高峰值功率自准直脉冲Nd_YAG激光加工无锥度直孔研究

高峰值功率自准直脉冲Nd_YAG激光加工无锥度直孔研究 第 38 卷 第 10 期Vol . 38 , No . 10 中 国激光 2011 年 10 月Oc t obe r , 2011 C HIN ES E J OU RNAL O F L AS ERS 高峰值功率自准直脉冲 N d : YA G 激光加工 无锥度直孔研究 姜梦华 李 强 雷 訇 王金国 惠勇凌 ()北京工业大学激光工程研究院 , 北京 100124 摘要 利用改进的脉冲 N d : YA G 激光器 ,对激光冲击打孔加工无锥度直孔进行了实验研究 。在优化激光脉冲峰 值功率和脉冲能量 、辅助气压 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 的基础上 ,通过比较实验证明 ,能量递增组合脉冲是实现无锥度直孔加工的有效 方式 ,增加脉冲组合中脉冲的个数可加工出负锥度的孔 ;激光焦点位置是影响孔锥度的重要因素 ,焦点位于材料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上方 1 . 1, 1 . 7 mm 有利于减小锥度 。在厚度为 1 . 5 , 3 . 0 mm 的镍基高温合金材料上 , 获得孔径分别为 480 ,μμ510 m的直孔 ,重复打孔孔径误差约 30 m ,孔锥度 < 1 % 。给出了可实用于激光冲击打孔的直孔加工方法和脉冲 激光器 ,并可用于其他材料的加工 。 关键词 激光技术 ;激光冲击打孔 ;孔锥度 ;脉冲 N d : YA G 激光器 ;热效应 d oi : 10 . 3788/ CJ L 201138 . 1003004 中图分类号 TN249 文献标识码 A S t u d y o n P r o d u c i n g N o n2Ta p e r e d H ol e s w i t h A d a p t i ve l y C ol l i m a t i n g Hi g h P e a k P o w e r P u l s e d N d : YA G L a s e r J ia n g M e n g h ua L i Qia n g L ei Ho n g Wa n g J i n guo Hui Yon gli n g ( )I n s t i t u t e of L a se r En gi nee r i n g , Bei j i n g U n i ve r s i t y of Tec h n ol ogy , Bei j i n g 100124 , Ch i n a A bs t r a c t Exp e ri me nts of las e r p e r c ussion drilli n g a r e ca r rie d out on nic kel2bas e d s up e r alloy usi n g a modif i e d p uls e d N d : YAG las e r . Pea k p ow e r , p uls e e ne r gy a nd assis t gas p r ess u r e a r e op ti mize d e xp e ri me nt all y . Exp e ri me nt al r es ul ts de mons t r a t e t ha t a p uls e combi nati on wi t h i nc r e asi ng p uls e e ne r gy is a n eff ec ti ve me t hod t o p r oduce non2t ap e r e d holes . Eve n ne gat i ve t ap e r holes ca n be p r oduce d t h r ough i nc r e asi n g t he numbe r of p uls es i n t he p uls e combi na tion . Focal p osi tion is a n i mp or t a nt f ac t or t ha t aff e c ts t he t ap e r of hol es , a nd 1 . 1,1 . 