焦點隨動對激光打孔速度的影響

馬西寧

摘要：本文建立一個簡單的數(shù)學(xué)模型，計算出平均功率300瓦，兩個激光的焦點直徑分別為0.2毫米和0.4毫米，對兩個激光的在物質(zhì)表面和焦點直徑內(nèi)穿透的速度以及對焦點的打孔速度進行了比較。研究表明，焦點位置、激光功率、輔助氣體等對打孔速度和質(zhì)量影響明顯，焦點隨動有效調(diào)整能明改善這一結(jié)果。

[關(guān)鍵詞]焦點隨動激光打孔速度影響

1激光打孔概述

激光打孔是我國第一個采用的激光加工技術(shù)，廣泛用于生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品。由于其在重復(fù)性、效率、廣泛可加工和低成本方面的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。在現(xiàn)代加工技術(shù)中，激光打孔是一種極為復(fù)雜的熱耦合工藝，包括激光和材料的熱、氣體和輔助材料的流動等。激光鉆孔是一種很復(fù)雜的過程，通過材料和材料內(nèi)的熱傳動進行輻射。此外，由于材料的多樣化、激光參數(shù)的多樣化和工藝參數(shù)的多樣化，在鉆探過程中可以選擇的各種工藝參數(shù)結(jié)合在一起。

目前的激光打孔工藝方法有許多種，打孔的材質(zhì)和厚度也多種多樣，每種材料都有特定的最佳加工參數(shù)。無論如何，增加鉆探速度和縮短鉆探時間的方法已經(jīng)成為一個重要的研究因素，影響鉆探設(shè)備速度的過程參數(shù)很多，包括激光能量、激光脈沖頻率，以及脈沖寬度和焦距。

激光束屬于高斯光束，其特點是相干性和直線傳播，隨著傳輸距離的增加和光斑直徑的增加而縮小了光束中心的寬度，從而導(dǎo)致垂直方向每一"部分的功率密度逐漸降低。激光束固定時鉆孔深度增加時，鉆孔速度隨之下降。激光打孔的應(yīng)用研究表明，焦距和脈沖寬度對孔形有著密切的聯(lián)系和影響。本文研究了焦點隨動對鉆孔工藝的改進，即當(dāng)洞穿透材料內(nèi)部時，焦點如何向內(nèi)移動，同時將焦點保持在材料的固態(tài)液體界面附近，通過研究穿透速度的變化，研究激光能量和焦距的變化。

2激光切割切割質(zhì)量的影響

2.1焦點位置的影響

焦距是激光焦點和物質(zhì)表面之間的距離，調(diào)整焦距以直接影響物質(zhì)表面處理的粗糙性、裂縫寬度以及熔融殘留物的粘合程度。切片底部的熱量吸收會增加，斷裂速度和輔助氣體壓力可導(dǎo)致縫隙附近的切割材料和熔化材料以液體形式流到底部，而冷卻后熔化的材料則以球形形式浸入底部。如果焦點滯后，切碎材料的薄膜吸收熱量會減少，使縫隙的材料不會完全融化，材料表面會被一些小的鋒利殘留物粘住。

2.2切割速度的影響

在激光切割過程中，切割速度對切割材料的質(zhì)量有重大影響，理想的切割速度導(dǎo)致切割的表面有更穩(wěn)定的線條，并使材料的底部沒有任何殘渣。通常來講，當(dāng)切割速度慢時，激光切割時間延長，從而增加縫紉的寬度，生產(chǎn)效率也會大大降低。反之則加工時間縮短，從而減少了熱擴散和傳熱效應(yīng)，相應(yīng)地減少了縫隙的寬度。當(dāng)超速時，由于切斷的熱量投入不足，切割的材料難以辨認，無法及時提取材料。

2.3激光功率的影響

激光功率的大小可對速度、寬度、厚度和切割質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，所需功率的大小取決于材料和切割裝置的特性。例如，高熱性能和高熔點材料在被切斷的過程中需要更大的激光能量。大部分情況下，激光切割工藝通常需要優(yōu)化參數(shù)獲得最佳的激光功率，以此來達到最高的切割質(zhì)量，而進一步降低產(chǎn)生的殘渣或切割不足，提高加工質(zhì)量。此外，當(dāng)輸入電壓升高時，激光切割工藝的質(zhì)量也會下降。隨著輸入峰值功率的增加，激光強度也隨之增加，從而使光斑直徑相應(yīng)增加，縫隙寬度相應(yīng)增加。隨著脈沖寬度的增加，激光的平均功率增加，激光縫隙的寬度也增加。

