提高激光机加工除材速率的方法与设备技术

材料变化方法与设备利用包含合理定时的激光脉冲（７０２、７０４）的激光（３０２）脉冲串增强材料（３１４，３６６）的变化。在一实施法中，材料变化方法包括步骤：提供激光脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲间的时间１０ｐｓ～１００ｎｓ，各脉冲串每个激光脉冲间的时间为５ｎｓ～５μｓ；连续脉冲串间的时间大于含各脉冲串的每个激光脉冲间的时间；以及把脉冲串引到工件（３１４、３６６）上，其中各脉冲串的主激光脉冲（７０２）强度超过工件的损坏阈值（８０２）。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用脉冲激光器处理材料的方法，尤其涉及提高脉冲激光辐射去除材料的速率与精度的方法。
技术介绍
在1毫米量级深度下把材料钻/切到约100微米截口宽度(纵横比＜10∶1)，可用普通的机械车床和机床(如开槽锯)。超过这一级别，一般用电子束或激光机床切割或高精度机加工(雕刻、钻孔)。大多数电子束与现有的工业激光技术都通过局部热处理，将要去除的材料加热到熔点或沸点而把它去除。紫外激光器利用有机(以及某些无机)材料中的分子分解作用而实现激光加工，但这种光分解作用并不适用于所有的材料。用电子束或当前技术水平的激光实现的局部热处理的基本互作用，是在有关材料中入射束能量以热形式的淀积(晶格振动)。连续式或脉冲式激光束被导向一组光学元件，后者把束聚焦到工件上。用脉冲激光时，束100包括一串独立的脉冲102，其持续时间一般在150～500纳秒之间，如100ns，重复频率为0.1～100千赫(见附图说明图1)。各种材料的束能量吸收可很不相同，取决于金属的热机机特性。激光吸收还依赖于有关材料的光学特性，例如金属与电介质的激光能量吸收完全不同。被吸收的激光能量造成吸收地点及附近的温度上升，当温度升至熔点或沸点时，材料通过常规的熔融或蒸发被除去。根据激光的脉冲持续时间，辐射区温升极快，造成热消融与热冲击。辐射区被蒸发或直接消融掉的原因在于，局部热应力变得大于材料的屈服强度(热冲击)。在所有这些场合中，在材料通过热机理被除去的地方，在除去材料地点周围的材料受到影响。周围材料将经历大的温度突增或冲击，往往造成材料特性的明显变化，包括粒结构的变化，微细裂口或实际的成分变化。这类成分变化包括氧化(若在空气中切割或者是合金，就改变合金成分)。根据材料的热机械特征、激光脉冲的持续时间与其它因素(如有效冷却)，受影响区域可从数微米到几毫米。在众多场合中，受发热或冲击影响的区域要严加限制，因为该区域的材料特征与整块材料的特性完全不同。普通的激光或电子束加工在高精密应用中的另一限制因素是存在再淀积或再固化的材料。如前所述，通过熔化或蒸发有关材料，会发生切割或钻孔。除去区附近的表面经受的重大热负载，通常引起熔融，而熔融在固化前会伴有流动，并在截口周围淀积渣。在许多高精密应用中，不允许有渣。而且，截口的壁上或上部表面常有蒸发材料的再淀积。这种凝结物常常降低了切割质量，降低了切割效率，因为束与下面的块料互作用前，必须再除去这种凝结物。用辅助技术帮助切割过程，可减少许多这类局限性。其中最常见的是在激光脉冲期间或紧接在其之后有效地冷却有关材料，而且用高压气射流除去切口附近的蒸发或熔融材料以防再淀积。这类技术以明显增大系统复杂性为代价而有效地改善了截口，但切割效率通常降低了。在材料的极高精密加工方面，近来应用了使用极短脉冲(小于10-10秒)的激光器，诸如美国专利No.5,720,894所描述所那样。该专利于1998年2月24日颁布，题为Ultrashort pulse，High Repetitim Rate Laser System for MaterialProcessing。该技术利用非热机理除去材料，诸如美国专利No.6,150,630所述(2000年11月21日颁布，题为Laser Machining of High Explosives)。尽管该机理具有极高的精密度，对其余材料的间接损伤可略而不计，但是脉冲加工速率(每一激光脉冲除去的材料量)与加工效率(每焦耳激光能量除去的材料克数)有限。在大多数工业加工中，一旦达到了可接受的精密度与间接损伤，注意力便转向优化加工速率与效率。提高加工速率有若干技术，包括调整对特定材料的激光波长、束整形、开孔、气体辅助装置等。这些技术几乎都与材料有关，而且激光机加工系统变得相当复杂。
技术实现思路
