YAG激光在不锈钢上打孔质量影响因素分析

本 文激 光 打孔 的试 验材 料 为 Ｉ ｍ厚 的不锈 钢 ０ Ｃ ２ Ｎ２ 激光 功率 为 １ ０～２ ０ ， 光 脉 冲频 率 为 ９ ｍ ０ ｒ５ ｉ ０， ４ ２Ｗ 激 Ｏ
～
１０ ， 冲宽 度 为 ０６～ ．ｍｓ离 焦量 Ｌ＝ 辅 助气 体 ： 气 ，． Ｍ ａ １Ｈｚ脉 ． ０８ ， ０， 氧 ０ ２ Ｐ 。用 Ｊ １ Ｘ ５０ ＨＭ一Ｇ Ｙ一０ Ｂ型 多功 能激
１ 正交试 验 中影 响 因素 Ａ的方 差分 析 表如表 ２， Ｆ检验 的方 １ ２ 定各 ３ 因素对 所研 究 量 的影 响程 度 。 用 ２ ３ ２ 法 可确 ２ 影 响 １
表 ２ 方 差 分 析 表
表 中 ：ｒ （ ）＝ ｙ 一 ＝ ｙ 一 ／ ， Ｓ＝ ｙ —ｙ ｎ ｎ５ ＝ ｙ
表 ５ 上 孔 径 试 验 方 差 分 析 表
长
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大
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第２ ２卷
表 ６ 下 孔 径试 验 方 差 分 析 表
表 ５中对于 ＝ ． ５ 查表 得 Ｆ （ ２ ００ ， ０ ２，）＝１ ， 知 Ｆ ３ ）９ 表 明激光 的脉 冲能量 对孔 径 的变化 有 显 ９可 Ａ＝ ０ １ ，
．
（ ．长春理工大学 １
摘
机械工程学 院 ，长春
１０ ２ ；２ ３０ ２ ．长春大学
机械工程学 院，长春
１０ ２ ） ３ ０ ２
要 ： 光 打孔 是 目前 小 孔 加 工 中应 用 广 泛 的 加 工 方 法 ， 加 工 孔 径 可 以 小 至 几 微 米 。 本 文 利 用 Ｙ Ｇ 激 光 在 激 其 Ａ
１ ｍ 厚 的 不锈 铜 材 料 ０ Ｃ２ Ｎ２ ｍ ０ ｒ５ ｉ０上 进 行 打孔 试验 ， 录上 下孔 径 的测 量 数 据 ， 采 用 无 交 互 作 用 的 正 交 试 验 方 法 记 并
系统分析 了激光脉冲能量 、 脉冲宽度、 冲频 率等 因素对 激光打 孔上 、 脉 下孔 径的影 响程度 ， 为激 光打孔 工艺参数 的
表 ３ 各 因 素 水 平 表
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
１３ ４
激光功率 （ ｗ Ａ） 脉 冲宽度 （ ） ｓ Ｂ ｍ 脉 冲频率 （ ） ｚ Ｃ Ｈ
１ ４０ ０． ６ ９ ０
１０ ８ ０． ７ １ ００
２２ ０ ０． ８ １０ １
选择 提 供 了依 据 。
关键 词 ： Ａ Ｙ Ｇ激 光打 孔 ； 交试 验 方 法 ； 正 不锈 铜 ； 著影 响 显 中 图 分 类 号 ：Ｈ ４ ． Ｔ ７４５ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０９— ９ ７ ２ １ ）２— １ １— ４ １０ ３０ （０ ２ ０ ０ ４ ０
Ｅｄ＝ Ｆ ・ｄ
（） ４
其 中 ： Ｅ 一激 光能 量密 度 （／ ｍ ） Ｊ ｃ
Ｆ一激 光功 率密 度 （ｗ ｃ ｋ／ｍ ）
收稿 日期 ：０ １１ － ２ １ —１ ０ ２
作者 简 介 ： 想 （９ ３ ） 女 ， 北 石 家 庄 人 ， 士研 究 生 ， 要 从 事 机 械 设 计 及 理论 的研 究 。 宫 １８ 一 ， 河 硕 主