7 mm above t he s urf ace of t he s a mp le μhelp s r e duci n g t he t ap e r of holes . Non2t ap e r e d holes wi t h dia me t e r of 480 a nd 510 m a r e drille d on nic kel2bas e d μs up e r all oy wi t h t hic k ness of 1 . 5 a nd 3 . 0 m m . Va ria ti on of hole dia me t e r is about 30 m , a nd hole t ap e r is less t ha n 1 % . A f e asi ble me t hod of p r oduci ng p a r allel holes a nd a n app lie d N d : YAG las e r ha ve be e n p r es e nt e d f or las e r p e r c ussion drilli n g , ma y als o be us e d on ot he r ma t e rials . Ke y w o r ds las e r t e c h ni que ; las e r p e r c ussi on drilli ng ; hole t ap e r ; p uls e d N d : YAG las e r ; t he r mal le ns eff e c t O CI S c o des 140 . 3530 ; 140 . 3538 ; 140 . 6810 ; 350 . 3390 ; 350 . 3850 和激光冲击打孔两种 ,旋切法是以激光束在工件表 1 引言 [ 4 ] 面沿圆周移动或者旋转工件实现圆孔加工 ; 激光 激光打孔加工效率高 ,可以实现高纵横比加工 , 冲击打孔直接以聚焦激光束照射工件加工圆孔 ,加 在航空航天 、汽车行业等有广泛的应用需求 ,例如可 工耗时少 ,效率高 ,但加工的孔有一定的锥度 。打孔 应用在航空发动机气膜冷却 、机翼空气动力学性能 [ 1,3 ] 质量的指标包括 : 孔锥度 、孔圆度 、再铸层 、微裂纹 改善等方面。目前激光打孔方式主要有旋切法 收稿日期 : 2011204201 ; 收到修改稿日期 : 2011205217 () () 基金项目 : 国家自然科学基金 61040065和北京市自然科学基金 4112005资助课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 () 作者简介 : 姜梦华 1981 —,男 ,博士研究生 ,主要从事高功率固体激光技术方面的研究 。 E2mail : j menghua @email s. bj ut . edu. cn () 导师简介 : 李 强 1965 —,男 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事高功率固体激光技术与加工系统等方面的研究 。 E2mail : ncltlq @bj ut . edu. cn 3 所示 。下的束腰大小如图 等 。孔锥度是激光打孔的关键指标 ,航空气膜冷却 孔对孔锥度要求高 ,要求无锥度的直孔 ,孔的锥度不 [ 5 ] 仅影响气流特性 ,甚至影响零件的使用寿命。 国内外围绕激光冲击打孔减小孔锥度的研究 , 主要通过 改 变 工 艺 参 数 、脉 冲 时 间 形 状 减 小 孔 锥 [ 6,9 ] 度。其中 ,通过控制脉冲时间形状减小孔锥度 , [ 10 ] 孔锥度仅能控制在 15 %,20 %。本文利用改进 的脉冲 N d : YA G 激光器 ,研究了脉冲组合方式 、峰 值功率 、脉冲能量 、激光焦点位置 、组合脉冲个数 、加 图 2 激光光束强度分布 工透镜焦距等因素对孔锥度的影响 ,实现了不同厚 Fig. 2 Exp erimentally mea sured intensit y di st ributio n 度的镍基高温合金材料直孔及负锥度孔加工 。 of o utp ut la ser bea m 2 高峰值功率自准直脉冲 N d : YA G 激光器 采用激光冲击打孔方式加工直孔 ,对激光脉冲 有较高的要求 ,为保证一定的气化熔化比 ,减少再铸 层中的微裂纹 ,要求激光脉冲峰值功率高 ,一般要求 [ 11 ] 16,20 k W; 为提 高加 工 速度 和效 率 , 在高 峰 值 功率条件下 ,要求尽可能高的激光脉冲能量 ;同时为 实现组合脉冲打孔 ,要求不同功率下光束具有稳定 图 3不同抽运功率下激光器输出光束的束腰大小 的束腰大小和发散角 ,而普通的脉冲激光器束腰和 Fig. 3 Experiment ally mea sured bea m wai st of o utp ut 发散角随输出功率变化 ,难以达到要求 。 