在元件上開個(gè)小孔是件很常見的事。但是,如果要求在堅(jiān)硬的材料上,比如在硬質(zhì)合金上打大量0.1毫米到幾微米直徑的小孔,用普通的機(jī)械加工工具怕是不容易 辦到,即使能夠做,加工成本也會很高。現(xiàn)有的機(jī)械加工技術(shù)在材料上激光打微型小孔是采用每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)或者幾十萬轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)小鉆頭加工的,用這個(gè)辦法一般也只 能加工孔徑大于0.25毫米的小孔。在今天的工業(yè)生產(chǎn)中往往是要求加工直徑比這還小的孔。比如在電子工業(yè)生產(chǎn)中,多層印刷電路板的生產(chǎn),就要求在板上鉆成 千上萬個(gè)直徑約為0.1~0.3毫米的小孔。
顯然,采用剛才說的鉆頭來加工,遇到的困難就比較大,加工質(zhì)量不容易保證,加工成本不低。早在本世紀(jì)60年代 后,科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室就用激光在鋼質(zhì)刀片上打出微小孔,經(jīng)過近30年的改進(jìn)和發(fā)展,如今用激光在材料上打微小直徑的小孔已無困難,而且加工質(zhì)量好。打出的小 孔孔壁規(guī)整,沒有什么毛刺。打孔速度又很快,大約千分之一秒的時(shí)間就可以打出一個(gè)孔。
激光在材料上鉆出小孔的道理很簡單(皮衣面料雕花打孔機(jī)),做法也不復(fù)雜。激光有很好的相干性,用光學(xué)系統(tǒng)可以把它聚焦成直徑很微小的光點(diǎn)(小于1微米),這相當(dāng)于用來鉆孔的“微型鉆頭”。其次,激光的亮度很高,在聚焦的焦點(diǎn)上 的激光能量密度(平均每平方厘米面積上的能量)會很高,普通一臺激光器輸出的激光,產(chǎn)生的能量就可以高達(dá)109焦耳/厘米2,足可以讓材料發(fā)生熔化并汽 化,在材料上留下一個(gè)小孔,和用鉆頭鉆出來的一個(gè)樣。
怎樣用好激光“鉆頭”,激光科學(xué)工作者也做了許多研究工作。他們發(fā)現(xiàn),用每秒發(fā)射許多個(gè)光脈沖(通常叫高重復(fù)率激光脈沖)做“鉆頭”,打出來的小孔質(zhì) 量比用單個(gè)光脈沖,或每秒時(shí)間內(nèi)少數(shù)幾個(gè)光脈沖打出來的孔好。道理大概是這樣:在用每秒一個(gè)光脈沖或少數(shù)幾個(gè)脈沖打孔時(shí),對每個(gè)光脈沖的激光能量要求比較 高,讓材料能被加熱至熔化才能打出孔。但是,融熔了的材料沒有辦法充分汽化,卻把在它附近的材料加熱和使它們汽化,結(jié)果,被打出來的小孔在形狀大小上就不 那么規(guī)整。如果使用的是高重復(fù)率激光器輸出的光脈沖,這時(shí)每個(gè)光脈沖平均的能量并不很高,但由于光脈沖的寬度窄,功率水平卻不低。于是每個(gè)激光脈沖在材料 上形成的融熔體不多,主要是發(fā)生汽化。由于使小孔附近的材料加熱時(shí)融熔體很少,因而也就不出現(xiàn)在用單脈沖打孔時(shí)出現(xiàn)的事。打出的小孔形狀和大小就規(guī)整得多 了。
要使打出的小孔質(zhì)量高,還需要注意激光焦點(diǎn)位置的選擇。選擇焦點(diǎn)位置的原則大致是這樣:對于比較厚的材料,激光束焦點(diǎn)位置應(yīng)位于工件的內(nèi)部,如果材料 比較薄,激光束焦點(diǎn)需放在工件表面的上方。這樣的安排會讓打出來的小孔上下大小基本上一致,不出現(xiàn)“桶狀”的小孔。
用激光在材料上鉆孔,鉆出的小孔質(zhì)量不僅非常好,特別是在打大量同樣的小孔時(shí),還能保證多個(gè)小孔的尺寸形狀統(tǒng)一,而且鉆孔速度快,生產(chǎn)效率高。所以, 除在電子工業(yè)生產(chǎn)中用激光打微孔外,其他許多工業(yè)生產(chǎn)部門都在采用,比如普通香煙過濾嘴上的小孔、噴霧器閥門上的小孔,也在采用激光加工。噴霧器罐和瓶子頸 部都有一個(gè)用來控制壓縮物質(zhì)(比如除臭劑、油料或者其他液體)的流量,閥門使用的性能就由噴霧器上這只小孔來決定了。這只小孔的直徑為10微米到40微 米,用其他機(jī)械加工方法不那么好做,用激光來加工,能保證質(zhì)量,每小時(shí)還可以打4萬個(gè)小孔呢。
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