著影 响 ， Ｆ 而 ＝１ （９ Ｆ ＝１ （９ 因此激 光 的脉 冲频 率 对 打 Ｔ Ｔ 径 的影 响最 不 显 著 。 同理 ， ６中对 于 ５ １，。 ０ １， ＬＬ 表
＝
００ ， ． ５ 查表 得 ９（ ， ）＝１ ， Ｆ ＝ ０ ７ ５２２ ９ 且 Ａ ２ ． ５＞１ ， ＝１ ９Ｆ ７＜１ Ｆ ３ ７ ９， ｃ＝ ． ５＜１ 可知 各 因素对 激 光 打孑 下 孑 ９， Ｌ Ｌ
设 计 、 因试 验 设计 、 交试 验设 计 、 比试验设 计 和 加速 试 验设 计 等 。由 于激 光 打孑 过 程 是 多 因素 共 同影 析 正 对 Ｌ 响 的加 工过 程 ， 研究 多个 影 响 因素会增 加 试验 次数 和试 验 数 据 的分 析 难度 ， 了减 少 试 验 次 数 ， 析 各个 因 为 分 素 对试 验结 果 的影 响程 度 ， 以采用 正交试 验方 法 。由于各 影 响 因素 之 间的交 互作 用 不 明显 ， 所 因此 采用 无 交 互 作用 的正 交 试验 方法 对试 验结 果进 行分 析 。 无 交互 作 用正交 试 验方 法 的主要 原理 即通 过对 不 同影 响 因素 的各 参 数 水平 进 行 组 合 ， 总 体 试 验 中挑 在
（ 光 功 率 ：４ Ｗ ， 冲 宽 度 ：． ｍ ， 冲频 率 ：１ Ｈ ） 激 １０ 脉 ０ ８ ｓ脉 １０ ｚ
根 据表 ４中测 得 的试 验数据 ， 无交 互作 用 的正交 试验 方法 进行 分析 计算 ， 到各影 响 因素对 打孔 质量 用 得 影 响 的方差分 析 表 ５ 表 ６如 下 ： 、
０ 引 言
激 光 打孔是 激光 加 工 的重要 应用 领域 之一 ， 激光 打孔 具 有精度 高 、 通用 性强 、 效率 高 、 成本低 等优 点 。在 飞 机机 翼上 打孔 可减 小气 流对 飞 机 的阻力 ， 取得 节油 ４ ％ 的效果 ； 用 于加 工 汽车 发 动机 的燃 油 喷 嘴 、 热 ０ 可 散 孔、 液压 制 动器 中 的细长 油孑 ， Ｌ 可小 到 ０ １ ０ １ ｍ 可 用 于 电子 元 器件 的陶瓷 基 片 和印 刷 电路板 的打 Ｌ孑径 ． ～ ．３ ｍ； 孔； 可在 生 产化 学纤 维用 喷丝 板上 加工 出直 径 ６ １ 的微 孔 。近 年来 国 内外 学者 对 金 属材 料 上 激 光 打孔 的 ０ｘ ｍ 研 究不 断深 入 ， 险峰 … 等利用 Ｃ 光器 在 不 同 厚度 的不 锈 钢 材 料上 打 出 的最 小 孔径 为 ｏ ３ ６ 谭 Ｏ激 ． ０ ｍｍ， 指 并 出为 了得 到形状 规则 、 Ｌ 孑 径较 小 的孑 ， 选 用较小 的脉 冲宽 度 ； 凤 兰 等 利用 声 光 调 Ｑ 的 Ｙ Ｇ激 光 在 ０ Ｌ需 辛 Ａ ． ７ ｍｍ厚 钢板 打孔 试验 得 出较 高的激 光 功 率 可 以打 出较 大 的孔 径 ； 志 勇 ＿ 等研 究 了辅助 气 体 对 Ｙ Ｇ激 光 王 ３ Ａ
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
选 部分 进行 试 验 ， 而选 出参 数 的最佳 组 合 ， 到最 优 试验 结果 。正交 试验 中最 主 要 的应用 是 正交 表 。本 文 从 得
使 用 的正 交表 １如下 ：
表 １ Ｌ （ 型 正 交 表 ９３ ） ＼ 因 素 试 验 ＼ 、 、＼ ． Ａ Ｃ ３ Ｄ
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第 ２期
