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激光微钻技术的应用与原理

  2020-08-22         Chris         8685

在零件上打一个小孔是很常见的。但是,如果需要在硬质合金等硬质材料上钻很多直径在0.1毫米到几微米的孔,用普通的加工工具就不容易了。

在零件上打一个小孔是很常见的。但是,如果需要在硬质合金等硬质材料上钻大量直径在0.1 mm到几微米的孔,用普通的加工工具是不容易的,即使可以做到,加工成本也会很高。现有的加工工艺是利用每分钟几万转或每分钟几十万转的高速旋转小钻头加工材料,这种方法一般只能加工直径0.25 mm以上的孔。在今天的工业中,经常需要加工直径小于此的孔。例如,在电子工业中,生产多层印刷电路板需要在电路板上钻成千上万个直径约0.1至0.3 mm的孔。显然,要用上述钻头进行加工,就会遇到很大的困难,加工质量不容易保证,加工成本也不低。早在20世纪60年代,科学家们就在实验室里用激光在钢铁叶片上打孔。经过近30年的改进和发展,现在用激光在材料上打孔不再困难,加工质量也很好。钻孔整齐,无毛刺。钻孔的速度也非常快,大约千分之一秒就可以打孔。

 

激光在材料上钻孔的原理很简单(激光钻孔),方法也不复杂。

激光是如此的相干,光学系统可以将它们聚焦成直径小于1微米的微小光斑,相当于钻孔所用的“微位”。其次,激光的亮度非常高,在关注的焦点激光能量密度(每平方厘米面积能量)会很高,普通的激光,激光输出能量可高达109焦耳/厘米2,足以让材料熔化和蒸发,留下了一个小洞在材料,用钻的一个示例。

 

激光科学家也对如何使用激光“钻头”做了大量的研究。他们发现每秒有很多光脉冲的“钻头”(通常称为高重复激光脉冲)比每秒只有一个光脉冲或几个光脉冲的钻头产生的孔洞质量更好。它是这样的:当以每秒一个脉冲或几个脉冲的速度钻孔时,每个脉冲所需的激光能量是如此之高,以至于在打孔之前材料可以被加热融化。然而,熔化的材料不能充分蒸发。相反,它附近的物质被加热并蒸发。结果,孔的形状和大小不太均匀。如果使用高重复率激光器输出一个光脉冲,每个光脉冲的平均能量不是很高,但由于脉冲的宽度,功率电平并不低。所以每一个激光脉冲对材料形成少量的熔体,主要是汽化。由于在洞附近的材料被加热时几乎没有熔化,所以就没有单脉冲冲孔这样的东西。这些洞的形状和大小更有规律。


为了得到高质量的孔,必须注意激光聚焦位置的选择。焦点位置的选择原则大致如下:对于较厚的材料,激光束的焦点应位于工件内部;如果材料很薄,激光束的焦点应该放在工件表面之上。这种安排将使孔基本上相同大小上下,没有“桶”孔。

 

通过使用激光在材料钻孔,孔钻的质量不仅是很好的,尤其是大量相同的漏洞,但也确保统一的大小和形状的洞,和钻井的速度、高生产效率。因此,除了在电子工业中使用激光打孔外,许多其他工业生产部门都采用了激光打孔,如普通的卷烟过滤孔、雾化喷嘴阀门上的小孔等,也都采用激光加工。罐和瓶的颈部都有一个小孔,用于控制压缩物质(如除臭剂、油或其他液体)的流动,阀门的性能由施药器上的小孔决定。直径约为10到40微米,用其他机械加工方法不太容易做到,但可以用激光来完成,这保证了质量和速度。

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