Laserové vrtání - Laser drilling
Laserové vrtání je proces vytváření průchozích otvorů, které se označují jako „prasklé“ otvory nebo „příklepem vyvrtané“ otvory opakovaným pulzováním zaměřené laserové energie na materiál. Průměr těchto otvorů může být až 0,002 palce (~ 50 μm). Pokud jsou požadovány větší díry, pohybuje se laser po obvodu „vyskočené“ díry, dokud není vytvořen požadovaný průměr; tato technika se nazývá „trepanning“.
Aplikace
Laserové vrtání je jednou z mála technik pro výrobu otvorů s vysokým poměrem stran - otvorů s poměrem hloubky k průměru mnohem větším než 10: 1.
Laserem vyvrtané otvory s vysokým poměrem stran se používají v mnoha aplikacích, včetně olejové galerie některých bloků motoru, otvorů pro chlazení turbínových motorů v leteckém průmyslu, komponentů laserové fúze a průchodů na desce plošných spojů .
Výrobci turbínových motorů pro letecký pohon a pro výrobu energie těží z produktivity laserů pro vrtání malých (obvykle o průměru 0,3–1 mm) válcových otvorů při 15–90 ° k povrchu v litých, plechových a obráběných součástech. Jejich schopnost vrtat díry v mělkých úhlech k povrchu rychlostí mezi 0,3 a 3 otvory za sekundu umožnila nové konstrukce zahrnující otvory pro chlazení filmu pro lepší účinnost paliva , nižší hluk a nižší emise NOx a CO.
Přírůstková vylepšení laserových procesů a řídicích technologií vedla k podstatnému zvýšení počtu chladicích otvorů používaných v turbínových motorech. Základem těchto vylepšení a zvýšeného používání laserem vyvrtaných děr je porozumění vztahu mezi parametry procesu a kvalitou děr a rychlostí vrtání .
Teorie
Následuje souhrn technických poznatků o procesu laserového vrtání a vztahu mezi parametry procesu a kvalitou díry a rychlostí vrtání.
Fyzikální jevy
K laserovému vrtání válcových otvorů obvykle dochází tavením a odpařováním (také označovaným jako „ ablace “) materiálu obrobku absorpcí energie ze zaostřeného laserového paprsku .
Energie potřebná k odstranění materiálu tavením je asi 25% energie potřebné k odpaření stejného objemu, takže je často upřednostňován proces, při kterém se materiál odstraňuje tavením.
To, zda je v procesu laserového vrtání dominantnější tavení nebo odpařování, závisí na mnoha faktorech, přičemž důležitou roli hraje doba trvání laserového pulzu a energie. Obecně řečeno, při použití Q-přepínaného Nd: YAG laseru dominuje ablace. Na druhou stranu, z taveniny vyhnání, prostředky, kterými je otvor vytvořen pomocí roztavení materiálu, dominuje když výbojka čerpané Nd: YAG laserem se používá. Q-přepínaný Nd: YAG laser má normálně trvání pulzu v řádu nanosekund , špičkový výkon v řádu deseti až stovek MW / cm 2 a rychlost úběru materiálu několik mikrometrů na puls. Blesková lampa čerpaná laserem Nd: YAG má obvykle dobu pulzu řádově stovky mikrosekund až milisekundu , špičkový výkon řádově pod MW / cm 2 a rychlost úběru materiálu deset až stovky mikrometrů na puls. Pro procesy obrábění každým laserem typicky koexistují ablace a vytlačování z taveniny.
Vypuzení taveniny vzniká v důsledku rychlého nárůstu tlaku plynu (síla zpětného rázu) v dutině vytvořené odpařováním . Aby došlo k vypuzení taveniny, musí se vytvořit roztavená vrstva a tlakové gradienty působící na povrch v důsledku odpařování musí být dostatečně velké, aby překonaly síly povrchového napětí a vytlačily roztavený materiál z otvoru.
„To nejlepší z obou světů“ je jediný systém schopný „jemného“ i „hrubého“ vypuzování taveniny. „Jemné“ vypuzování taveniny vytváří vlastnosti s vynikající definicí stěny a malou tepelně ovlivněnou zónou, zatímco „hrubé“ vypouštění taveniny, jaké se používá při příklepovém vrtání a trepanování , rychle odstraňuje materiál.
Síla zpětného rázu je silnou funkcí maximální teploty . Hodnota Trr, pro kterou jsou síly zpětného rázu a povrchového napětí stejné, je kritická teplota pro vypuzování kapaliny. Například může dojít k kapalnému vypuzení z titanu, když teplota ve středu otvoru přesáhne 3780 K.
V rané práci (Körner, et al., 1996) bylo zjištěno, že podíl materiálu odstraněného vytlačováním z taveniny se zvyšuje se zvyšující se intenzitou. Novější práce (Voisey, et al., 2000) ukazují, že frakce materiálu odstraněného vytlačováním z taveniny, označovaná jako frakce ejekční z taveniny (MEF), klesá, když se laserová energie dále zvyšuje. Počáteční nárůst vypuzování taveniny při zvyšování výkonu paprsku byl předběžně přičítán zvýšení tlaku a gradientu tlaku generovaného v díře odpařováním.
Lepšího povrchu lze dosáhnout, pokud je tavenina vytlačována v jemných kapičkách. Obecně řečeno, velikost kapiček klesá s rostoucí intenzitou pulzu. To je způsobeno zvýšenou rychlostí odpařování a tím i tenčí roztavenou vrstvou. Pro delší trvání pulsu pomáhá větší celkový vstup energie vytvořit silnější roztavenou vrstvu a vede k vypuzení odpovídajících větších kapiček.