la ser beam wit h diff erent p ump po wer s 针对这些要求 ,通过改进激光器 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ,采用 (改变激光器运行参数 脉冲宽度 、脉冲频率 、工 振荡2放大结构 ,利用放大级晶体棒的热效应自适应 ) 作电压等,可以实现不同峰值功率 、脉冲能量的激 补偿输出光束的发散特性 ,使振荡级与放大级晶体 光输出 ,激光器性能参数如表 1 所示 。 棒的热焦距在较宽范围内匹配 ,实现不同功率下输 表 1 激光器性能参数出光束束腰大小稳定 、自准直 。 Ta ble 1 Perfo r ma nce dat a of t he la ser 激光器结构示意图如图 1 所示 。Pul se Peak Pul se Average e ner gy / J po wer / k W widt h / ms po we r / W 0,20 0,20 0 . 3,1 . 0 0,700 图 1 激光器结构示意图 3 Fig. 1 Schematic set up of t he la ser 孔锥度影响因素的实验研究及结果 ( ) ( ) 晶体棒 1 、全反镜 H R、输出耦合镜 O C构成 分析 振荡级谐振腔 ,谐振腔采用对称平平腔结构 ,这种结 对厚度为 1 . 5 ,3 . 0 mm 的镍基高温合金材料进 构具有大的模体 积 , 并且 激 光器 稳定 工 作范 围大 。 行了激光冲击打孔实验 ,通过实验研究脉冲组合方 放置在腔外的激光棒 2 作为放大级 。 式 、峰值功率和脉冲能量 、激光焦点位置 、组合脉冲 振荡级和放大级采用标准化单腔模块 ,双氙灯 个数 、加工透镜焦距等因素对孔锥度的影响 。由于 抽 运 陶 瓷 漫 反 射 腔 , N d : YA G 晶 体 棒 尺 寸 为 激 光 器 抽 运 源 工 作 参 数 限 制 , 在 最 高 峰 值 功 率 <8 mm ×160 mm ,掺杂原子数分数为 1 % ,分别对棒 20 k W时 ,脉冲频率 ?20 Hz ,因而实验中脉冲频率 1 、棒 2 的抽运功率进行控制 ,使整个抽运范围内棒 [ 12 ,13 ] 设置为 20 Hz 。 2 热焦距等于棒 1 的 2 倍。振荡级谐振腔腔长 孔的锥度定义为L = 640 mm ,腔镜透射率 T = 70 % 。 测量输出光强 d- d ent ranceexit分布如图 2 所示 ,不同输出功率 ( )r×100 % ,1 = taper 2 h 姜梦华等 : 高峰值功率自准直脉冲 N d : YA G 激光加工无锥度直孔研究 式中 d表示材料上表面孔的直径 ; d表示材料ent rance exit 下表面孔的直径 ; h 表示材料厚度 。 激光冲击打孔 通常使用氧气作为加工辅助气 体 ,与氮气 、压缩空气相比 ,氧气更有利于材料的去 () 图 4 组合脉冲示意图 。a单一能量脉冲组合 ; [ 14 ] ( ) () b能量递增脉冲组合 ; c能量递减脉冲组合除 。Kuh n 等认为较低的辅助气体气压利于直孔 ( ) Fig. 4 Schematic of p ul se co mbinatio ns. a Pul se 加工 ,高辅助气体气压会抑制后续材料飞出 ,辅助气 ( ) co mbinatio n of sa me ener gie s ; b p ul se 体气压在 0 . 1 M Pa 时孔的质量最好 。但在实验中 ( ) co mbinatio n of linea rly increa sing ener gies ; c 发现 ,辅助气压过低不利于保护加工镜片的溅射伤 p ul se co mbinatio n of linea rly decrea sing ener gie s 害 ,这在工业应用中是特别需要关注的问题 。综合 为 :聚焦透镜焦距 100 mm ,焦点位于材料表面上方 考虑上述因素 ,设置辅助气体气压为 0 . 3 M Pa 。 1 . 5 mm ;加工辅助气体为氧气 ,气压 0 . 3 M Pa ;加工 3 . 1 脉冲组合方式的影响[ 15 ] 头喷嘴孔径 1 . 5 mm ,喷嘴距离材料表面 3 mm。 为研究脉冲组合方式对孔锥度的影响 ,实验中 采用脉冲宽度 0 . 