激光加工微孔工艺优化设计及其结构研究开题报告Word格式.docx

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教师：

王云龙

2016年3月4日

一、与本课题有关的国内外研究情况：

激光打孔是一种最早达到实用化的激光材料加工技术。

激光打孔技术具有精度高,通用性强,效率高,成本低及综合技术经济效益显著,已成为现代制造领域的关键技术之一。

目前,工业发达国家激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。

用激光打孔的零部件有飞机机翼、飞机防冰系统、航空涡轮发动机燃烧室及涡轮叶片、仪表宝石轴承、集成电路基板、燃油泵、喷油嘴、过滤器、记忆装置的铁淦氧体薄片、接触透镜等。

上世纪80年代的中、后期,以美国、德国为代表的工业发达的国家己将激光加工深微孔技术大规模的应用到飞机制造业等行业。

美国通用电器公司在涡轮叶片、喷嘴、外罩等打出直径为0.127~1.27mm，深度为1524mm的小孔；

美国一家发动机制造厂对涡轮发动机零件进行数万个冷却孔激光加工，孔径为0.25~1.25mm在透平压缩机燃料室衬砌里加工直径为1.17~12.5mm的小孔多个，且大多数孔对工件表面成25°

角；

英国的一家公司用高功率的激光束精确可控的加工小孔,在0.05英寸厚的不锈钢和钦板上加工出孔径为0.025英寸的小孔35万个；

原苏联基辅工学院用工业激光器在硬质合金毛坯上打中心孔,孔径为0.6~1.0mm，深度为6mm；

瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔,可以加工直径从20μm到80μm的微孔。

进入上世纪90年代，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。

例如,在飞机机翼上打上5万个直径为0.064mm的小孔,可以大大减少气流对飞机的阻力,取得节油的效果。

丹麦一家公司研究出高速打孔技术,在3mm厚的不锈钢材料上以65孔/秒的速度打孔,而在1mm厚的不锈钢上以100孔/秒的速度打出高质量的孔,以这样超级打孔的速度在1小时内可加工出以往需要5天才能打出的同样数量的孔；

日本在1mm厚的氮化硅板上打出孔径0.2mm的孔,在0.05mm的陶瓷薄膜上加工出孔径0.02mm的孔；

美国TRS公司利用激光打孔设备加工飞机防冰板上的群孔,孔径为0.06mm,每块板有3.5万个孔（防冰板尺寸为:

1.8m×

0.15m）；

美国伯罗兹公司的电子元件分公司在制造一种自动扫描荧光屏时,利用激光在此屏幕的厚度为76.2μm的金属阴极上精密地打出直径为50.8μm的微孔1.6万个,福特汽车用Robomatix400W激光加工系统,分成两束,在8轴龙门机床上,对Aerostor行李车车顶箱支架打孔,两路光束在30秒钟内各打5个孔；

欧盟于1999年完成了旨在研究激光亚微米加工的BRITEEURAM计划,实现了借助激光亚微米加工的高精度微型零件和光学模具结构的大批量生产。

其中包括用激光切割0.2mm厚、0.01mm宽的金属片,用激光在1mm厚的金属片上打直径为10μm的非锥形孔。

近年来,激光打孔技术己经广泛应用于高密度印刷线路板微通道打孔及芯片封装设备中,最新的世界微通道打孔信息显示,每年有超过300000万平方米的高密度多层印刷线路板是用激光来打孔的。

日木丰桥技术科学大学成功完成了晶体玻璃二维激光打孔实验,此技术可用于实现只对加工孔的尖端部进行加工的三维打孔技术。

国内近十年来,激光打孔技术发展也比较快,研究单位不断增加,应用领域不断扩大,激光打孔技术在拉丝模孔、手表宝石轴承孔、香烟水松纸孔、过滤筛孔、飞机发动机叶片群孔的加工中得到广泛的应用。

1993年我国的科研人员用激光在8mm厚的硬质合金上打出孔径为0.01~0.6mm的深微孔而在多种非金属材料上如人造钻石、陶瓷、玻璃、人类牙齿上打孔也相当的成功,孔径可达0.03mm,最小孔径可达到6μm,深度≥10mm,而且孔的圆度也较理想,但是在碳钢上利用激光打微孔的研究较少,尤其是系统研究含碳量对激光打孔质量影响的更少。

随着激光打孔技术的不断深入,激光器输出参数及激光器的种类、激光加工机的类型等都有了长足的发展。

国内外激光加工机生产技术日趋完善,激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展,一般激光打微孔的孔径是指上孔径小于0.5mm的孔。

当前,激光打孔最常用的方法是采用Nd：

YAG激光器以单脉冲方式进行打孔,其平均功率为350~500W,重复频率为30~100赫兹,脉冲能量为10J,环切一个孔的平均时间为4~10秒，脉宽为1ms,根据工业中的平均数据,单孔消耗能量为1200-1600焦耳。

中国大恒公司研制的激光打孔机,单脉冲能量5J,重复频率1、2、5、10、25、50Hz；

分档可调。

平均功率100W；

微机调控驱动X、Y平面工作台。

电子部11所研制的激光针头打孔机,孔径0.13~0.2mm；

连续工作大于16小时以上。

但是由于零件的材料日益多样化多是高硬度、高强度的耐热钢、不锈钢、硬质合金、陶瓷、金刚石等难加工材料以及激光打孔过程所经历的高温烧融和冷却凝结的复杂过程导致在孔壁上存在再铸层和裂纹等问题,使得所加工的小孔质量差,重复性低,锥度大,精度尺寸受到影响,孔壁粗糙度一般在Ra=12.5μm左右,这对于零件的质量保证是极为不利的,同时也限制了激光打孔在工业中的广泛应用。

