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激光的应用非常广泛,如用于科技,医学,工业,通信等领域。我们熟知的有激光材料加工(包括激光3D打印、激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光打标、激光雕刻等)、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光美容等等。本文主要讨论激光材料加工中的孔加工。1、激光器的结构与工作原理
激光器是产生受激辐射光并放大的器件,是激光成型设备的核心部分。其的基本构造原理如下:
激励能源使增益介质激发出相同频率的光束
光束在谐振腔内来回振荡,在增益介质中的传播使光得以放大;
光束达到阀值后,从部分反射镜输出,即为激光。
特点:单色性高、方向性好及亮度大,经透镜或反射镜高度聚焦后,供给焊接、切割或材料表面处理等所需的高功率密度热源。激光器按照工作方式分为连续型激光器和脉冲型激光器。激光钻孔不使用连续的激光束在工件上切孔。而是,大多数激光钻孔是使用激光脉冲来执行的。每个脉冲都会燃烧并蒸发掉工件上的材料,直到获得所需的结果。无论使用什么材料制成工件,激光钻孔都可以轻松地以极高的精度在其中制造孔。
2、激光与材料的作用
目前,激光加工用激光多于红外波段。根据材料吸收激光能量而产生的温度升高,可以把激光与材料相互作用过程分为如下几个阶段:无热或基本光学阶段:从微观上来说,激光是高简并度的光子,当它的功率密度很低时,绝大部分的入射光子被材料中电子弹性散射,这段主要物理过程为反射,透射和吸收。相变点以下加热:当入射激光强度提高时,入射光子与金属中电子产生非弹性散射,电子通过“逆韧致辐射效应”,从光子获取能量。处于受激态的电子与声子相互作用,把能量传给声子,激发强烈的晶格震动,从而使材料较热。当温度低于相变点时,材料不发生结果变化。在相变点以上但熔点加热:这个阶段为材料固态相变,存在传热和质量传递物理过程。在熔点以上,但低于汽化点加热:激光使材料熔化,形成熔池。熔池外主要是传热,熔池内存在3种物理过程:传热、对流和传质。汽化点以上加热出现等离子现象:激光使材料汽化,形成等离子体,这在激光深熔焊接中是经常见到的现象。
3、激光成孔机理
激光孔加工的物理原理可以简单理解为:利用电能激发泵浦源产生高能激光束,光束通过光学元件传导照射至材料表面,材料吸收激光束中的光子,将光能转化成热能,使照射区域的材料瞬间熔化乃至汽化形成小孔,实际孔加工过程中发生的物态变化及能量转换会更为复杂。
指被加工的材料吸收高能量的激光,在极短的时间加热到熔化并被蒸发掉的成孔原理。此种工艺方法在基板材料受到高能量的作用下,在
所形成的孔壁上有烧黑的炭化残渣,孔化前必须进行清理。
3.2光化学烧蚀
是指紫外线区所具有的高光子能量(超过2eV电子伏特)、激光波长超过400纳米的高能量光子起作用的结果。而这种高能量的光子能破坏有机材料的长分子链,成为更小的微粒,而其能量大于原分子,极力从中逸出,在外力的掐吸情况之下,使基板材料被快速除去而形成微孔。因此种类型的工艺方法,不含有热烧,也就不会产生炭化现象。所以,孔化前清理就非常简单。
单脉冲/单次激光打孔:这种钻孔是指激光源和工作材料都保持静止,并发射一束激光束的钻孔。
冲击激光打孔:在这种方法中,发射一系列激光脉冲。它可以很好地创建更深更小的孔。
开孔:在此过程中,激光束被引导围绕预定轨迹。当所需通孔的直径大于激光束的直径时,这尤其有用。
螺旋激光打孔:在这种方法中,激光束沿着螺旋路径沿其自身的轴旋转。
5、激光成孔的优势
非接触式工艺:激光钻孔是一种非接触式工艺,因此消除了钻孔振动对材料造成的损伤。
无切屑:当工件暴露于激光下时,制成工件的材料将熔化。同时,熔化的材料将蒸发到周围的环境中。这意味着激光钻孔不会像其他钻孔过程那样产生切屑。
***控制:我们可以控制激光束的光束强度、热量输出和持续时间。这有助于创建不同的孔形状并提供高精度。
高纵横比:电路板上钻孔的最重要参数之一是纵横比。它是钻孔深度与孔直径之比。由于激光可以创建直径非常小的孔,因此它们提供了高纵横比。典型的微孔具有 0.75:1 的纵横比。