5 ms 、重复频率 20 Hz 、最高能量 比较了 3 种组合方式 :单一能量脉冲组合 、能量递增 10 J 的激光脉冲 ,按图 4 的组合方式分别进行冲击 脉冲组合 、能量递减脉冲组合 ,3 种脉冲组合示意图 打孔实验 ,每个脉冲组合包含 4 个脉冲 ,能量递增脉 如图 4 所示 。 冲组合中脉冲能量按 20 %递增 ,能量递减脉冲组合 实 验 中 加 工 材 料 为 镍 基 高 温 合 金 , 厚 度中脉冲能量按 20 %递减 。实验结果如图 5 所示 。 1 . 5 mm ; 加工 孔 径要 求为 0 . 5 mm ; 加 工 参 数 设 置 () ( ) () 图 5 不同脉冲组合打孔截面图 。a单一能量脉冲组合 ; b能量递增脉冲组合 ; c能量递减脉冲组合 () ( ) Fig. 5 Hole s drilled by diff erent p ul se co mbinatio ns. aPul se co mbi natio n of sa me ener gy ; bp ul se co mbinatio n of () linearl y i ncrea sing ener gy ; cp ul se co mbi natio n of linea rly decrea sing ener gy 比较图 5 的打孔结果 ,尽管对参数进行了优化每个脉冲 组合 包含 8 个 脉 冲 , 脉 冲 能 量 按 10 %递 设置 ,但单一能量脉冲组合和能量递减脉冲组合加 增 ,最高脉冲能量 12 J 。在此加工参数下获得小锥工出的孔锥度比较明显 ,分别为 6 . 7 %和 7 . 0 % ,而 度的直孔 ,孔锥度 - 0 . 33 % ,打孔结果如图 6 所示 。 能量递增脉冲组合加工出的孔锥度很小 ,为0 . 33 % , 结果表明 ,能量递增脉冲组合是加工无锥度直孔的 近似为直孔 。这是由于其初始脉冲能量较低 ,使材 有效方式 ,随着材料厚度增加 ,需增加组合脉冲个数 料上表面孔径小 ,随着后续脉冲能量逐渐增加 ,孔的和组合脉冲能量 。 深度加深 ,熔化飞出的金属材料侵蚀上一个脉冲加 工出的孔壁 ,将之前的孔径扩大 ,最后 ,材料被击穿 , 熔化的金属材料由下表面飞出 。与其他两种组合脉 冲相比 ,能量递增的组合脉冲由下表面出孔排出熔 渣更多 。因而 ,加工出的孔锥度更小 。 为研究能量递增脉冲组合对不同厚度材料的打 孔效果 ,对 3 mm 镍基高温合金材料进行了激光冲 击打孔 。加工参数设置为 : 激光焦点位于材料表面 图 6 3 mm 厚材料的激光冲击打孔 上方 1 . 5 mm ,辅助气体气压为 0 . 3 M Pa ; 喷嘴距离 Fig. 6 Hole s of 3 mm sa mple 材料表面 3 mm ;脉冲频率 20 Hz ,脉冲宽度 0 . 6 ms , 3 . 2 峰值功率和脉冲能量的影响点 位 置 进 行 激 光 打 孔 。实 验 中 加 工 材 料 厚 度 为研究峰值功率和脉冲能量的影响 ,分别进行 1 . 5 mm , 其 他 加 工 参 数 设 置 为 : 聚 焦 透 镜 焦 距 不同峰值功率和脉冲能量的激光打孔实验 ,实验中 100 mm ;辅助气体气压为 0 . 3 M Pa ; 加工头喷嘴孔 加工材料厚度 1 . 5 mm ,其他加工参数设置为 : 聚焦 径1 . 5 mm , 喷 嘴 距 离 材 料 表 面 3 mm ; 脉 冲 宽 度 0 . 5 ms ,脉冲频率 20 Hz ,能量递增脉冲组合 ,每个 透镜焦距 100 mm ,焦点位于材料表面上方1 . 5 mm ; 辅 助 气 体 气 压 为 0 . 3 M Pa ; 加 工 头 喷 嘴 孔 径脉冲组合包含 4 个脉冲 , 脉冲能量按 20 %递增 , 最 1 . 5 mm , 喷 嘴 距 离 材 料 表 面 3 mm ; 脉 冲 频 率高脉冲能量 10 J 。每个焦点位置进行 3 次打孔 ,入 20 Hz ,能量递增脉冲组合 ,每个脉冲组合包含 4 个 孔 、出孔平均直径和孔锥度随焦点位置变化如表 4 脉冲 ,脉冲能量按 20 %递增 。 所示 。表中焦点位 置的 零 点表 示焦 点位 于 材料 表 3 . 2 . 1 不同峰值功率对孔锥度的影响面 ,焦点位置位于材料表面上方为正值 ,位于材料表 最高脉冲能量设置为 8 J 不变 , 改变脉冲宽度 面下方为负值 。 表 4 平均入射孔径和孔锥度与激光焦点位置的关系和激光器工作电压实现不同峰值功率激光输出 。