毫秒激光打孔中小孔对入射激光的吸收(2)

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五十多年来，激光加工技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域。激光加工技术实现了光、机、电技术相结合，是一种先进制造技术，目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触，不需要工模具，清洁，效率较高，方便实行数控和可以用来进行特殊加工，已经广泛应用于汽车、航空航天、机械、冶金、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业等众多领域。随着科学技术的不断进步与应用，激光加工技术必定还会进一步向其他领域迈进。

在激光加工技术中，激光打孔应用比激光切割，激光焊接要少，但在一些领域中激光打孔还是起到了很重大的作用。

2 研究现状

3 激光与材料作用的理论基础

3.1 激光加工的四个过程

激光束采用光学聚焦系统，可以将激光束会聚到微米量级的极小范围内，其功率密度可高达108~1015W/cm2，当这种微细的高能激光束照射到工件上时，由于这种高强热源对材料加热的结果，可使得照射区内的温度瞬时上升到一万度以上，从而引起被照射区内的材料瞬时熔化并大量汽化蒸发，气压急剧上升，高速气流猛烈向外喷射，在照射点上立即形成一个小凹坑[11, 12]。

随着激光能量的不断输入，凹坑内的汽化程度加剧，蒸汽量急剧增多，气压骤然上升，对凹坑的四周产生强烈的冲击波作用，致使高压蒸汽带着溶液，从凹坑底部高速向外喷射，火花飞溅，如同产生一种局部微型爆炸那样，在工件上迅速打出一个具有一定锥度的小孔。由于蒸汽总是先从熔融的凹坑内部向外喷射，起始阶段必然会形成较大的立体角，故用激光打出来的孔，总是具有一定的锥度，其激光束入口端呈喇叭形。在脉冲宽度为微米量级时，对于单束脉冲激光打孔的过程，可以用一个模式的四个相关过程来描述[13, 14]：

1)表面加热：激光束聚焦到金属表面上，光与电子通过菲涅尔吸收原理相互作用。受激电子与晶格光子和其它电子发生碰撞，能量很快转化成热量传到一层很薄的只有几纳米厚的表层。

2)表面熔化：如果激光强度和相互作用时间充足，表面的薄层开始熔化。激光束的强度非常高，这使表面熔化的时间远远短于内部材料的有效热传导。

3)蒸发：在这一点，光照区域的表面温度要高于材料的沸点，这时蒸发开始了。当蒸发的材料自由排放到大气中时，蒸汽压力比周围压力高很多，这使溢出的蒸汽加速。

4)熔融物的喷溅：同蒸发一样，两种类型的熔融物喷溅现象可能发生。喷溅可能作为由打孔过程中的成核机制作用引起的剧烈沸腾的一种结果而存在。低于表面的材料能变成过热的蒸汽，因此，产生了一种突发的液态到气态的转变，这导致了小蒸汽泡在流质表面下迅速形成和扩大。高压和快速膨胀引起了热爆炸，液态金属从孔中破了的气泡区域喷射出来。

反作用压力引起与入射光线垂直方向上的熔化物质的加速度。对熔化物的不断加热，使孔的直径沿轴呈放射状增大。生成孔的几何形状，同时反作用压力导致同轴的熔化物流向入射光束。随着熔化物沿孔壁流动，熔化物渐渐冷却，同时粘性增加且速率降低，从而凝固成为重铸层，且厚度渐增。随着重铸层厚度的进一步增加，开始到达临界值，入射光束被遮蔽，并且孔的闭包出现。由材料的性质和作用过程中的激光参数决定，打出的闭包发展到一个临界的孔深。这些闭包能再次用激光去除。随着孔深的逐渐增加，打孔过程由于孔壁对于激光射线的反射而持续进行。空间强度的分布由于孔壁对激光射线的反射被改变，并且由于周围几何形态的变化而吸收减弱。这两个过程导致孔内变化移动的熔化物生成闭包并使打孔效率降低。而且这些过程导致了熔化物排除的不稳定和中断。总之，激光打孔是在极短的时间内完成的，孔的形成是材料在高功率密度激光束的照射下产生的一系列热物理现象相互作用的结果。论文网