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Ｖｏ ＿ ２ Ｎｏ ２ ｌ２ ． Ｆｅ ｂ． ２ ２ ０１
２１ ０ ２年 ２月
Ｊ ＲＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＯＵ ＨＡＮＧＣＨＵＮ ＵＮ ＶＥＲ Ｉ Ｙ Ｉ ＳＴ
Ｙ ＡＧ 激 光 在 不 锈 钢 上 打 孔 质 量 影 响 因素 分 析
宫 想 ，李 占国 ， 陈岱 民
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第２ ２卷
ｄ 一激光 脉宽 （ ） ｍｓ 。
可 见单 独研 究 某一影 响 因素 对打 孔质 量 的影 响具 有一 定 的 局 限性 ， 同时 研 究 多个 因素 对 激 光 打孔 质量
的影 响显得 尤 为重要 ， 而且 可 以研 究各 因素对 孔径 的作 用是 否 显著 。 目前 常用 的试 验设 计 方法 有 ： 值 试验 求
表４ （ 正 交 试 验 表 ３）
１
２
３ １ ２ Fra bibliotek３ １
２
３
０． ５８ ４ ０． ４６ ４ ０． ０７ ５
ｌ ２ ３ ２ ３ １ ３ １ ２
０． ７ ２１ ０． ０３ ２
０． ４ ３１
０． ０ ５１
０． ５１１
。
霹 一 ， ＝ ， ＝１… ，）其 中 Ｙ ５ Ｓ 一 （ ， ｆ，
＝
÷ ，＝ 第 列 水 号 的 试 结 之 且 ÷ 凡 要 验 一 素 用 ｙ ＝ 上 平 为ｉ 各 验 果 和， ＝ ，＝ 。 检 某 因 作 效 ，
， ｆ
果是否显著 的统计量为 ＝
能 量对 打孑 质量 的影 响 。 Ｌ
１ 试 验 方 法 的选 择
激光 打 孔是 多 因 素 共 同影 响 的 材 料 去 除 过 程 ， 响 激 光 打孔 质 量 的 各 因素 之 间 具 有 一 定 的 相 互 关 影 系 。如 需在 材料 上 打 出一 个 直径 为 ｄ， 深 为 ｈ的孑 所需 的脉 冲能 量 ， 据 能量平 衡原 理如 式 １ 示 ： 孔 Ｌ 根 所
０．１ ９９ ０． ７８ ２
Ｏ． ４１ ２
０． ５ ５１ ０． ２７ ５ ０． ３５ ５
０． ５２ ２ ０． ２８１
０５９ ．２
０２６ ． ８
（ ）３号样件上孔径 ａ
（） ｂ ３号样件下孔径
图１ 厚ｌ ｍｍ 的不 锈 钢 ０ Ｃ ２ Ｎｉ ０ ｒ５ ２ ０激 光 打 子 孑 径 ＬＬ
～ ｅ Ｊ ｅ
＝ ～ （ ）对于显著性水平 ０＜ ＜ ， Ｃ＞Ｆ 一（ Ｆ ， １若 － －
ｕ ｅ
） 则认 为此 因 ，
素对 试 验结果 的影 响是 显著 的 ， 之 ， 反 则认 为 该 因素对 试验 结果 的作用 不 显著 。
２ 激 光 打 孔试 验 及 结 果 分 析
Ｅ＝１４ ｄｈ Ｐ ／ ￣ Ｌ （） １
其 中 ： 一材料 的单位体 积 破坏 比能 （／ ｍ ） Ｊａ 。 。
孔径 ｄ和孔 深 ｈ可按 下式 ２和 ３估 算 ：
［
＝
］
（） ２
（） ３
２ ［
３ ： Ｅ
］
下式 ４为 激光 脉 冲能量 与脉 冲宽 度之 间的 函数 关 系 ：
光 ， Ｔ 机进 行 打孔 和 Ｖ ４ ０ ｈ ＿ Ｎ ＭＥ ０ Ｔ型光 学影像 测 量仪 （ 量精 度 ： ．０ ｍｍ） 量 激 光 打孔 的上 下 孑 径 ， 因 素 测 ００ １ 测 Ｌ 各 水平 表 如表 ３所 示 。