Лазерное сверление

Лазерное сверление — это процесс создания сквозных отверстий, называемых «выколотыми» отверстиями или «ударными отверстиями», путем многократного воздействия сфокусированной лазерной энергии на материал. Диаметр этих отверстий может достигать всего 0,002 дюйма (~ 50 мкм). Если требуются отверстия большего размера, лазер перемещается по окружности «вытолкнутого» отверстия до тех пор, пока не будет создан желаемый диаметр.

Приложения

Лазерное сверление — один из немногих методов получения отверстий с большим аспектным соотношением — отверстий с соотношением глубины к диаметру, намного превышающим 10:1.

Отверстия с большим удлинением, просверленные лазером, используются во многих областях.включая масляную галерею некоторых блоков двигателей , отверстия для охлаждения аэрокосмических турбинных двигателей,компоненты лазерного синтеза, и микроотверстия печатной платы .

Производители газотурбинных двигателей для авиационных силовых установок и для выработки электроэнергии извлекли выгоду из производительности лазеров для сверления небольших (типичный диаметр 0,3–1 мм) цилиндрических отверстий под углом 15–90° к поверхности в литых, листовых металлах и обработанных деталях. Их способность сверлить отверстия под малыми углами к поверхности со скоростью от 0,3 до 3 отверстий в секунду позволила разработать новые конструкции, включающие отверстия пленочного охлаждения для повышения топливной эффективности , снижения шума и выбросов NOx и CO.

Постепенное совершенствование лазерных технологий и технологий управления привело к существенному увеличению количества охлаждающих отверстий, используемых в газотурбинных двигателях. Фундаментальным для этих улучшений и более широкого использования отверстий, просверленных лазером, является понимание взаимосвязи между параметрами процесса, качеством отверстия и скоростью сверления .

Теория

Ниже приводится краткое изложение технических данных о процессе лазерного сверления и взаимосвязи между параметрами процесса, качеством отверстия и скоростью сверления.

Физические явления

Лазерное сверление цилиндрических отверстий обычно происходит посредством плавления и испарения (также называемого « абляцией ») материала заготовки за счет поглощения энергии сфокусированного лазерного луча .

Энергия, необходимая для удаления материала путем плавления, составляет около 25% энергии, необходимой для испарения того же объема, поэтому часто отдается предпочтение процессу удаления материала путем плавления.

Является ли плавление или испарение более доминирующим в процессе лазерного сверления, зависит от многих факторов, при этом длительность и энергия лазерного импульса играют важную роль. Вообще говоря, абляция доминирует при использовании Nd:YAG-лазера с модуляцией добротности. преобладает выброс расплава, способ создания отверстия в результате плавления материала. лампой-вспышкой С другой стороны, при использовании Nd:YAG-лазера с накачкой Лазер Nd:YAG с модуляцией добротности обычно имеет длительность импульса порядка наносекунд , пиковую мощность порядка десяти-сотни МВт/см. ² и скорость удаления материала в несколько микрометров за импульс. Nd:YAG-лазер с ламповой накачкой обычно имеет длительность импульса от сотен микросекунд до миллисекунды , пиковую мощность порядка субМВт/см. ² и скорость удаления материала от десяти до сотен микрометров за импульс. В процессах обработки каждым лазером абляция и вытеснение расплава обычно сосуществуют.

Выброс расплава возникает в результате быстрого нарастания давления газа (силы отдачи) внутри полости, созданной испарением . Для того чтобы произошел выброс расплава, должен образоваться расплавленный слой, а градиенты давления, действующие на поверхность из-за испарения, должны быть достаточно большими, чтобы преодолеть силы поверхностного натяжения и вытеснить расплавленный материал из отверстия.

«Лучшее из обоих миров» — это единая система, способная обеспечить как «тонкое», так и «грубое» удаление расплава. «Тонкое» вытеснение расплава обеспечивает детали с превосходной четкостью стенок и небольшой зоной термического влияния , тогда как «грубое» вытеснение расплава, например, используемое при ударном сверлении , быстро удаляет материал.

Сила отдачи сильно зависит от пиковой температуры . Значение Т _кр критическая температура вытеснения жидкости, при которой силы отдачи и поверхностного натяжения равны. Например, выброс жидкости из титана может произойти, когда температура в центре отверстия превысит 3780 К.

В ранних работах (Кёрнер и др., 1996) Было обнаружено, что доля материала, удаленного путем вытеснения расплава, увеличивается по мере увеличения интенсивности. Более поздняя работа (Voisey et al., 2000). показывает, что доля материала, удаленного путем вытеснения расплава, называемая фракцией выброса расплава (MEF), падает при дальнейшем увеличении энергии лазера. Первоначальное увеличение вытеснения расплава при увеличении мощности луча предположительно связано с увеличением давления и градиента давления, создаваемого внутри отверстия в результате испарения.

Лучшего качества отделки можно добиться, если расплав выбрасывается мелкими каплями. Вообще говоря, размер капель уменьшается с увеличением интенсивности импульса. Это происходит из-за увеличенной скорости испарения и, следовательно, более тонкого расплавленного слоя. При большей длительности импульса большая общая потребляемая энергия помогает сформировать более толстый расплавленный слой и приводит к выбрасыванию капель соответственно большего размера.

