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光學工程
短脈沖與超短脈沖激光器加工新技術

超短脈沖激光在噴油嘴鉆孔的應用 

超短脈沖激光技術的工業化應用和其他成熟的激光技術相比,尚處于初期階段,關鍵在于激光和材料之間的相互周期。參照圖一,在冷加工領域里,材料和激光的相互周期是10皮秒以下,與打標和燒蝕相比,相互周期短了近1000倍。轉瞬間,材料因為受到高能量密度的影響,而產生一個非線性吸收的效應,這是使材料瞬間升華。 

在汽車發動機、柴油與汽油注射器的噴油嘴加工中,就利用了超短脈沖激光器,在噴油嘴上鉆出細微的小孔。激光能鉆出排列復雜以及非一致的細微孔徑。這種結構能使發動機提高燃燒效率,產生高達20%的燃料節省率。激光也不會受發動機級別的限制,是一種高柔性的制造工具。所以不論是城市小轎車所用的小型發動機或是豪華轎車的較大型發動機,都能運用這項技術。

激光在1s內發出了無數個脈沖,輻射在材料上。每個單脈沖都能幾乎不產生熱效應的去除材料。噴油嘴的孔徑一般在0.05–0.2mm之間。同時,不同的鉆孔工藝,包括沖擊鉆孔、螺旋鉆孔等,可以滿足不同的直徑需求,同時也能實現工差在1μm以內的高精度。超短脈沖激光鉆孔也基于冷加工的理念,在鉆孔過程中所產生的粉塵能輕易地使用排氣管吸走,不留下沉積物。因此超短脈沖能高效地鉆出高質量的孔,而不需后續加工。 

近幾年,通快在超短脈沖激光領域里有很大的突破。TruMicro 5000的產品系列是全球第一個適用于工業化應用的高功率超短脈沖激光器。TruMicro 5000基于碟片的激光技術能實現高達150W的平均功率,配備了雙回路反饋的專利技術,保證了脈沖能量的高穩定性能。除此之外,由于雙回路反饋使用了外調制器控制輸出的脈沖能量,所以能保證在不同的能量與功率參數下,光束質量和脈寬完全不受影響。


超短脈沖激光在噴油嘴鉆孔的應用 

超短脈沖激光技術的工業化應用和其他成熟的激光技術相比,尚處于初期階段,關鍵在于激光和材料之間的相互周期。參照圖一,在冷加工領域里,材料和激光的相互周期是10皮秒以下,與打標和燒蝕相比,相互周期短了近1000倍。轉瞬間,材料因為受到高能量密度的影響,而產生一個非線性吸收的效應,這是使材料瞬間升華。 

在汽車發動機、柴油與汽油注射器的噴油嘴加工中,就利用了超短脈沖激光器,在噴油嘴上鉆出細微的小孔。激光能鉆出排列復雜以及非一致的細微孔徑。這種結構能使發動機提高燃燒效率,產生高達20%的燃料節省率。激光也不會受發動機級別的限制,是一種高柔性的制造工具。所以不論是城市小轎車所用的小型發動機或是豪華轎車的較大型發動機,都能運用這項技術。

激光在1s內發出了無數個脈沖,輻射在材料上。每個單脈沖都能幾乎不產生熱效應的去除材料。噴油嘴的孔徑一般在0.05–0.2mm之間。同時,不同的鉆孔工藝,包括沖擊鉆孔、螺旋鉆孔等,可以滿足不同的直徑需求,同時也能實現工差在1μm以內的高精度。超短脈沖激光鉆孔也基于冷加工的理念,在鉆孔過程中所產生的粉塵能輕易地使用排氣管吸走,不留下沉積物。因此超短脈沖能高效地鉆出高質量的孔,而不需后續加工。 

近幾年,通快在超短脈沖激光領域里有很大的突破。TruMicro 5000的產品系列是全球第一個適用于工業化應用的高功率超短脈沖激光器。TruMicro 5000基于碟片的激光技術能實現高達150W的平均功率,配備了雙回路反饋的專利技術,保證了脈沖能量的高穩定性能。除此之外,由于雙回路反饋使用了外調制器控制輸出的脈沖能量,所以能保證在不同的能量與功率參數下,光束質量和脈寬完全不受影響。

激光在汽車制造行業里的應用很常見,已經成為了一種符合工業標準的工具,尤其是激光切割和焊接在這個行業里最為普遍。在汽車制造的各個環節里,激光扮演了舉足輕重的角色,其中一直都被較少關注,但其重要性卻不容小覷的短脈沖與超短脈沖激光器,越來越受到追捧。 

短脈沖與超短脈沖激光器是脈沖形式的激光,脈沖周期的寬度(脈寬)包括納秒、皮秒、飛秒等。其中皮秒和飛秒激光器就是激光行業里所稱的超短脈沖激光器。短脈沖激光器被廣泛應用于激光打標,比如我們常見的汽車零部件上所標刻的二維碼就是短脈沖激光器技術的杰作。近年來,隨著新技術的發展,使得短脈沖激光器的平均功率大幅增加。另一方面,長期以來只適用于科研院所的超短脈沖激光,也隨著工業化設計的突破逐漸進入了工業應用。

激光應用圖,激光與材料相互作用周期以及相對的應用領域

 

短脈沖激光在熱成型制造里的應用 

在熱成型沖壓的制造環節里,從開卷下料一直到完整成型的汽車部件里,幾乎每一個環節都可以運用通快的激光切割、焊接、燒蝕以及打標等激光應用技術。其中應用于燒蝕的短脈沖激光器是激光在汽車行業里不斷突破的新興應用領域。

熱成型里利用剪裁拼焊板是輕量化汽車結構的一大趨勢。它不僅能減低整車的重量,也能通過拼湊不同材料而獲得最佳的材料性質。這些熱成型部件含有一層抗腐蝕的鋁硅涂層,在焊接步驟前必須取出。若不去除這涂層,導致鋁含量滲入焊縫,會對材料的機械性質帶來很大的負面影響。有效去除涂層是整個工藝的基本需求,但同時鋼板的基材也不能因去除工藝而受損,也不能因去除過程所導入的能量而改變基材的性質。所以去除過程不僅需要高效率,也需要選擇性高的可調控技術。所以,在整個熱成型制造環節里,必須具備一個高效的選擇性去除涂層工藝,以保證整個加工流程的效率。

激光與傳統噴沙或化學工藝相比,更加高效、總成本更低并且更環保。通快的TruMicro 7050在此工藝里能很好地滿足高效與高穩定性的需求。TruMicro 7050平均功率達750W,脈沖寬度達30ns,脈沖能量最高達80mJ,能實現高達5.7cm2/s的面積燒蝕率,加工速度高達 17m/s。激光器還需要搭配可調的光學鏡組,在不同的材料上,根據涂層的厚度以及去除寬度需求做出相對的光束整形。光束整形能確保光斑有適當的能量密度以及線寬,保證高效的選擇性激光燒蝕。

 

 


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