用1064纳米半导体激光数控机床在PMMA上进行精密钻孔

摘要

本文介绍了在2.5 mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上使用输出功率为5 W的1064 nm半导体激光器进行激光打孔的研究成果。考虑了不同的激光束功率、曝光时间和激光光斑位置对工件的影响。工件在低压辅助气体(20 - 60mmhg的空气)的存在下进行测试。实验结果与分析模型的预测结果一致。

1.介绍

三维固体的热传导由下列方程的解给出: 哪里，导热系数(网站内容管理⁻¹K⁻¹),密度(g厘米⁻³)和比热(Jkg⁻¹K⁻¹)取决于温度和位置。作用在固体上的热的速率是单位时间单位体积，还有是时候了吗[1］．

使用柱坐标和(图1)，则温度分布为[1，2］在那里,为径向坐标(孔半径)，为轴向坐标(热穿透深度)，和是第一类贝塞尔函数，是激光脉冲的恒定功率，为激光光斑在表面的半径，为材料的导热系数，为热扩散系数，为入射辐射被吸收的比例，是一个表示积分极限的整数，是曝光时间，还是是初始温度。

(的数值解2)，以确定材料内部任意点的温度分布随时间的函数设在了由[1，2］温度和时间的无量纲变量分别定义为[1，2］

因此,(3.)成为在稳定状态下，在焦点下方或中心的任何深度，在(6) [1，2］这意味着可达到的最高表面温度由[1］数字2举例说明(6)作为无因次温度的变化与以及焦点以下的深度。温度开始迅速上升，接近其稳态值的75%或，温度随时间的变化速率逐渐减小。的时间可以认为为热时间常数[1］．

2.实验工作

为了达到如图所示的最佳性能，我们设计并构造了一种特殊的激光头喷嘴3.．

在没有辅助气体喷嘴的情况下，激光头的输出功率为2.75 W，用功率计(Gentec TPM 300 CE)作为输出功率的平均值。在本工作中，喷嘴被设计成既作为一个普通辅助气体喷嘴，又作为一个可变孔径的辅助气体喷嘴(喷嘴尖直径可变化为0.4,0.6,0.8,1,1.2,1.5,3.0 mm)，如图所示4，用作a光圈(放置在准直透镜的腰部)[3.，4)，以允许选择不同的激光束输出功率，并抑制高阶模式。

对所有工件进行不同时间段的激光照射，以达到汽化温度并进行钻孔加工。在不使用辅助气体和使用辅助气体(使用压力分别为20、30、40、50和60 mmHg)的情况下，对不同的激光光斑位置(表面、中表面和下表面)的钻孔过程进行了检查。

数字5使用2.45 W的激光功率显示长宽比(深度与直径)和锥度比(出口与进口直径)的值，工件表面的焦点位置，以及在11次曝光时间下辅助气体压力为20毫米汞柱。

数据8，9,10说明不同工作条件下的温度分布。

3.仿真结果

表面焦点中心的最高温度由(7)．这个温度被代入(2)，其馀值为公式中所述(等)，并绘制温度分布图。的价值取代(2，为热时间常数()在焦点下面。这t表示材料达到蒸发温度所需的最大暴露时间，超过蒸发温度时，热量在材料内部而不是沿深度扩散。这个值的用于钻井过程的其余阶段。孔深用plot diagram测量，代入(8)确定．这被替换成(4)，以确定该深度的最高温度，该深度将被视为新表面。将新测得的温度代入(9)来测量这个深度的新激光功率。重复上述步骤多次，直到孔覆盖工件的整个厚度。知道每次新的厚度被添加到上一阶段的深度中，然后代入(2)．

