雷射打孔

雷射打孔過程是雷射和物質相互作用的熱物理過程，它是由雷射光束特性（包括雷射的波長、脈衝寬度、光束髮散角、聚焦狀態等）和物質的諸多熱物理特性決定的。

基本介紹

• 中文名：雷射打孔
• 外文名：laser hole drilling

簡述

利用高功率密度雷射束照射被加工材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發形成孔洞。雷射打孔是最早達到實用化的雷射加工技術，也是雷射加工的主要套用領域之一。它在雷射加工中歸類於雷射去除，也叫蒸發加工。

隨著近代工業和科學技術的迅速發展，使用硬度大、熔點高的材料越來越多，而傳統的加工方法已不能滿足某些工藝要求。與常規打孔手段相比，具有以下顯著的優點：

①雷射打孔速度快，效率高，經濟效益好。

②雷射打孔可獲得大的深徑比。

③雷射打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行。

④雷射打孔無工具損耗。

⑤雷射打孔適合於數量多、高密度的群孔加工。

⑥用雷射可在難加工材料傾斜面上加工小孔。

雷射打孔技術

雷射打孔是最早達到實用化的雷射加工技術,也是雷射加工的主要套用領域之一。硬度大、熔點高的材料傳統的加工方法已不能滿足某些工藝要求。這一類的加工任務用常規機械加工方法很困難，有時甚至是不可能的，而用雷射打孔則不難實現。雷射束在空間和時間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得105-1015W/cm2的雷射功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實行雷射打孔，而且與其它方法如機械鑽孔、電火花加工等常規打孔手段相比,具有以下顯著的優點:1）雷射打孔速度快,效率高,經濟效益好。由於雷射打孔是利用功率密度為l07-109W/cm2的高能雷射束對材料進行瞬時作用,作用時間只有10－3-10－5s,因此雷射打孔速度非常快。將高效能雷射器與高精度的工具機及控制系統配合,通過微處理機進行程式控制,可以實現高效率打孔。在不同的工件上雷射打孔與電火花打孔及機械鑽孔相比,效率提高l0-1000倍。

雷射打孔技術參數套用：

由於雷射具有高能量，高聚焦等特性，雷射打孔加工技術廣泛套用於眾多工業加工工藝中，使得硬度大、熔點高的材料越來越多容易加工。例如，在高熔點金屬鉬板上加工微米量級孔徑；在硬質碳化鎢上加工幾十微米的小孔；在紅、藍寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模具、化學纖維的噴絲頭等。利用雷射在整個在空間和時間上高度集中的特點，經而易舉地可將光斑直徑縮小到微米級，從而獲得100~1000W/cm2的雷射功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實行雷射打孔。 通常雷射打孔機由五大部分組成：固體雷射器、電氣系統、光學系統，投影系統和三坐標移動工作檯。五個組成部分相互配合從而完成打孔任務。

固體雷射器主要負責產生雷射光源，電氣系統主要負責對雷射器供給能量的電源和控制雷射輸出方式(脈衝式或連續式等)，而光學系統的功能則是將雷射束精確地聚焦到工件的加工部位上。為此，它至少含有雷射聚焦裝置和觀察瞄準裝置兩個部分。投影系統用來顯示工件背面情況。工作檯則由人工控制或採用數控裝置控制，在三坐標方向移動，方便又準確地調整工件位置。工作檯上加工區的台面一般用玻璃製成，因為不透光的金屬台面會給檢測帶來不便，而且台面會在工件被打穿後遭受破壞。工作檯上方的聚焦物鏡下設有吸、吹氣裝置，以保持工作表面和聚焦物鏡的清潔。