为了提高打孔质量，我们应根据激光打孔的一般原理和特点,对影响激光打孔的主要参数进行分析,找出激光打孔最佳加工参数的选择方法，从而实现激光加工微孔工艺的优化。

2、本课题研究的主要内容及方法：

1、研究内容

激光打孔是利用脉冲激光所提供的“106一108w/cm2”的高功率密度以及优良的空间相干性,使工件被照射部位的材料汽化蒸发,进行金属等硬质材料的打孔。

激光打孔过程是一个激光和物质相互作用的热物理过程,存在着许多不同的能量转换过程,包括反射、吸收、汽化、再辐射和热扩散等,它是由激光光束特性包括激光的波长,脉冲宽度,聚焦状态等和物质诸多的物理特性决定的,因此,影响激光打孔的因素很多。

本毕业设计以发动机气膜冷却孔为研究背景，以叶片的高温合金材料为主要研究对象，进行激光打孔研究，主要研究内容为：

1.结合激光与物质相互作用的机理，系统的论证了激光打孔的基本原理。

利用有限元法，分析并解决了建立碳钢激光打微孔中热源模型的难题：

非稳态问题、非线性问题及相变问题。

利用有限元分析软件对碳钢激光打微孔过程的温度场进行模拟分析，得出不同时刻及不同能量时其温度场分布情况。

2.选取含碳量不同的三种耐热钢，进行激光打微孔实验。

用高精度LasagNd:

YAG激光器来进行实验，并用OLYMPUSBX51M光学显微镜读取数据，把模拟值与实验值进行了比较，为耐热钢激光打微孔实验参数的选取提供了依据。

3.在实验的基础上对激光打孔的工艺进行了分析和研究，得出了激光打孔中的参数：

脉冲能量、脉冲重复频率、脉冲宽度、离焦量，对碳钢激光打微孔质量的影响情况以及这种影响情况随着含碳量不同的变化。

以镍基合金为主要打孔材料，研究输出能量、激光重复频率、脉冲宽度、离焦量、辅助气体等对打微孔工艺的影响。

4.工艺参数分析，总结合金激光打微孔作用机理并优化工艺参数。

2、各项参数的控制

能量（J）

10

20

30

40

50

上孔径（mm）

下孔径（mm）

锥度（rad）

脉宽（ms）

1

1.5

2

2.5

3

孔径（mm）

深度（mm）

脉冲频率（J）

5

离焦量（mm）

-1.0

-0.5

0.5

1.0

辅助气体情况

孔的情况

有

无

高气压

低气压

氮气

氩气

三、本课题所需要解决的问题

随着科学技术的发展和社会的进步，高硬度、高熔点材料的应用也越来越多，此外，更多高、精、尖产品的关键零部件为提高产品的性能设计有数量繁多的微小孔，且这些零部件都在极高温、极高压条件下工作，使用环境苛刻。

为此，难加工材料微小孔的优质、高效、低成本加工方面的研究已成为激光打孔应用中的重点研究问题，是工程界广泛关注的焦点。

激光打孔技术以其特有的优势在现代工业制造中越来越受到重视，在航空、航天、国防装备等领域，利用激光加工小孔具有极大的商业价值。

打孔过程中产生的再铸层和微裂纹对零件质量有很大影响,在选择打孔工艺方法时一定要注意该工艺方法所能达到的冶金质量水平。

激光打孔工艺适应性强,打孔效率高,可广泛用于新机研制和非转动热端部件的气膜冷却孔加工。

在气膜冷却孔加工中最严重的问题,就是再铸层及微裂纹的产生与控制。

过厚的再铸层和微裂纹对于发动机热端部件的质量,尤其对于涡轮工作叶片的质量有着很大影响,必须对其加以严格控制。

所以本课题就是根据激光打孔的特点与实际加工环境建立激光打孔的热力学模型，利用有限元分析软件对激光打孔过程的温度场进行模拟仿真，通过对模拟结果的分析，为实际打孔之前选择最优打孔参数提供参考，从而提高激光打孔的效率，减少各种浪费，从理论和实验两个方面共同分析和比较各激光工艺参数对打孔质量的影响，以达到工艺参数优化，提高打孔质量的目的。

四、预期结果及其意义：

预期结果：

1.通过对合金材料进行变能量激光打微孔量的实验，我们可以发现能量高时打出的孔较大。

2.通过实验我们还能知道脉冲宽度对打微孔的质量有影响。

进一步发现窄脉宽可以得到较大的孔径，而且形状也比较规则。

而当脉冲宽度变大时，激光能量主要以材料在打孔区域横向热传导方式表现出来，这时在材料破坏过程中，熔化过程占优势，较小的金属蒸汽压力不能把液相物质从孔内排除，使其无规律的重新凝结于孔内壁上，造成孔深度和孔的直径减小，孔的表面粗糙度降低，孔的尺寸精度下降。

3.在脉冲重复频率增加的过程中，孔径大小的变化不是很明显。

随着脉冲重复频率的增加，孔的锥度是增加的。

4.随着离焦量的增加，孔的锥度是递减的。

在三种不同厚度的试件中，2mm和3mm的锥度相对稳定，更加符合规律；

而对于1mm厚的试件，由于厚度太小，离焦量的变化对其锥度影响较大，但还是随着离焦量的增大而减小的。

5.辅助气体也是影响激光打微孔质量的一个重要参数，它起到吹除液态金属及冷却工件的作用，发现对于碳钢材料来说，用氩气作为辅助气体是效果最佳的，当压强为0.6MPa时效果最好。

研究意义：

更加深入的了解对镍基高温合金激光打孔机理的理解，填补了这方面研究的空缺，为日后的激光打孔做出指导，提高激光打孔的质量和效率。