每 Ta ble 4 Average ent ra nce dia meter and hole tap er 组参数进行 3 次打孔 ,平均入孔孔径和锥度如表 2 ver sus focal po sitio n 所示 。由表 2 可以发现 ,当激光脉冲峰值功率高于 Focal Average ent rance Average exit Average hole 16 k W 时 ,气化熔化比高 ,易于减小加工孔的锥度 , po sitio n / mm diameter / mm dia met er / mm t ap e r / % 孔锥度 < 1 % 。- 0 . 1 0 . 44 0 . 25 6 . 33 3 . 2 . 2 不同脉冲能量对孔锥度的影响 最高峰值功0 . 1 0 . 41 0 . 30 3 . 67 率设置为 16 k W 不变 ,只改变脉冲 0 . 3 0 . 40 0 . 35 1 . 67 宽度实现不同脉冲能量激光输出 。每组参数进行 30 . 5 0 . 40 0 . 36 1 . 33 0 . 7 0 . 41 0 . 38 1 . 00 次打孔 ,平均入孔孔径和锥度如表 3 所示 。由打孔 0 . 9 0 . 43 0 . 40 1 . 00 结果可知 ,在高峰值功率条件下 ,较低的脉冲能量可 1 . 1 0 . 45 0 . 43 0 . 67 减小加工孔径的大小 ,而不影响孔的锥度 。 1 . 3 0 . 47 0 . 45 0 . 67 表 2 不同峰值功率下的打孔结果1 . 5 0 . 48 0 . 49 - 0 . 33 Ta ble 2 Experiment s of diff erent pea k po wer s 1 . 7 0 . 54 0 . 52 0 . 67 a nd t he result s 1 . 9 0 . 60 0 . 53 2 . 33 Pul se Pea k Average ent rance Average hole 2 . 1 0 . 65 0 . 55 3 . 33 widt h / ms po we r / k W dia met e r / mm t ap e r / % 2 . 3 0 . 68 0 . 54 4 . 67 1 . 0 8 . 00 0 . 42 2 . 67 由表 4 可以发现 ,激光焦点位于材料表面上方 0 . 9 8 . 89 0 . 42 2 . 67 ( ) 1 . 1,1 . 7 mm 时孔锥度很小 < 1 %。这是因为激 0 . 8 10 . 00 0 . 43 2 . 33 光焦点位于材料表面上方时 ,脉冲能量大多用于气 0 . 7 11 . 43 0 . 42 2 . 00 0 . 6 13 . 33 0 . 44 2 . 00 化材料 ,产生的熔化 材 料少 , 加 工过 程关 系 可表 示 [ 16 ]0 . 5 16 . 00 0 . 44 0 为 0 . 4 20 . 00 0 . 45 0 . 33 mv ( )C = . 2 2 表 3 不同脉冲能量下的打孔结果 + mv / 2t hermal + EE op tical Ta ble 3 Experiment s of diff erent p ul se ener gie s 式中 C 表示加工过程效率 ; E表示光 学 过程 能op tical a nd t he result s 量 ,例如反射 、吸收和散射 ; E表示热过程能量 ;t hermal Pul se Pul se Average ent rance Average hole m 和 v 分别表示喷射物质量和速度 。 widt h / ms ene r gy / J dia met e r / mm t ap e r / % 这时动能项小 ,激光能量产生的冲量大 ,过程效 0 . 4 6 . 4 0 . 42 0 . 33 率提高 ,利于材料的去除 ,使出孔孔径变大 。而焦点 0 . 5 8 . 0 0 . 44 0 位于材料表面下方时 ,产生的熔化材料较多 ,使出孔 0 . 6 9 . 6 0 . 47 - 0 . 33 0 . 7 11 . 2 0 . 51 0 . 33 孔径变小 。因而 ,激光焦点位于材料表面上方的合 0 . 8 12 . 8 0 . 55 0 . 67 () 适位置 1 . 1,1 . 7 mm,加工出的孔近似为直孔 。 3 . 3 激光焦点位置的影响3 . 4 组合脉冲个数的影响 为研究激光焦点位置对孔锥度的影响 ,改变焦采用不同组合脉冲个数进行打孔 ,进一步研究 姜梦华等 : 高峰值功率自准直脉冲 N d : YA G 激光加工无锥度直孔研究 能量递增脉冲组合中脉冲个数对冲击打孔的影响 。