超快脈沖激光加工原理

長(zhǎng)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(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于材料熱擴(kuò)散的時(shí)間，電子傳遞給離子的能量很高，熱擴(kuò)散涉及比焦點(diǎn)更大的區(qū)域，激光聚焦點(diǎn)周圍一個(gè)較大的體積會(huì)被熔化，使得加工區(qū)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(nèi)與物質(zhì)相互作用，作用區(qū)域內(nèi)的溫度在瞬間內(nèi)急劇上升，并以等離子體向外噴發(fā)的形式得到去除。嚴(yán)格避免了熱融化的存在，大大減弱和消除了傳統(tǒng)加工中熱效應(yīng)帶來(lái)的諸多負(fù)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(nèi)部擴(kuò)散，熱影響區(qū)非常小，不會(huì)產(chǎn)生重鑄層，屬于冷加工，呈現(xiàn)銳利的加工邊緣，加工精度高。

以金屬對(duì)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(zhuǎn)移到金屬材料的電子的一個(gè)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。對(duì)于持續(xù)時(shí)間為納秒級(jí)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(zhuǎn)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(duì)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)始向周圍的晶格擴(kuò)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(nèi)，但稍有些延遲，熱電子和晶格之間發(fā)生了突然的能量轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)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(jié)論：

（1) 激光脈沖的持續(xù)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(duì)于金屬和大多數(shù)其他材料而言，均要求脈沖持續(xù)時(shí)間在1～10ps之間甚至更短。

（2) 由于在熱擴(kuò)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(kuò)散情況下進(jìn)行加工，這要求脈沖持續(xù)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(xù)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。如果熱電子因?yàn)檫^(guò)高的激光能量密度而被“過(guò)度加熱”，那么熱擴(kuò)散效應(yīng)將較為明顯，整個(gè)加工過(guò)程則會(huì)轉(zhuǎn)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(cè)量得到的熱效應(yīng)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(yīng)用

為了追求柴油機(jī)更佳的燃燒性能，使車用柴油機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，同時(shí)要盡可能的降低柴油機(jī)的油耗，電控高壓共軌技術(shù)是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

隨著共軌技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，噴油壓力要求越來(lái)越高，對(duì)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(shù)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、油線貫穿度及流量系數(shù)，較終影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)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(tái)鉆上采用手工鉆削噴孔；采用數(shù)控三軸鉆床鉆噴孔；采用電火花噴孔機(jī)床加工噴孔。另外，為了達(dá)到噴孔的流量一致性，用于噴孔后續(xù)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(guó)內(nèi)外的噴孔加工方法主要停留在采用電火花噴孔機(jī)床加工，由于此種加工方式對(duì)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(jī)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(duì)于孔徑＜0.1mm的微孔加工還未被廣泛應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于高品質(zhì)的微孔加工，傳統(tǒng)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(shè)備昂貴；電火花腐蝕只能加工導(dǎo)電材料；電化學(xué)打孔效率低、材料局限；機(jī)械鉆孔加工較硬的材料困難，長(zhǎng)徑比小。

與傳統(tǒng)的加工方法相比，超快激光微孔加工具有材料適應(yīng)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(zhǔn)確地集中在限定的作用區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃、陶瓷、半導(dǎo)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(tǒng)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(duì)材料無(wú)選擇性，可加工金屬非金屬材料。

（2）熱影響區(qū)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(diào)節(jié)（錐形、倒錐形或垂直）。

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

（6）可實(shí)現(xiàn)異型孔的加工。