Předchozí modely
Chan a Mazumder (1987) vyvinuli 1-D model v ustáleném stavu, který zahrnuje uvažování o kapalném vypuzení, ale 1-D předpoklad není vhodný pro vrtání otvorů s vysokým poměrem stran a proces vrtání je přechodný. Kar a Mazumder (1990) rozšířili model na 2-D, ale vyloučení taveniny nebylo výslovně zohledněno. Přísnější zacházení s vypuzováním z taveniny představili Ganesh a kol. (1997), což je 2-D přechodný zobecněný model pro začlenění pevných látek, tekutin, teploty a tlaku během laserového vrtání, ale je výpočetně náročný. Yao a kol. (2001) vyvinuli 2-D přechodový model, ve kterém se uvažuje Knudsenova vrstva na přední straně taveniny a model je vhodný pro laserovou ablaci s kratším pulzem a vysokým špičkovým výkonem.
Laserová absorpce energie a čelo tavné páry
Na přední straně tavné páry se Stefanova okrajová podmínka obvykle používá k popisu absorpce laserové energie (Kar a Mazumda, 1990; Yao a kol., 2001).
- (1)
kde je absorbovaná intenzita laseru, β je koeficient absorpce laseru v závislosti na vlnové délce laseru a cílovém materiálu a I (t) popisuje časovou vstupní laserovou intenzitu včetně šířky pulzu, rychlosti opakování a časového tvaru pulzu. k je tepelná vodivost , T je teplota, z a r jsou vzdálenosti podél axiálním a radiálním směru, p je hustota , v rychlost , L v latentního výparného tepla. Dolní indexy l , v a i označují rozhraní kapalné fáze, plynné fáze a páry-kapaliny.
Pokud je intenzita laseru vysoká a doba trvání pulzu je krátká, předpokládá se, že na frontě tavné páry existuje takzvaná Knudsenova vrstva, kde stavové proměnné procházejí diskontinuálními změnami přes vrstvu. Zvažováním diskontinuity napříč Knudsenovou vrstvou Yao a kol. (2001) simulovali distribuci rychlosti povrchového vybrání V v podélném směru v různých časech, což naznačuje, že rychlost ablace materiálu se významně mění přes Knudsenovu vrstvu.
Vyloučení z taveniny
Po získání tlaku par p v lze modelovat tok vrstvy taveniny a vypuzování taveniny pomocí hydrodynamických rovnic (Ganesh et al., 1997). K vytlačení z taveniny dochází, když je tlak páry aplikován na povrch bez kapaliny, což zase tlačí taveninu v radiálním směru. Aby se dosáhlo jemného vypuzování taveniny, je třeba velmi přesně předpovídat průběh toku taveniny, zejména rychlost toku taveniny na okraji díry. Používá se tedy 2-D osově symetrický přechodový model a podle toho se používají rovnice hybnosti a spojitosti.
Ganeshův model pro vyhazování taveniny je komplexní a lze jej použít pro různé fáze procesu vrtání děr. Výpočet je však velmi časově náročný a Solana a kol. (2001), představili zjednodušený časově závislý model, který předpokládá, že rychlost vypuzování taveniny je pouze podél stěny díry, a může poskytnout výsledky s minimálním výpočetním úsilím.
Kapalina se bude pohybovat nahoru rychlostí u v důsledku tlakového spádu podél svislých stěn, což je dáno rozdílem mezi ablačním tlakem a povrchovým napětím děleným hloubkou průniku x .
Za předpokladu, že se vrtací čelo pohybuje konstantní rychlostí, je následující lineární rovnice pohybu kapaliny na svislé stěně dobrou aproximací pro modelování vypuzování taveniny po počáteční fázi vrtání.
- (2)
kde p je hustota taveniny, μ je viskozita kapaliny, P (t) = (ΔP (t) / x (t)) je tlakový gradient podél vrstvy kapaliny, ΔP (t) je rozdíl mezi parami tlak P v a povrchové napětí .
Efekt tvaru pulzu
Roos (1980) ukázal, že 200 μs sled skládající se z 0,5 µs pulzů přinesl lepší výsledky při vrtání kovů než 200 µs plochý puls. Anisimov a kol. (1984) zjistili, že účinnost procesu se zlepšila zrychlením taveniny během pulzu.
Grad a Mozina (1998) dále prokázali účinek tvarů pulzů. Na začátku, uprostřed a na konci 5 ms pulzu byl přidán hrot o délce 12 ns. Když byl na začátek dlouhého laserového pulzu přidán hrot o délce 12 ns, kde nebyla vytvořena žádná tavenina, nebyl pozorován žádný významný účinek na odstranění. Na druhou stranu, když byl bodec přidán uprostřed a na konci dlouhého pulzu, bylo zlepšení účinnosti vrtání 80, respektive 90%. Byl zkoumán také účinek tvarování mezi pulsy. Low a Li (2001) prokázali, že sled pulzů lineárně rostoucí velikosti měl významný vliv na vypuzovací procesy.
Forsman a kol. (2007) prokázali, že dvojitý pulzní proud způsobil zvýšené rychlosti vrtání a řezání s výrazně čistšími otvory.
Závěr
Výrobci používají výsledky modelování procesů a experimentálních metod k lepšímu porozumění a řízení procesu laserového vrtání. Výsledkem je vyšší kvalita a produktivnější procesy, které zase vedou k lepším konečným produktům, jako jsou palivově úspornější a čistší letadla a turbínové motory generující energii.