,分别使用了焦距为 80 ,100 ,120 mm 的 3 种的影响 实验中加工材料厚度 1 . 5 mm , 其他加工参数设置 聚焦透镜进行打孔 ,实验中加工材料厚度 1 . 5 mm , 为 :聚焦透镜焦距 100 mm ,焦点位于材料表面上方 其他加工参数设置为 :辅助气体气压为 0 . 3 M Pa ;加 1 . 5 mm ;辅助气体气压为 0 . 3 M Pa ; 加工头喷嘴孔 工头喷嘴孔径 1 . 5 mm ,喷嘴距离材料表面 3 mm ; 径1 . 5 mm , 喷 嘴 距 离 材 料 表 面 3 mm ; 脉 冲 宽 度 脉冲宽度 0 . 5 ms ;脉冲频率 20 Hz ;能量递增脉冲组 0 . 6 ms ,脉冲频率 20 Hz ,组合中脉冲个数依次设置合 ,每个脉冲组合包含 4 个脉冲 , 脉冲能量按 20 % 为 1,8 个脉冲 ,初始脉冲能量 5 J ,脉冲能量以 1 J递增 ,最高脉冲能量 10 J 。打孔结果如表 5 所示 。 表 5 不同焦距透镜的激光冲击打孔参数和结果递增 ,最高脉冲能量 12 J 。 入孔和出孔直径随脉 Ta ble 5 Exp eriment s of diff erent focal lengt hs 冲个数的变化如图 7 所 a nd t he re sult s 示 。从图中可以看出 ,前两个脉冲组合未打穿材料 , F = 80 mm F = 100 mm F = 120 mm 材料上表面的孔径小于打孔完成后的最终孔径 。进 Focal po sitio n 一步增加脉冲个数 ,材料被打穿 ,上表面入孔和下表 1 . 2 1 . 5 1 . 7 a bo ve surf ace / mm 面出孔同时扩大 ,在打穿材料后 ,继续增加的激光脉Average ent ra nce 0 . 43 0 . 48 0 . 57 dia meter / mm 冲对出孔孔径影响比入孔孔径明显 ,直到孔径大小 Average exit 0 . 42 0 . 48 0 . 57 不随脉冲个数增加而增加 。 dia meter / mm Hole t ap e r / % 0 . 33 0 0 对于上述 3 种不同焦距的加工透镜 ,透镜焦距主 要影响孔径大小 ,而不影响孔的锥度 ,选择合适的焦 点位置都可以实现无锥度打孔 。在航空发动机气膜 冷却打孔中 ,通常要求孔径在 0. 5,0. 8 mm ,因而可 选择焦距为 100 mm 和 120 mm 的加工聚焦镜 。 4 重复打孔稳定性研究 为研 究 重 复 打 孔 精 度 和 孔 径 误 差 范 围 , 对图 7 材料上下表面孔径大小随组合脉冲个数的变化 1 . 5 mm镍基高温合金材料进行了重复打孔 ,加工参Fig. 7 Hole ent ra nce a nd exit diameter ver sus number of p ul se s in t he co mbi natio n 数设置为 :聚焦透镜焦距 100 mm ,焦点位于材料表 实验结果表明 ,通过控制脉冲个数 ,不仅可以实 面上方 1 . 5 mm ; 辅助气体气压为 0 . 3 M Pa ; 加工头 现直孔加工 ,还可以实现入孔小 、出孔大的负锥度孔 喷嘴孔径 1. 5 mm ,喷嘴距离材料表面 3 mm ;脉冲宽 加工 。图 8 为采用 6 个脉冲的脉冲组合加工出的负 度0. 5 ms ,脉冲频率 20 Hz ,能量递增脉冲组合 ,每个 锥度孔 。脉冲组合包含4个脉冲 ,脉冲能量按20 %递增 ,最高 表 6 多次打孔的入孔孔径和锥度 Table 6 Experiment of hole variatio n Ent rance Exit Hole dia met e r / mm dia met e r / mm t ap e r / % 1 0 . 46 0 . 45 0 . 33 2 0 . 47 0 . 45 0 . 67 3 0 . 49 0 . 48 0 . 33 4 0 . 48 0 . 49 - 0 . 33 5 0 . 47 0 . 46 0 . 33 图 8 负锥度孔 6 0 . 51 0 . 50 0 . 33 Fig. 8 Hole of negative tap er 7 0 . 47 0 . 48 - 0 . 33 3 . 5 加工透镜焦距的影响 8 0 . 46 0 . 46 0 加工透镜焦距是激光加工中的重要参数 ,影响 9 0 . 49 0 . 