4.结果与讨论

采用3 mm、1.5 mm和1.2 mm的喷嘴，分别对输出功率为2.45 W、1.82 W和0.96 W的激光进行分析，光斑半径为0.5 mm，热时间常数是2.25秒,工件材料(PMMA) 0.2 × 10⁻³W毫米⁻¹°K⁻¹，工件材料为0.11 mm²年代⁻¹，以及反射率为0.01。因此，工件表面的发射率，分别绘制2.45 W、1.82 W和0.96 W的曝光时间与表面温度的关系，如图所示6．

使用MATLAB程序包来展示所研究的案例。对于一个阶段的钻孔过程，我们发现无论暴露时间的增加，孔都不会超过工件的整个厚度的一定深度，并且热量在材料内部扩散(消散)，而不是沿着深度(图)7)．

图9

第一级温度分布;曝光时间，总功率，．第二阶段温度分布;曝光时间，总功率，．第三阶段温度分布;曝光时间，总功率，．

图10

第一级温度分布;曝光时间，总功率，．第二阶段温度分布;曝光时间，总功率，．第三阶段温度分布;曝光时间，总功率，．第四阶段温度分布;曝光时间，总功率，．

利用激光束功率所钻出的孔的长径比(深径比)和锥径比(出口直径比);图中分别为2.45 W、1.82 W和0.96 W8，9,10列于附表1．


权力(W)	孔直径毫米		纵横比	锥度比
权力(W)	入口	出口	纵横比	锥度比

2.45	0.700	0.300	3.571	0.428
1.82	0.650	0.200	3.846	0.308
0.96	0.500	0.200	5．0	0.400

这些值的和澄清辐射PMMA工件2.5毫米厚度的1064 nm CW 1 W的二极管激光器输出功率和曝光时间2.25年代导致孔钻探过程的实现一个可接受的质量相匹配的{进步最快的值所代表的比例最高(20 - 30)和最低锥度比(1) (5，6］．

5.结论

不同工况下的实验结果如表所示2显示不使用的辅助气体最好的孔可以通过聚焦几乎1 W的激光输出功率选择工件材料表面约2.5 s匹配最好的分析模型的结果如表的最后一行所示。


权力(W)	焦点的位置	锥度比	锥形曝光时间(s)	纵横比	相位曝光时间(s)	辅助气压(mmHg)

2.45	在表面	1	2.75	20.8	2.75	20.
＝	＝	1	2.5	16．6	2.5	30.
＝	＝	1	2.5	20.8	1．75	40
＝	＝	0．9	3.	22．2	０．７５	50
＝	＝	0．9	０．７５	22.7	０．７５	60
＝	在中期表面	1	1．75	16．6	1.5	20.
＝	＝	0．8	1．75	3.7	1．25	30.
＝	＝	1	1．25	17．8	1．25	40
＝	＝	0．9	3.5	4	3.5	50
＝	＝	0．9	3．75	7．8	3.5	60
＝	较低的表面	0．43	1．75	4.3.	1．75	20.
＝	＝	0.54	3．75	4.5	3．75	30.
＝	＝	0．6	4	4.5	3．75	40
＝	＝	0.37	1.5	4.5	4	50
＝	＝	0．4	4	4.4	０．７５	60
＝	＝	1	０．７５	31	０．７５	70
2.45	在表面	0．48	3．75	3.3.	2	非
＝	在中期表面	0．5	3.5	4	2	＝
＝	较低的表面	0．6	3．75	3.5	2	＝
1.82	在表面	0．5	3．75	3.5	2.5	＝
0.96	在表面	0．56	3.25	5	2.5	＝

此外，使用60毫米汞柱左右的低压辅助气体，激光输出功率为2.45 W，聚焦于工件表面，增强了钻孔过程，减少了所需的曝光时间。因此，本研究得出结论，在没有辅助气体的情况下，使用输出功率约为1w的连续波二极管激光器在2.5 mm厚的黑色丙烯酸(PMMA)材料上进行激光打孔工艺，当激光输出功率为2.45 W时，在辅助气体的存在下，辅助气体压力和焦位置对激光输出效果的影响最大。

参考文献

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材料科学与工程进展

金属材料加工进展

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