于定值。这重要因素是随着热能的扩散，离中心更远的区域虽然受到热的影响，但随着距离的增大，边沿能量越来越弱，虽说存在累积效应，但不能抵消因热扩散等因素而损失的能量，较远的区域始终不能达到材料的损伤阈值，因而烧蚀、消融现象不再发生，因此孔径会趋向于一种固定值而不再变化。5.2 焦点位置对激光打孔的影响激光辐射时焦点位置对孔的形状和它的尺寸有很重要的影响。焦点位置12指的是聚焦系统的焦距和该系统的焦平面相对于被加工工件表面的位移，我们把这个位移称为离焦量，用Z表达。定义聚焦系统的焦平面刚好在工件表面上时的离焦量Z=0；当焦平面在工件表面之上时，称为正离焦；当焦平面在工件表面之下时，称为负离焦。正负离焦示意图如图14所示：图14 正负离焦量示意图1激光束，2聚焦透镜。在实验中选择激光频率为15KHz，能量为12W，脉宽为5520ns，通过变化系统的焦点位置进行打孔实验，研究焦点位置对激光打孔的影响。图15为实验中打孔的数据图，表达了孔的入出口处孔直径与焦点位置的关系以及孔的圆度与焦点位置的关系。图15 焦点位置与孔质量的关系图由图15可知，当时，孔的出入口直径都随着Z的增大而增大，但达到一定限度后趋于平稳状态，孔的圆度随着Z的增大而减小；当时，入口直径随着Z的减小而增大，出口直径和孔的圆度随着Z的减小而增大，但到一定限度时又逐渐减小。综合分析图 中的三条曲线可知，存在一种最佳的Z点，此时孔的圆度95%，入口直径和出口直径差不多，此时的到的孔较为抱负。由图15可知，本实验的最佳Z点在-400m附近。因此，要想得到圆度较好，出入口直径差不多的孔，在打孔时需要精拟定位Z点的位置。5.3 激光脉冲次数对打孔的影响图16 脉冲次数和打孔深度的关系图激光打孔过程中，激光与材料的互相作用较之复杂，在打孔过程中孔腔的形成随着着熔融物的流动。激光脉冲的作用在即将结束时以及结束后金属液态的重新分布对孔质量有着不可忽视的影响。在实验中选择激光频率为15KHz，激光能量为12W，通过变化脉冲次数，得到脉冲次数和打孔深度的关系图，如图16所示。由图16可知，小孔深度随着脉冲次数的递增而增长。因而，与单脉冲打孔相比，用多脉冲打孔对于加工深孔是非常有利的。由图16可知，在500m厚Al材料上打通孔，大概需要25个脉冲。5.4 脉冲反复频率对激光打孔的影响单位时间内作用的激光脉冲数即为脉冲反复频率。在平均功率不变的条件下，反复频率越高，脉冲峰值功率就越小。为了获得激光脉冲的反复频率对打孔的影响，在实验中选择激光功率为12W，采用不同的反复频率对实验工件进行打孔实验。最后，得出脉冲反复频率和孔径的数据关系图，如图17所示。由图17可知，在相似的激光作用时间下，随着脉冲反复频率的增长，虽然孔径在一定反复频率段均有增大，但增长较为平缓，总体来说孔径是随着脉冲反复频率的增长而减小。由图17还可懂得，脉冲反复频率的增长对孔径的影响不是很大，这是由于孔径由一组脉冲中单个脉冲的能量、宽度等因素决定，孔的直径还依赖与激光束在加工区域的直径和散焦面的形状等。在这里除了需要考虑反复频率外，还需要考虑激光脉冲作用时间、能量、激光器参数等因素，合理选择脉冲反复频率。图17 脉冲反复频率和孔径的关系图5.5 实验结论分析通过在实验中对脉冲能量、焦点位置、脉冲数量和脉冲反复频率等因素对激光打孔质量的影响讨论分析后，综合各参数，得到最佳打孔参数：激光单脉冲能量为0.9mJ，离焦量Z=-400m，单孔脉冲作用次数25次，脉冲反复频率选择15KHZ。随后运用最佳打孔参数在500m厚Al材料上打28m孔径的孔，得到的成果如图18所示：图17 Al材料上打孔实物图图18中，左边为孔的入口，右边为孔的出口。由图可看出孔的出入口孔径相差不大，表面较为光洁，熔融残渣较少，边沿的破坏区也较小。最后再进行本实验的最后目的，在Al材料上打出1010阵列的微孔，孔的间距为100m，所得成果如图19所示：图19 Al材料上1010阵列孔样品图在观测系统下放大观测，可以发现孔的质量较为抱负，孔的圆度相差微小，孔边沿的热破坏区较小，表面只有很微小的熔融残渣，光洁度较好。再测量每个孔的入口直径和出口直径，发现入口直径相差不大，出口直径也相差不大，都在误差范畴之内。观测以上各图时存在颜色，大小等差别，是由于在拍摄这些照片时受到灯光以及观测系统的放大倍数等因素的影响。6 总结为研究激光打孔质量的影响因素，在Al材料上进行打孔操作，分析讨论了脉冲能量，脉冲次数，脉冲反复频率以及离焦量等因素对打孔质量的影响，最后得到如下结论：1. 对于0.5mm厚的Al材料采用JDSU的Q202型调Q的DPSS固体绿光激光器可以实现孔径为28m左右的较高质量微孔加工。2. 采用扫描振镜的措施可以实现单孔和群孔的加工，并且效率较高。3. 为了进一步提高打孔的质量，在此后的研究中除了优化激光器的参数外，还可以采用更短波长的激光、在加工中增长辅助气体等。道谢四年大学时光，转瞬即逝，这个夏天将是我人生的又一次转折点。在论文完毕之际，一方面要感谢生我养我的父母。是你们，为我发明了良好的学习环境；是你们始终在我身后默默地支持鼓励着我。没有你们的辛苦付出就没有我的今天，谢谢你们，我的爸爸妈妈！另一方面，我要感谢我的导师陈涛教师。感谢您始终对我无私的指引和协助，提出严格规定，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，鼓励我大胆创新，不厌其烦的协助我进行论文的修改和改善。本论文的最后完毕，得益于您的无私协助。在此，我向我的导师表达最诚挚的谢意！最后，感谢在求学征途上所有给与我协助的教师们以及始终默默支持鼓励我的朋友们，谢谢你们！参照文献1Sizov,Mikhail A.Airfilm cooling through Laser Drilled HolesM.Eindhoven:Eindhoven University of Technology,.2Uirich durr.激光打孔的工业前景.3胡凤兰，董丽君，高为国.微小深孔的激光加工J.工具技术，43(3):4244.4Jeff Hecht.超快激光打造精密加工工具.5郑启光.激光先进制造技术M.武汉：华中科技大学出版社，.12.6陈家壁，彭润玲. 激光原理及应用(第二版)M.北京：电子工业出版社，.8.7 郁道银，谈恒英. 工程光学M. 北京：机械工业出版社，1999.8魏柯，C.麦捷夫著.吴国安译.激光工艺与微电子技术M.北京：国防工业出版社，1997.9邵丹，胡兵，郑启光.激光先进制造技术与设备集成M.北京：科学出版社，.10Takashi ARAKI,Takayuki HIRAI,Tatsuya KYOTANI.Development of F-Theta lend for UV LasersJ.Sei Technical Review.,(69):5965.11左铁钏.21世纪的先进制造激光技术与工程M.北京：科学出版社，：395.12谭险峰，杨俊华，耿艳青.激光打孔中离焦量与小孔尺寸关系的研究J.应用激光， 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