Wiercenie laserowe - Laser drilling

Wiercenie laserowe to proces tworzenia otworów przelotowych, określanych jako „wysklepione” lub „wiercone udarowo”, poprzez powtarzalne pulsowanie skupionej energii lasera na materiale. Średnica tych otworów może wynosić zaledwie 0,002 ”(~ 50 μm). Jeśli wymagane są większe otwory, laser przesuwa się po obwodzie „wysklepionego” otworu, aż do uzyskania żądanej średnicy; technika ta nazywana jest „trepanowaniem”.

Aplikacje

Wiercenie laserowe jest jedną z niewielu technik wykonywania otworów o dużym współczynniku kształtu - otworów o stosunku głębokości do średnicy znacznie większym niż 10: 1.

Wiercone laserowo otwory o wysokim współczynniku kształtu są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w tym w galeriach olejowych niektórych bloków silnika , otworach chłodzących turbin lotniczych, elementach syntezy laserowej i mikro-przelotkach płytek drukowanych .

Producenci silników turbinowych do napędu samolotów i do wytwarzania energii odnieśli korzyści z produktywności laserów do wiercenia małych (typowo o średnicy 0,3–1 mm) otworów cylindrycznych pod kątem 15–90 ° do powierzchni w elementach odlewanych, blaszanych i obrabianych. Ich zdolność do wiercenia otworów pod płytkimi kątami względem powierzchni z szybkością od 0,3 do 3 otworów na sekundę umożliwiła nowe projekty zawierające otwory chłodzące folią w celu poprawy wydajności paliwowej , zmniejszenia hałasu i niższej emisji NOx i CO.

Stopniowe ulepszenia procesów laserowych i technologii sterowania doprowadziły do ​​znacznego wzrostu liczby otworów chłodzących stosowanych w silnikach turbinowych. Podstawą tych ulepszeń i zwiększonego wykorzystania otworów wierconych laserowo jest zrozumienie zależności między parametrami procesu a jakością otworu i prędkością wiercenia .

Teoria

Poniżej znajduje się podsumowanie spostrzeżeń technicznych dotyczących procesu wiercenia laserowego oraz związku między parametrami procesu a jakością otworu i prędkością wiercenia.

Zjawiska fizyczne

Wiercenie laserowe otworów cylindrycznych zwykle odbywa się poprzez topienie i odparowywanie (określane również jako „ ablacja ”) materiału przedmiotu obrabianego poprzez pochłanianie energii z skupionej wiązki laserowej .

Energia wymagana do usunięcia materiału przez stopienie wynosi około 25% energii potrzebnej do odparowania tej samej objętości, dlatego często preferowany jest proces usuwania materiału przez stopienie.

To, czy topienie czy parowanie dominuje w procesie wiercenia laserowego, zależy od wielu czynników, przy czym czas trwania impulsu laserowego i energia odgrywają ważną rolę. Mówiąc ogólnie, ablacja dominuje, gdy stosowany jest laser Nd: YAG z przełączaniem Q. Z drugiej strony, wypychanie stopu, środek, za pomocą którego powstaje dziura poprzez topienie materiału, dominuje, gdy używany jest laser Nd: YAG z pompą błyskową . Laser Nd: YAG z przełączaniem dobroci ma zwykle czas trwania impulsu rzędu nanosekund , moc szczytową rzędu dziesięciu do setek MW / cm 2 i szybkość usuwania materiału rzędu kilku mikrometrów na impuls. Laser Nd: YAG pompowany przez lampę błyskową ma zwykle czas trwania impulsu rzędu setek mikrosekund do milisekundy , moc szczytową rzędu sub MW / cm 2 i szybkość usuwania materiału rzędu dziesięciu do setek mikrometrów na impuls. W przypadku procesów obróbki za pomocą każdego lasera zazwyczaj współistnieją ablacja i usuwanie stopu.

Wyrzucanie stopu powstaje w wyniku szybkiego wzrostu ciśnienia gazu (siły odrzutu) we wnęce utworzonej przez parowanie . Aby nastąpiło wyrzucenie stopu, musi powstać stopiona warstwa, a gradienty ciśnienia działające na powierzchnię z powodu parowania muszą być wystarczająco duże, aby przezwyciężyć siły napięcia powierzchniowego i wypchnąć stopiony materiał z otworu.