雷射打孔機成果

興華雷射：繼09年熟練掌握並套用：雷射打孔設備核心技術（雷射飛型腔）世界領先技術，成為國內雷射微孔加工領軍企業，最小加工孔徑可以做到0.01MM微孔。

優點

雷射打孔機與傳統打孔工藝相比，具有以下一些優點：

（1）雷射打孔速度快,效率高,經濟效益好。

（2）雷射打孔可獲得大的深徑比。

（3）雷射打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行。

（4）雷射打孔無工具損耗。

（5）雷射打孔適合於數量多、高密度的群孔加工。

（6）用雷射可在難加工材料傾斜面上加工小孔。

（7）雷射打孔對工件裝夾要求簡單，易實現生產線上的在線上和自動化。

（8）雷射打孔易對複雜形狀零件打孔，也可在真空中打孔。

發展狀況

2001年 世界首台雙盤水松紙雷射打孔機在華工雷射問世。

雷射打孔設備

1、雷射打孔用雷射器

雷射器是雷射打孔設備的重要組成部分，它的主要作用是將電源系統提供的電能以一定的轉換效率轉換成雷射能。按雷射器工作物質性質，可分為氣體雷射器和固體雷射器。用於打孔的氣體雷射器主要有二氧化碳雷射器，而用於打孔的固體雷射器主要有紅寶石雷射器、釹玻璃雷射器和YAG雷射器。

二氧化碳雷射器有許多獨特的優點，它的轉換效率高於其它雷射器，可以為許多非金屬材料（如有機玻璃、塑膠、木材、多層複合板材、石英玻璃等）所吸收。更為重要的是，二氧化碳雷射器與其他雷射器相比，可以進行大功率輸出。當與其他技術配合時，可以實現高速打孔，最高速度可達100孔/秒，這是其他雷射器很難做到的。

雖然如此，但由於二氧化碳雷射器的對焦、調光都不方便，設備一次性投資也比較大，在雷射打孔設備中不及其他三種雷射器套用普遍。固體雷射器以其獨特的優點在雷射打孔中得到廣泛的套用。它的主要優點是：（1）輸出波長短。（2）輸出的光可用普通的光學材料傳遞。（3）整機體積小，使用維護方便，價格低於二氧化碳雷射器。

2、雷射打孔用工具機

雷射打孔用工具機簡單又通用的形式為三維工具機。兩維運動在水平面，以X、Y表示，兩坐標軸相互垂直，第三維Z軸與Z-Y平面垂直。每一維可通過步進電機帶動滾珠絲槓在直線滾珠導軌上運行，它的精度由絲槓的精度和滾珠導軌的精度確定。如果配以微處理機系統，三維工具機就可以完成平面內各種孔及一定範圍內群孔的雷射加工。當需要在管材或桶形材料進行系列孔的加工時，工具機應具有五維功能，除了前面提到的三維以外，增加的兩維是X-Y平面360度的旋轉，我們定義它為A軸，X-Y平面在Z方向上的0-90度傾斜，我們定義它為B軸。這樣多種類型的雷射打孔加工，五維工作檯都能勝任。在需要節省設備投入的情況下，可將B軸的數控改為手動。這樣既能節約資金，也基本能完成所有的打孔任務。

3、雷射打孔整機設備

歷年來，國內外雷射打孔機整機水平處在一個迅速發展的階段，雷射器輸出功率逐漸提高，脈衝寬度越來越窄，頻率範圍越來越寬，其他參數也越來越趄著有利於打孔的方向發展。導光系統和雷射打孔機的控制部分的柔性不斷提高，使得打孔範圍不斷擴大。目前國內已形成商品的雷射打孔機有幾十種，除了大專院校和科研院所之外，專門經營製造雷射設備的公司也逐漸增多。這表明中國的雷射加工正朝著產業化方向發展。

雷射打孔的套用

雷射打孔技術由於他的速度快、效率高、經濟效益好、套用領域廣的優點，在工業生產上有著非常廣泛的套用。雷射可以在紡織面料、皮革製品、紙製品、金屬製品、塑膠製品上進行打孔切割等操作。套用領域包括製衣、製鞋、工藝品禮品製作、機器設備、零件製作等。