碟片激光器在汽車及航空領域應用分析

時間:2014-10-15 14:28來源:Industrial Laser Solutions作者:yeyan 點擊:
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摘要:隨著全球流動性的加劇,新興工業化國家財富的不斷增長和全球化進程的加快,大力推動汽車和航空業的持續發展。隨之產生的生態影響,如二氧化碳污染和/或氣候變暖,以及化石資源的不斷減少,推動電動汽車和輕量化結構的發展。這在汽車輕量化結構方面尤為明顯,過去十年里很多新型材料被應用到工業生產之中(例如,鋁鈦合金或碳纖維增強型塑料)。

關鍵字:激光,激光器,碟片激光器

  隨著全球流動性的加劇,新興工業化國家財富的不斷增長和全球化進程的加快,大力推動汽車和航空業的持續發展。隨之產生的生態影響,如二氧化碳污染和/或氣候變暖,以及化石資源的不斷減少,推動電動汽車和輕量化結構的發展。這在汽車輕量化結構方面尤為明顯,過去十年里很多新型材料被應用到工業生產之中(例如,鋁鈦合金或碳纖維增強型塑料)。

  應用傳統制造工藝來加工這類材料通常需要很大精力和成本。而激光作為一種非接觸式無磨損工藝, 一種上好的選擇。針對上述材料的典型南洋股份是哪个公司的應用包括在由鉻鎳鐵合金或鈦合金等難熔金屬制成的渦輪葉片上鉆削冷卻孔,以及在電池箔上鉆削微孔。除了切割碳纖維增強型塑料,修復這些材料也變得越來越重要。在修復過程中,激光器將受損部位逐漸移除,從而連接上修補補丁。

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  由于這些材料熔點極高,導熱性強,使用激光器對這些材料進行加工需要的脈沖峰值功率在2-3位數千瓦范圍內,并且需要聚焦于直徑0.1mm以內。半導體泵浦碟片激光器,如Jenoptik 出品的JenLas disk IR70 和 JenLas disk IR70E(見圖1)激光器的峰值功率就完全符合這一需求(見表1)。由于具備在納秒脈沖長度的靈活可調性,以及在三位數千赫范圍內的高脈沖重復率,這些激光器成為工藝開發和優化以及在成批生產中進行工業應用的理想工具。此外,激光器之所以嶄露頭角,也是因為其易于集成和操控,具有很強的堅固性和不間斷工作時的高可靠性。

  影響

  使用納秒激光器獲得的加工質量取決于對材料的熱輸入。因此,上述激光器就有很大優勢,由于脈沖峰值功率高,其對鉻鎳鐵合金、鋁鈦合金等難熔材料的熱輸入就會減少,從而將熱影響區域最小化。

  原則上,激光器持續作用的時間越長,造成的熱影響區域越大。因此,可以為由加熱、熔化和蒸發這些熱中間過程組成的燒蝕過程推導出熱擴散長度和燒蝕率之間的相關性。

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  表2顯示了脈沖長度對燒蝕率的影響,基于使用碟片激光器對AlMg3鋁合金進行單一脈沖燒蝕。

  在應用數種脈沖或通道進行燒蝕時,需要考慮更多激光參數(例如,功率,重復頻率和脈沖重疊)。脈沖之間的時間間隔通常不足以完全消散帶來的熱量。這樣的話, 材料的基本溫度就會升高,很快就會達到熔化和蒸發的溫度。但是,這也會導致更大的熱影響區域,從而對材料產生更大的損害。

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  圖2展示了材料在達到熔化和蒸發溫度這段時間內脈沖長度的影響。在同樣的脈沖能量情況下,隨著脈沖長度的增加,材料升溫和降溫的速度也隨之變慢。這樣的話,在不對材料表面形成燒蝕的情況下,可以有更多的能量用于材料。這是業界所需要的,例如,在對數毫米厚金屬進行熔切或焊接塑料時。

