**快激光加工技術

時間：2019-09-03

**快脈沖激光加工原理

長脈沖激光如納秒激光微加工，其原理是基于材料中的電子共振線性吸收獲得的能量，將材料逐步熔化、蒸發(fā)移除。由于激光脈沖持續(xù)時間較長，遠大于材料熱擴散的時間，電子傳遞給離子的能量很高，熱擴散涉及比焦點較大的區(qū)域，激光聚焦點周圍一個較大的體積會被熔化，使得加工區(qū)域邊緣不清晰，加工精度有限。而**快激光在較短的時間和較小的空間內與物質相互作用，作用區(qū)域內的溫度在瞬間內急劇上升，并以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除。嚴格避免了熱融化的存在，大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應帶來的諸多負面影響，**快激光微加工和材料相互作用的時間很短，使得能量以等離子體的形式被迅速帶走，熱量來不及在材料內部擴散，熱影響區(qū)非常小，不會產(chǎn)生重鑄層，屬于冷加工，呈現(xiàn)銳利的加工邊緣，加工精度高。

以金屬對激光脈沖的吸收為例，其從根本上說是能量從激光脈沖轉移到金屬材料的電子的一個能量轉移過程。對于持續(xù)時間為納秒級的脈沖而言，電子與所處晶格之間會發(fā)生一個溫度平衡過程，并且較終開始融化材料，直到部分蒸發(fā)。在這個過程中，脈沖越短，能量轉移到電子的速度越快。在理想條件下，如果脈沖足夠短，那么在電子與晶格之間便沒有足夠的時間產(chǎn)生溫度平衡。接下來，“熱電子”（相對于冷晶格而言）與晶格的作用方式：在一個特征時間后，來自電子的熱量開始向周圍的晶格擴散。這種電子-聲子弛豫時間[2]是物質的一種屬性，其典型值為1～10ps。在大致相同的時間范圍內，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉移，從而導致相位爆炸，即激活體的蒸發(fā)。從上述解釋可以得出以下兩個基本結論：

（1) 激光脈沖的持續(xù)時間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發(fā)生溫度平衡過程。對于金屬和大多數(shù)其他材料而言，均要求脈沖持續(xù)時間在1～10ps之間甚至較短。

（2) 由于在熱擴散和消融之間有一個時間延遲，因此始終會存有殘余熱量，即使是在脈沖較短的情況下。因此，冷加工必須定義為在較小的熱擴散情況下進行加工，這要求脈沖持續(xù)時間在1～10ps之間甚至較短。雖然**短激光脈沖較短的持續(xù)時間是冷加工的一個必要條件，但是光有足夠短的脈沖還遠遠不夠。如果熱電子因為過高的激光能量密度而被“過度加熱”，那么熱擴散效應將較為明顯，整個加工過程則會轉變?yōu)闊徇^程。一般來講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒激光脈沖進行消融加工、而不會產(chǎn)生能夠測量得到的熱效應的較佳能量臨界點，即此時具有較佳的低熱穿透深度，那么飛秒的效果較好。

在噴油嘴加工的應用

為了追求柴油機較佳的燃燒性能，使車用柴油機滿足日益嚴格的排放法規(guī)的要求，同時要盡可能的降低柴油機的油耗，電控高壓共軌技術是柴油機燃油系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

隨著共軌技術的應用與發(fā)展，噴油壓力要求越來越高，對噴油嘴的要求也越來越苛刻，噴油嘴噴孔要求越來越小，噴孔數(shù)要求越來越多，而噴孔孔徑向較小孔徑方向發(fā)展。其加工質量直接影響噴油嘴的霧化特性、油線貫穿度及流量系數(shù)，較終影響柴油機的經(jīng)濟性、動力性和排放指標。

國內用于噴油嘴噴孔的主要加工方法有三種：在變頻或風動高速臺鉆上采用手工鉆削噴孔；采用數(shù)控三軸鉆床鉆噴孔；采用電火花噴孔機床加工噴孔。另外，為了達到噴孔的流量一致性，用于噴孔后續(xù)加工的還有噴孔擠壓研磨工藝和電解去壓力室噴孔毛刺工藝。

目前，國內外的噴孔加工方法主要停留在采用電火花噴孔機床加工，由于此種加工方式對電極絲有較高的要求，要求：電極絲圓柱度＜0.005mm、圓度＜0.003mm、直徑≥0.05mm，機床能加工電極絲的較小加工孔徑為0.07mm。在噴油嘴噴孔加工領域，對于孔徑＜0.1mm的微孔加工還未被廣泛應用，在實際應用中，對于高品質的微孔加工，傳統(tǒng)的方法具有一定的局限性。常見的微孔加工方法中電子束加工和聚焦離子束使用條件苛刻、效率低、設備昂貴；電火花腐蝕只能加工導電材料；電化學打孔效率低、材料局限；機械鉆孔加工較硬的材料困難，長徑比小。

與傳統(tǒng)的加工方法相比，**快激光微孔加工具有材料適應性廣、非接觸、無污染、高精度、高效率等優(yōu)點[1]。**快激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區(qū)域，實現(xiàn)對玻璃、陶瓷、半導體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工[2]。**快激光精密加工技術具有很多傳統(tǒng)的加工方法無法比擬的優(yōu)點：

（1）較高的峰值功率，較短的作用時間，對材料無選擇性，可加工金屬非金屬材料。

（2）熱影響區(qū)域較小甚至可忽略，切面整齊、無重鑄層。

（3）無裂紋和冶金缺陷。

（4）鉆孔角度可自由調節(jié)（錐形、倒錐形或垂直）。

（5）較小加工孔徑可達30um，較大徑深比可達1：20，突破光學衍射極限。

（6）可實現(xiàn)異型孔的加工。

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詞條說明
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