50 - 0 . 33 10 0 . 47 0 . 49 - 0 . 67 聚焦光斑大小 、激光功率密度 、光束发散角 、束腰长 Average 0 . 477 0 . 476 ——— 度 ,进而影响加工效果 。为研究透镜焦距对孔锥度 脉冲能量10 J 。任意选取其中的 10 个孔 ,测量其孔,近似为直孔 ,达到实际应用要求 。度变化量小 径 和 孔 锥 度 如 表 6 所 示 。材 料 上 表 面 孔 径 最 大孔的形貌如图 9 、10 所示 。可以发现 ,部分孔边 0 . 51 mm , 最 小 0 . 46 mm , 入 孔 孔 径 变 化 范 围缘圆度有变化 ,这是由于材料融化飞出的过程中 ,侵 μ 蚀孔边缘所造成的 ,在激光冲击打孔中很容易出现 , ?33 m , 变 化 量 ?7 % ; 下 表 面 出 孔 孔 径 最 大 ( ) 0 . 50 mm , 最 小 0 . 45 mm , 出 孔 孔 径 变 化 范 围通常控制在一定范围之内 例如 0 . 05 mm就可以 μ ?26 m ,变化量 ?5 % ;锥度变化 < 1 % 。孔径和锥达到工艺要求 。 图 9 材料上表面入孔 Fig. 9 Ent rance hole s of t he meterial surf ace 图 10 材料下表面出孔 Fig. 10 Exit hole s of t he meterial surf ace 在厚度为 1 . 5 mm 和 3 . 0 mm 的镍基高温合金 5 结论 μ材料上 ,分别获得了孔径为 480 ,510 m 的直孔 ,重 通过实验研究了激光冲击打孔的几种因素对孔 μ复打孔孔径误差约 30 m ,孔锥度 < 1 % 。 锥度的影响 ,研究结果表明 ,脉冲组合方式 、激光焦 为激光冲击打孔给出了一种实用的直孔加工方点位置 、组合脉冲个数是影响孔锥度的主要因素 ;采 法和打孔用脉冲激光器 。用能量递增的组合脉冲 ,激光焦点位于材料表面上 方 1 . 1,1 . 7 mm , 通过控制脉冲组合个数 , 不仅可 参 考 文 献 以实现直孔加工 ,而且能实现负锥度孔的加工 。在 1 G. Overto n , S. G. A nder so n . L a ser Ma r ketplace 2009 : 高峰值功率条件下 ,采用较低的脉冲能量或者较短 Pho to nics ent er s a perio d of high a nxiet y[ J ] . L ase r Foc us W orl d , ( ) 2009 , 45 1: 54,78 焦距的加工透镜可实现较小的 加工 孔径 而不 影 响 2 A . Gieri ng , M. Beck , J . Ba hn muller . L a ser drilli ng of aero sp ace 锥度 。 a nd a uto mo tive co mpo nent s [ C ] . Proc . of ICAL E0′99 , 1999 : 姜梦华等 : 高峰值功率自准直脉冲 N d : YA G 激光加工无锥度直孔研究 C80287 et al . . The la ser drilli ng of 11 A . Co rco ra n , L . Sexto n , B . Sea ma n 3 卢飞星. 激光加工在工业制造业中的市场分析[J ] . 激光与光电子 multi2layer aero sp ace mat erial syst e ms [ J ] . J ou rnal o f M ate ri als ( ) ( ) 学进展 , 2009 , 46 9: 24,28 2002 , 123 1: 100,106P rocessi n g T ech nol o g y , 4 Chen Genyu , Mei Lif ang , Zha ng Mi ngj un et al . . Applicatio n a nd 12 Li Qia ng , J ia ng Menghua , L ei Ho ng et al . . High2po wer la ser re sea rch of la ser p rocessi ng a uto mo bile bo dy ma nuf act uri ng [ J ] . p rocessi ng syst em fo r i ndu st r y applicatio n [J ] . 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