„Najlepsze z obu światów” to pojedynczy system zdolny zarówno do „drobnego”, jak i „zgrubnego” usuwania stopu. Wydalanie „drobnego” stopu daje cechy o doskonałej definicji ściany i małej strefie wpływu ciepła, podczas gdy „zgrubne” usuwanie stopu, takie jak stosowane przy wierceniu udarowym i trepanacji , szybko usuwa materiał.

Siła odrzutu jest silną funkcją szczytowej temperatury . Wartość T cr, dla której siły odrzutu i napięcia powierzchniowego są równe, jest temperaturą krytyczną dla wydalania cieczy. Na przykład wydalenie cieczy z tytanu może mieć miejsce, gdy temperatura w środku otworu przekroczy 3780 K.

We wczesnych pracach (Körner i in., 1996) stwierdzono, że proporcja materiału usuwanego przez wypychanie stopu wzrasta wraz ze wzrostem intensywności. Nowsza praca (Voisey i in., 2000) pokazuje, że frakcja materiału usuwanego przez wypychanie stopu, określana jako frakcja wyrzutu stopu (MEF), spada, gdy energia lasera dalej rośnie. Początkowy wzrost wydalania stopu po podniesieniu mocy wiązki został wstępnie przypisany wzrostowi ciśnienia i gradientu ciśnienia generowanego w otworze przez parowanie.

Lepsze wykończenie można uzyskać, wyrzucając stopiony materiał w postaci drobnych kropelek. Ogólnie rzecz biorąc, rozmiar kropli zmniejsza się wraz ze wzrostem intensywności impulsu. Wynika to ze zwiększonej szybkości parowania, a tym samym cieńszej stopionej warstwy. Przy dłuższym czasie trwania impulsu większy całkowity pobór energii pomaga w utworzeniu grubszej stopionej warstwy i skutkuje wyrzucaniem odpowiednio większych kropel.

Poprzednie modele

Chan i Mazumder (1987) opracowali 1-D model w stanie ustalonym, aby uwzględnić kwestię wydalania cieczy, ale założenie 1-D nie jest odpowiednie do wiercenia otworów o wysokim współczynniku wydłużenia, a proces wiercenia jest przejściowy. Kar i Mazumder (1990) rozszerzyli model do 2-D, ale wydalanie stopu nie zostało wyraźnie uwzględnione. Bardziej rygorystyczne traktowanie wypychania stopu zostało przedstawione przez Ganesh i in. (1997), który jest uogólnionym modelem przejściowym 2-D uwzględniającym ciało stałe, płyn, temperaturę i ciśnienie podczas wiercenia laserowego, ale jest wymagający obliczeniowo. Yao i in. (2001) opracowali dwuwymiarowy model przejściowy, w którym warstwa Knudsena jest rozważana na froncie stopionej pary i model jest odpowiedni do ablacji laserowej z krótszym impulsem i wysoką mocą szczytową.

Absorpcja energii lasera i czoło stopionej pary

Na froncie stopionej pary normalnie do opisu absorpcji energii lasera stosuje się warunek brzegowy Stefana (Kar i Mazumda, 1990; Yao, et al., 2001).

(1)

gdzie jest pochłonięta intensywność lasera, β jest współczynnikiem absorpcji lasera w zależności od długości fali lasera i materiału docelowego, a I (t) opisuje czasową intensywność lasera wejściowego, w tym szerokość impulsu, częstotliwość powtarzania i czasowy kształt impulsu. K jest przewodność cieplna , T oznacza temperaturę, z i R są odległości wzdłuż kierunku osiowym i promieniowym, p jest gęstością , V prędkość , L v utajonego ciepła parowania. Indeksy dolne l , v i i oznaczają odpowiednio fazę ciekłą, fazę parową i granicę faz para-ciecz.