本专利技术通过提供一种应用激光脉冲脉冲串的材料变化方法与设备，很好地解决了上述要求与其它要求，其中脉冲持续时间与脉冲串之间的时序经控制而提高了除材速率。在一实施例中，本专利技术以材料变化法与该法的实现装置为特征。该方法包括以下步骤提供激光脉冲的脉冲串，其中每个脉冲串包括至少两个激光脉冲，各脉冲的持续时间为10ps～100ns，各脉冲串每一激光脉冲之间的时间为5ns～5μs；连续脉冲串之间的时间大于构成各脉冲串的每个激光脉冲之间的时间；以及脉冲串引到工件上，其中各脉冲串的主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值。在另一实施例中，本专利技术以材料变化的方法为特征，包括步骤提供激光脉冲的脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲，连续脉冲串之间的时间大于构成每个脉冲串的每个激光脉冲之间的时间；把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值，各脉冲串的主脉冲产生消融等离子体与喷出物，各脉冲串的副脉冲在基本上耗散了消融等离子体后定时出现并与喷出物互作用，由此形成与工件互作用的加热材料。在再一实施例中，本专利技术以材料变化的方法为特征，包括步骤提供激光脉冲的脉冲串，其中各脉冲串包括至少两个激光脉冲，连续脉冲串之间的时间大于构成各脉冲串的每个激光脉冲之间的时间；把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值，各脉冲串的主脉冲产生温度大于200,000K的第一材料相和温度小于10,000K的第二材料相；而且各脉冲串的副脉冲被定时为主要与第二材料相互作用。在又一实施例中，本专利技术以材料变化的设备为特征，包括配置成产生激光脉冲的激光器，脉冲持续时间为10ps～100ns，激光脉冲之间的时间大于脉冲持续时间；配置成把每个激光脉冲分成分裂激光脉冲的分束器；各分裂激光脉冲运行的激光路径，各激光路径长短不一；和配置成接收每个分裂激光脉冲并把它们作为脉冲串引到工件上的合束器。各激光路径配置成不同长度，使分裂激光脉冲之间到达工件的时间为5ns～5μs；而构成每个脉冲串的分裂激光脉冲主脉冲的强度超过工件损坏阈值。附图简介图1示出引到工件上的常规脉冲格式。图2A示出本专利技术脉冲串格式的一实施例。图2B示出本专利技术脉冲串格式的另一实施例。图2C示出本专利技术脉冲串格式的再一实施例。图3A示出本专利技术一实施例实行图2A脉冲格式的、有均匀波长的系统。图3B示出实行双波长脉冲格式的图3A系统的变种。图4曲线示出用本专利技术一实施例方法在钢中钻孔的增强情况。图5照片示出与常规方法和本专利技术一实施例方法比较的开孔“铝槽”截面图。图6A-6E的曲线示出本专利技术一实施例受激光脉冲照射的工件密度的演化和得到的喷出物与相对工件表面位置的关系。图7是本专利技术一实施例方法的阶段1主激光脉冲之前。图8是图7方法的阶段2主脉冲互作用。图9是图7与图8方法的阶段3在主与副脉冲之间。图10是图7-9方法的阶段4副脉冲互作用。图11曲线示出本专利技术一实施例由主脉冲产生的压力。图12曲线示出本专利技术一实施例由副脉冲产生的压力。图13曲线示出本专利技术一实施例由主脉冲形成的表面温度历史。图14是本专利技术一实施例中工件受单一激光脉冲照射后11ns的表面照相图像。图15是图14工件表面受激光脉冲照射后37ns的照相图像。图16是图15工件表面受激光脉冲照射后30秒的照相图像。图17曲线示出本专利技术一实施例的密度与温度等压线。图18曲线示出本专利技术一实施例在铝与钢中钻孔的性能增强比。图19曲线示出本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种材料变化方法，其特征在于包括：提供激光脉冲的脉冲串，其中每一脉冲串包括至少两个激光脉冲，每个激光脉冲的脉冲持续时间为１０ｐｓ～１００ｎｓ，各脉冲串的每一激光脉冲间的时间为５ｎｓ～５μｓ；连续脉冲串间的时间大于构成各脉冲串 的每一激光脉冲间的时间；和把脉冲串引到工件上，其中各脉冲串主激光脉冲的强度超过工件的损坏阈值。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：AC福斯曼，PS班克斯，MD佩里，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]