2.4輔助氣體的影響

在激光切割過程中，調(diào)整輔助氣體的壓力和流量有助于切割過程中使殘留物去除，并使切割的熱撞擊區(qū)冷卻，既提高加工質(zhì)量，又減少了熱效應(yīng)。常用的輔助氣體包括氧氣、壓縮空氣、氮氣和其他惰性氣體，對于某些金屬和非金屬材料，通常使用惰性氣體，對于需要切割的金屬材料，則使用活性氣體（如氧氣），這些氣體會激活金屬表面。當(dāng)切割輔助氣體的壓力過大時，所使用的金屬表面的活性氣體可能會使金屬表面氧化加重，反而削弱了處理熔融材料的能力，導(dǎo)致縫紉變大，材料表面變薄。當(dāng)氣壓低的情況下，材料下面的加工面殘渣會去除不凈。在實際生產(chǎn)中，不論采用何種加工方法，最終工藝的質(zhì)量都會影響激光切割工藝質(zhì)量的影響?？梢杂行У乜刂坪痛_保切割的質(zhì)量

3打孔速度模型

在激光鉆探過程中，脈沖激光投射到一個特定的物質(zhì)區(qū)域，形成一個熔化層，逐漸擴散到物質(zhì)內(nèi)部，同時將輔助氣體注入孔口內(nèi)，以便將熔化的物質(zhì)送出。

（1）被去除的物質(zhì)被蒸發(fā)，全部以液體

形式釋放;

（2）忽略輻照的熱量;

（3）不考慮氣體和物料的溫度;

（4）工藝過程中產(chǎn)生的熔化完全由輔助氣體去除。那么材料的融化速度就是材料去除的速度，設(shè)為Vm，計算公式如下所示：

其中，a為金屬材料對光的吸收率，I為激光功率密度，c為材料的比熱容，p為材料的密度;△Tm為熔點溫度和環(huán)境溫度差，Lm為熔化潛熱。

4激光的能量分布

4.1基模高斯光束

一般來說，在激光的基本輻射場中，橫向截面的寬度與高斯函數(shù)是一致的，工業(yè)生產(chǎn)中使用的大多數(shù)激光器基本上是高斯光束。在傳播的過程中，光束的最小工作半徑被稱為帶，越小光斑的發(fā)散越快，反之就越慢。當(dāng)光束中心寬度較小，光束傳輸方向垂直橫截面內(nèi)的激光功率密度隨著光束距離的增加而減少。

4.2不同截面內(nèi)的功率密度

功率密度為功率與光斑面積之比，表達式如下所示：

其中，P為激光功率，R為光斑半徑。已知光斑半徑R會沿著光束傳播方向逐漸變大，設(shè)光束沿z軸傳播，則距離焦點位置任意距離的光斑半徑R（z）可以用下式表示：

5計算結(jié)果與分析

在研究的過程中，使用基本模型高斯光束，這一過程中使用的激光束直徑在0.1至0.4毫米之間，測出了距離焦點上下10mm的光斑直徑，如圖1所示。

從圖1中可以看出，激光直徑越小，散射角越大。橫向部分的焦點點直徑為0.1684毫米，距離激光焦點的距離為0.212毫米。由于光斑直徑較小，可能會導(dǎo)致輔助氣體和加工物質(zhì)之間發(fā)生強烈的相互作用，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定以及無法控制，甚至造成“爆炸洞”。所用光束計算出直徑為0.2毫米和0.4毫米的光東的功率密度，當(dāng)焦點直徑為0.2mm的激光對應(yīng)的是焦點直徑為0.4mm的激光。

當(dāng)焦點移動時，打孔的穿透速度也隨之變化。因為焦點隨著材料表面的深度而增加，這就意味著在材料中，光斑在任何時候都起作用，因此速度不變。隨著固定聚焦距離的增加，鉆探速度逐漸下降，但直徑為0.2毫米的射線的鉆探速度比0.4毫米的射線要慢得多，所選擇的鉆探速度模型沒有考慮到熔化和金屬蒸汽過程中的激光覆蓋率，因此兩種激光器的總體速度在實際過程中都可能下降。當(dāng)光源移動時，它可以有效地提高鉆孔速度，因為激光能量在該節(jié)內(nèi)的分布不均，而不在光斑中心的激光可能無法熔化材料。

6結(jié)論

（1）焦點隨動是為了避免由于高斯光束傳導(dǎo)方向的擴展而造成的功率損失，同時保持照射區(qū)的最大功率，提高鉆孔速度，并減少鉆孔時間。

（2）激光鉆孔是一個極為復(fù)雜的熱耦合過程，其中包括激光和材料的熱作用、輔助氣體與材料的對流等。在板材厚度較高的情況下，采用負焦水平平均鉆孔速度較快，鉆孔時間也比采用正焦水平時短。

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