激光微孔加工技术及应用.pdf

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1、E孥【：：=彭论坛r1激光加工具有高质高效的优势，代表了先进制造业的发展方向。激光焊接、激光微孔加工、激光表面改性、激光增材制造等主要加工方法广泛应用于航空航天等制造业领域，呈现出良好的发展势头和潜力，我们相信激光制造时代为期不远。栏目策划：玲犀良辰钐论坛FORUM激光微孔加工技术及应用冰杨立军，孔宪俊，王扬，丁烨，张宏志，迟关心(哈尔滨m,jk大学机电工程学院，哈尔滨150001)【摘要】随着高端、精密装备的飞速发展，},-4J'1对高质量、大深径比微孔的需求越来越紧迫。基于此，介绍了飞秒激光与水导激光

2、两种加工微孔的技术，首先探讨了两种微孔加工技术的原理并且回顾了两种微孔加工技术的研究现状；然后着重讨论了激光工艺参数、打孔方式、加工环境(真空、气体、液体、化学环境)、激光与水束光纤耦合对于高质量微孔加工的影响；最后总结了两种微孔加工技术在航空航天领域的应用以及"-3前面临的问题。关键词i飞秒激光；水导激光；微孔；加工DoI：10．16080／j．issnl671—833x．2016．19．032杨立军博士盾．博导．哈尔滨工业大学机电工程学院航空宇航制造工程系党支部书记．中国光学工程学会委员．承担国家自然

3、科学基金、863计划、国防基础科研．重大专项．国家教改课题等项目多项．主要科研方向为激光微细加工．激光微纳制造，激光复合加工及板材激光诱导成形技术等。获黑龙江省科学技术自然科学二等奖2项，授权发明专利5项．发表学术论文60余篇．其中Sq／EI检索50余篇。}基金项目：国家863项目(2015AA042702)；国家自然科学基金面上项目(51275122)；国家自然科学基金面上项目(51275117)。32航空制造技术·2016年第19期我国经济经历了数10年高速发展后，正努力从制造大国向制造强国转变，不能

4、仅靠低端的制造技术以及大量的人力物力，一定要大力发展高端制造业。激光制造技术不仅能够极大地提高生产效率而且绿色环保，能够进行大量的精密加工制造。自从人们提出先进制造技术以来，激光微孑L加工技术发展极为迅速，一方面激光技术的快速发展促进了超短脉冲激光在微孔加工中的应用，如皮秒、飞秒激光器的出现，大大提高了激光微孔加工的精度，同时减小了激光加工后材料的热影响区，特别是飞秒激光器技术的发展，为微孔加工提供了新的工业应用选择；另一方面，新型工艺技术的发展为激光微孔加工技术提供了新的思路，如激光与水射流复合去除技术

5、即水导激光微细力n-r_技术，由于具有／J口T_后不存在热影响区，排熔渣更干净，加工更大的深度以及精度高、成本低等优点[1-3l，被广泛应用在微孔的精密加工领域。这些精密微孔加工技术引起了各国研究者的极大关注，在不远的将来一定会在我国国防、航空航天等领域发挥无可替代的作用。飞秒激光微孑Llnl工飞秒激光具有超快、高峰值功率的特性，几乎可以加工所有材料【4】，飞秒激光与材料的相互作用按照材料属性可以分为其与金属材料的相互作用和与非金属材料的相互作用：当飞秒激光照射到金属材料表面时，金属中包含的大量自由电子在

6、飞秒量级时间内被激光光子加热，部分区域达到气化温度被气化，但是在作用时间内晶格的温度来不及发生显著变化，对周围材料的影响极小，因此飞秒激光与金属材料的作用属于冷加工范畴，能够减轻或避免长脉冲激光加工带来的加工质量问题(如热影响区、微裂纹等)；当飞秒激光照射到非金属材料表面时，非金属材料本身不存在大量的自由电子，但是激光超强电场会使非金属材料产生大量自由电子陋。71，此后发生飞秒激光与类似金属材料等离子体的相互作用，激发电子成“气”后原子之间的结合力丧失，从而使材料去除。飞秒激光作用时材料内能量传递如图l所

7、示，现阶段飞秒激光微孔加工方式主要有空气中直接打孔f8曲】、液体中辅助打孔I“¨”以及飞秒激光与电解腐蚀复合加工”2。131等方法，其中激光空气中直接打孔由于操作简单而被广泛应用。关于飞秒激光微孑L加工的物理机制，目前研究学者们还没有形成广泛的共识，但是通过双温模型的解析和分析已经得到了一些研究成果。1974年，Anisimov等【141首次提出双温模型方程，用于分析超短脉冲激光与金属材料的相互作用，并指出在超短脉冲作用金属材料时存在电子和晶格系统的不平衡。Jiang等”5。161改进了双温方程，在计算电

8、子密度和分布时采用冲击电离和光子电离的方式进行，量化处理电子比热及热扩散时间后，对材料烧蚀阈值及加工深度的预测更加准确。Karim等¨71利用激光辐照材料激发的电子热化、电子一声子耦合传递及电子热平衡的连续模型及经典分子动力学对激光作用金属Cr进行了仿真模拟，揭示了飞秒激光辐照金属Cr表面时，材料发生了熔化、再结晶、相变、爆炸破碎及喷射等一系列的微观机制变化。吴雪峰”引等基于超短脉冲与材料作用的一维双温模型，并利用有限差分方法