Предыдущие модели

Чан и Мазумдер (1987) разработала одномерную модель устойчивого состояния, учитывающую вытеснение жидкости, но одномерное предположение не подходит для бурения скважин с большим удлинением , а процесс бурения является переходным. Кар и Мазумдер (1990) расширил модель до 2D, но выброс расплава явно не рассматривался. Более строгий подход к вытеснению расплава был предложен Ганешем и др. (1997), которая представляет собой двумерную обобщенную модель переходных процессов, включающую твердое тело, жидкость, температуру и давление во время лазерного бурения, но она требует больших вычислительных ресурсов. Яо и др. (2001) разработал 2-D переходную модель, в которой слой Кнудсена рассматривается на фронте расплав-пар, и модель подходит для более короткого импульса и высокой пиковой мощности лазерной абляции .

расплавленного

На фронте расплав-пар граничное условие Стефана обычно применяется для описания поглощения лазерной энергии (Кар и Мазумда, 1990; Яо и др., 2001).

$I_{abs}+k\left({\frac {\partial T}{\partial z}}+r{\frac {\partial T}{\partial r}}\right)+\rho _{l}\nu _{i}L_{v}-\rho _{v}\nu _{v}(c_{p}T_{i}+E_{v})=0$ (1)

где $I_{abs}=I(t)^{-\beta z}$ — поглощенная интенсивность лазера, β — коэффициент лазерного поглощения, зависящий от длины волны лазера и материала мишени, а I(t) описывает временную входную интенсивность лазера, включая ширину импульса, частоту повторения и временную форму импульса. k — теплопроводность , T — температура, z и r — расстояния в осевом и радиальном направлениях, p — плотность , v — , скорость L v _— скрытая теплота испарения. Индексы l , v и i обозначают жидкую фазу, паровую фазу и границу раздела пар-жидкость соответственно.

так называемый слой Кнудсена Если интенсивность лазера высока, а длительность импульса коротка, предполагается, что существует на фронте расплав-пар, где переменные состояния претерпевают прерывистые изменения поперек слоя. Учитывая неоднородность слоя Кнудсена, Яо и др. (2001) смоделировали распределение скорости V _v на поверхности в радиальном направлении в разное время, что указывает на то, что скорость абляции материала значительно меняется поперек слоя Кнудсена.

Вытеснение расплава

После получения давления пара pv _{течение слоя расплава и вытеснение расплава можно} смоделировать с использованием гидродинамических уравнений (Ganesh et al.,1997). Выброс расплава происходит, когда давление пара оказывается на свободной от жидкости поверхности, что, в свою очередь, отталкивает расплав в радиальном направлении. Чтобы добиться тонкого вытеснения расплава, необходимо очень точно спрогнозировать картину течения расплава, особенно скорость течения расплава на краю отверстия. Таким образом, используется двумерная осесимметричная модель переходного процесса и, соответственно, уравнения импульса и неразрывности.

Модель Ганеша для выброса расплава является всеобъемлющей и может использоваться на различных этапах процесса сверления отверстий. Однако расчет занимает очень много времени, и Солана и др. (2001), представил упрощенную модель, зависящую от времени, которая предполагает, что скорость выброса расплава происходит только вдоль стенки отверстия, и может дать результаты с минимальными вычислительными затратами.

Жидкость будет двигаться вверх со скоростью u вследствие градиента давления вдоль вертикальных стенок, который, в свою очередь, определяется разницей между давлением абляции и поверхностным натяжением, деленной на глубину проникновения x .

Предполагая, что фронт бурения движется с постоянной скоростью, следующее линейное уравнение движения жидкости по вертикальной стенке является хорошим приближением для моделирования выброса расплава после начальной стадии бурения.

$\rho {\frac {\partial u(r,t)}{\partial t}}=P(t)+\mu {\frac {\partial ^{2}u(r,t)}{\partial r^{2}}}$ (2)

где p — плотность расплава, μ — вязкость жидкости, P(t)=(ΔP(t)/x(t)) — градиент давления вдоль слоя жидкости, ΔP(t) — разность паров давление P _v и поверхностное натяжение $2\sigma \over {\bar {\delta }}$.

Эффект формы импульса

Роос (1980) показали, что последовательность импульсов длительностью 200 мкс, состоящая из импульсов длительностью 0,5 мкс, дает лучшие результаты при сверлении металлов, чем импульс плоской формы длительностью 200 мкс. Анисимов и др. (1984) обнаружили, что эффективность процесса повышается за счет ускорения плавления во время импульса.

Град и Мозина (1998) далее продемонстрирован эффект формы импульса. Всплеск длительностью 12 нс добавлялся в начале, середине и конце импульса длительностью 5 мс. Когда всплеск длительностью 12 нс был добавлен к началу длинного лазерного импульса, где расплав не образовывался, существенного влияния на удаление не наблюдалось. С другой стороны, когда пик был добавлен в середине и конце длинного импульса, повышение эффективности бурения составило 80 и 90% соответственно. Также был исследован эффект межимпульсного формирования. Лоу и Ли (2001) показали, что серия импульсов линейно возрастающей величины оказывает существенное влияние на процессы изгнания.

Форсман и др. (2007) продемонстрировали, что двойной импульсный поток обеспечивает увеличение скорости сверления и резания со значительно более чистыми отверстиями.

См. также

• Бурение
• Лазерная резка
• Список лазерных статей