超快脈沖激光加工原理

長(cháng)脈沖激光如納秒激光微加工，其原理是基于材料中的電子共振線(xiàn)性吸收獲得的能量，將材料逐步熔化、蒸發(fā)移除。由于激光脈沖持續時(shí)間較長(cháng)，遠大于材料熱擴散的時(shí)間，電子傳遞給離子的能量很高，熱擴散涉及比焦點(diǎn)更大的區域，激光聚焦點(diǎn)周?chē)粋€(gè)較大的體積會(huì )被熔化，使得加工區域邊緣不清晰，加工精度有限。而超快激光在極短的時(shí)間和極小的空間內與物質(zhì)相互作用，作用區域內的溫度在瞬間內急劇上升，并以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除。嚴格避免了熱融化的存在，大大減弱和消除了傳統加工中熱效應帶來(lái)的諸多負面影響，超快激光微加工和材料相互作用的時(shí)間很短，使得能量以等離子體的形式被迅速帶走，熱量來(lái)不及在材料內部擴散，熱影響區非常小，不會(huì )產(chǎn)生重鑄層，屬于冷加工，呈現銳利的加工邊緣，加工精度高。

以金屬對激光脈沖的吸收為例，其從根本上說(shuō)是能量從激光脈沖轉移到金屬材料的電子的一個(gè)能量轉移過(guò)程。對于持續時(shí)間為納秒級的脈沖而言，電子與所處晶格之間會(huì )發(fā)生一個(gè)溫度平衡過(guò)程，并且較終開(kāi)始融化材料，直到部分蒸發(fā)。在這個(gè)過(guò)程中，脈沖越短，能量轉移到電子的速度越快。在理想條件下，如果脈沖足夠短，那么在電子與晶格之間便沒(méi)有足夠的時(shí)間產(chǎn)生溫度平衡。接下來(lái)，“熱電子”（相對于冷晶格而言）與晶格的作用方式：在一個(gè)特征時(shí)間后，來(lái)自電子的熱量開(kāi)始向周?chē)木Ц駭U散。這種電子-聲子弛豫時(shí)間[2]是物質(zhì)的一種屬性，其典型值為1～10ps。在大致相同的時(shí)間范圍內，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉移，從而導致相位爆炸，即激活體的蒸發(fā)。從上述解釋可以得出以下兩個(gè)基本結論：

（1) 激光脈沖的持續時(shí)間必須足夠短，以防止電子與晶格之間發(fā)生溫度平衡過(guò)程。對于金屬和大多數其他材料而言，均要求脈沖持續時(shí)間在1～10ps之間甚至更短。

（2) 由于在熱擴散和消融之間有一個(gè)時(shí)間延遲，因此始終會(huì )存有殘余熱量，即使是在脈沖較短的情況下。因此，冷加工必須定義為在較小的熱擴散情況下進(jìn)行加工，這要求脈沖持續時(shí)間在1～10ps之間甚至更短。雖然超短激光脈沖較短的持續時(shí)間是冷加工的一個(gè)必要條件，但是光有足夠短的脈沖還遠遠不夠。如果熱電子因為過(guò)高的激光能量密度而被“過(guò)度加熱”，那么熱擴散效應將較為明顯，整個(gè)加工過(guò)程則會(huì )轉變?yōu)闊徇^(guò)程。一般來(lái)講，大約1J/cm2的能量密度，是用皮秒激光脈沖進(jìn)行消融加工、而不會(huì )產(chǎn)生能夠測量得到的熱效應的較佳能量臨界點(diǎn)，即此時(shí)具有更佳的低熱穿透深度，那么飛秒的效果更好。

在噴油嘴加工的應用

為了追求柴油機更佳的燃燒性能，使車(chē)用柴油機滿(mǎn)足日益嚴格的排放法規的要求，同時(shí)要盡可能的降低柴油機的油耗，電控高壓共軌技術(shù)是柴油機燃油系統發(fā)展的必然趨勢。

隨著(zhù)共軌技術(shù)的應用與發(fā)展，噴油壓力要求越來(lái)越高，對噴油嘴的要求也越來(lái)越苛刻，噴油嘴噴孔要求越來(lái)越小，噴孔數要求越來(lái)越多，而噴孔孔徑向更小孔徑方向發(fā)展。其加工質(zhì)量直接影響噴油嘴的霧化特性、油線(xiàn)貫穿度及流量系數，較終影響柴油機的經(jīng)濟性、動(dòng)力性和排放指標。

國內用于噴油嘴噴孔的主要加工方法有三種：在變頻或風(fēng)動(dòng)高速臺鉆上采用手工鉆削噴孔；采用數控三軸鉆床鉆噴孔；采用電火花噴孔機床加工噴孔。另外，為了達到噴孔的流量一致性，用于噴孔后續加工的還有噴孔擠壓研磨工藝和電解去壓力室噴孔毛刺工藝。

目前，國內外的噴孔加工方法主要停留在采用電火花噴孔機床加工，由于此種加工方式對電極絲有極高的要求，要求：電極絲圓柱度＜0.005mm、圓度＜0.003mm、直徑≥0.05mm，機床能加工電極絲的較小加工孔徑為0.07mm。在噴油嘴噴孔加工領(lǐng)域，對于孔徑＜0.1mm的微孔加工還未被廣泛應用，在實(shí)際應用中，對于高品質(zhì)的微孔加工，傳統的方法具有一定的局限性。常見(jiàn)的微孔加工方法中電子束加工和聚焦離子束使用條件苛刻、效率低、設備昂貴；電火花腐蝕只能加工導電材料；電化學(xué)打孔效率低、材料局限；機械鉆孔加工較硬的材料困難，長(cháng)徑比小。

與傳統的加工方法相比，超快激光微孔加工具有材料適應性廣、非接觸、無(wú)污染、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)[1]。超快激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區域，實(shí)現對玻璃、陶瓷、半導體、塑料、聚合物、樹(shù)脂等材料的微納尺寸加工[2]。超快激光精密加工技術(shù)具有很多傳統的加工方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：

（1）極高的峰值功率，極短的作用時(shí)間，對材料無(wú)選擇性，可加工金屬非金屬材料。

（2）熱影響區域極小甚至可忽略，切面整齊、無(wú)重鑄層。

（3）無(wú)裂紋和冶金缺陷。

（4）鉆孔角度可自由調節（錐形、倒錐形或垂直）。

（5）較小加工孔徑可達30um，較大徑深比可達1：20，突破光學(xué)衍射極限。

（6）可實(shí)現異型孔的加工。