  激光鉆孔

  在激光鉆孔中,在加工表面必須達到蒸發溫度才能移除材料。直到整個鉆孔到達材料底部時,材料才會從上層移除。在這一過程中,熔融顆?;岣階旁誆牧媳礱婊蚩妝?,在最差情況下會將整個孔重新封閉。在鉆穿孔之后,材料通過孔上面和下面移除。依據材料厚度和鉆孔大小的不同,可以應用兩種不同的鉆孔方法。原則上,沖擊鉆孔(圖3)用于小型鉆孔,即直徑在光斑之內(dBohr ~ dFok/typ. >100μm),環切鉆孔(圖4)更多應用于大中型直徑的鉆孔(dBohr < dFok/typ. >100μm)。

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  由于上述兩種碟片激光器都可以調整脈沖長度,因此都適用于確定激光參數對于應用結果的影響。表格3和表格4 展示了兩種激光器在1mm厚鈦合金(5 級)和0.8mm厚鋁合金(AlMg3)上進行沖擊鉆孔的效果。激光器光斑直徑約為50μm,獲得的鉆孔直徑約為70μm,孔邊緣陡度(錐角度)小于1.1度。

  在其它激光常量參數中,鉆孔速度和錐角度主要由脈沖長度和脈沖重復率決定,也就是由占空比決定。如表格3 和表格4所示,加工速度與占空比成正比。但與此同時,表面碎片的堆積也會增多,熱影響區域增大。

  在脈沖能量不變,脈沖越短(峰值功率越高),形成的熱影響區域越小, 產生的碎片越少,因為處于液相狀態的材料會少一些,材料會立即蒸發。通過更短的脈沖可以獲得最佳質量,而通過更長的脈沖可以獲得更高的鉆孔率。因此,可調整式脈沖長度讓用戶可以按照不同的應用需求來優化加工工藝。

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  下面展示了應用于鎳合金和鈦合金材料的兩種鉆孔方法。以環切鉆孔方式對6mm厚鎳合金(鉻鎳鐵合金)進行直徑為2mm的鉆孔,鉆孔過程約需30秒, 即每秒可以鉆孔0.03個(圖5)。以沖擊鉆孔方式對1mm厚鈦合金板(5級)進行直徑為100μm的鉆孔,最高速度可達每秒1400個孔(圖6)。和使用皮秒級激光器加工材料相比,這一方式可以在獲得更高鉆孔率的同時保持優質的鉆孔質量。

  雕刻

  至于雕刻,其加工效果取決于功率、脈沖重復率和脈沖長度、影線距離和重疊情況。在一個大型重疊情況下, 加工速度較低,也更粗糙。需要依據不同質量需求,根據每種材料來確定理想的激光器和加工參數。

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  在實例檢測中,JenLas disk IR70 激光器分別使用短脈沖長度和長脈沖長度,以不同脈沖重復率加工鋁合金(AlMg3)和鎳合金(鉻鎳鐵合金)(表格5 和表格6)。

  很明顯,長脈沖(1000-1600納秒)適用于快速加工,而較短脈沖(200納秒)產生的熱影響區域更小,因此質量更好。高脈沖能量對于高生產率起著決定性作用。在使用長脈沖和高脈沖能量時,材料會很快達到熔化和蒸發溫度。

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  圖7中的雕刻示例展示了在鋁合金加工中,依賴于激光通道數量的脈沖能量的影響。在加工結束時,可以通過最終清理和拋光措施(即使用包含低脈沖能量和高脈沖重復率的加工步驟)來改進材料表面的粗糙度。

  小結

  對金屬的應用測試顯示,在毫焦耳范圍內的高脈沖能量和在數百納秒范圍內的脈沖長度提高了燒蝕和鉆孔工藝的生產率。但是在脈沖能量不變的情況下,短脈沖長度和高脈沖峰值會產生最佳的加工結果。由于選項設定靈活, JenLas disk IR70 和 JenLas disk IR70E激光器的激光參數可以依據不同應用需求進行調整,從而獲得最佳的生產率和質量。由于這些激光器的靈活性,以及適用于工業應用的設計,這些激光器就像是為工藝開發和成批生產的工業應用量身定做。至于在汽車業或航空業進行快速的金屬微加工時,面對不同加工任務而產生的需求迅速變更,這些激光器更是首選工具。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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