Jeżeli intensywność lasera jest wysoka, a czas trwania impulsu krótki, zakłada się, że tak zwana warstwa Knudsena istnieje na czole stopionej pary, gdzie zmienne stanu ulegają nieciągłym zmianom w całej warstwie. Rozważając nieciągłość w warstwie Knudsena, Yao i in. (2001) zasymulowali rozkład prędkości wgłębienia powierzchniowego V v , wzdłuż kierunku promieniowego w różnych momentach, co wskazuje, że szybkość ablacji materiału zmienia się znacząco w warstwie Knudsena.

Wydalenie stopu

Po uzyskaniu ciśnienia pary s v , płynięcia stopu warstwy i wydalanie może być modelowany za pomocą równania hydrodynamiczne (Ganesh i wsp., 1997). Wyrzucanie stopu występuje, gdy ciśnienie pary jest przykładane na wolną od cieczy powierzchnię, która z kolei odpycha stopiony materiał w kierunku promieniowym. Aby uzyskać dokładne wypychanie stopu, należy bardzo precyzyjnie przewidzieć wzór płynięcia stopu, zwłaszcza prędkość przepływu stopu na krawędzi otworu. W związku z tym stosowany jest dwuwymiarowy osiowo - symetryczny model przejściowy i odpowiednio równania pędu i ciągłości.

Model wyrzucania stopu firmy Ganesh jest wszechstronny i może być stosowany na różnych etapach procesu wiercenia otworów. Jednak obliczenia są bardzo czasochłonne, a Solana i in. (2001) przedstawili uproszczony model zależny od czasu, który zakłada, że ​​prędkość wypychania stopu zachodzi tylko wzdłuż ściany otworu i może dawać wyniki przy minimalnym wysiłku obliczeniowym.

Ciecz będzie przemieszczać się w górę z prędkością u jako konsekwencja gradientu ciśnienia wzdłuż pionowych ścianek, który z kolei wynika z różnicy między ciśnieniem ablacji a napięciem powierzchniowym podzielonym przez głębokość penetracji x .

Zakładając, że czoło wiercenia porusza się ze stałą prędkością, poniższe równanie liniowe ruchu cieczy po pionowej ścianie jest dobrym przybliżeniem do modelowania wypychania stopu po początkowym etapie wiercenia.

(2)

gdzie p to gęstość stopu, μ to lepkość cieczy, P (t) = (ΔP (t) / x (t)) to gradient ciśnienia wzdłuż warstwy cieczy, ΔP (t) to różnica między parą ciśnienie P v i napięcie powierzchniowe .

Efekt kształtu impulsu

Roos (1980) wykazał, że ciąg 200 µs składający się z impulsów 0,5 µs daje lepsze wyniki w wierceniu metali niż 200 µs impuls o płaskim kształcie. Anisimov i in. (1984) odkryli, że wydajność procesu poprawiła się poprzez przyspieszenie topnienia podczas impulsu.

Grad i Mozina (1998) dodatkowo wykazali wpływ kształtów impulsów. Na początku, w środku i na końcu impulsu 5 ms dodano skok 12 ns. Gdy kolec 12 ns dodano na początku długiego impulsu laserowego, gdzie nie wytworzono stopu, nie zaobserwowano znaczącego wpływu na usuwanie. Z drugiej strony, gdy kolec został dodany w środku i na końcu długiego impulsu, poprawa sprawności wiercenia wyniosła odpowiednio 80 i 90%. Zbadano również wpływ kształtowania między impulsami. Low i Li (2001) wykazali, że ciąg impulsów o liniowo rosnącej wielkości miał znaczący wpływ na procesy wydalania.

Forsman i in. (2007) wykazali, że podwójny strumień impulsów zapewnia zwiększoną prędkość wiercenia i skrawania przy znacznie czystszych otworach.

Wniosek

Producenci stosują wyniki modelowania procesów i metod eksperymentalnych, aby lepiej zrozumieć i kontrolować proces wiercenia laserowego. Rezultatem jest wyższa jakość i bardziej produktywne procesy, które z kolei prowadzą do lepszych produktów końcowych, takich jak oszczędniejsze i czystsze samoloty oraz silniki turbinowe generujące moc.

Zobacz też

Bibliografia