1 引言

      奧氏體不鏽鋼具有優良的機械性能, 良好的耐蝕能力、較突出的冷變形能力、無磁性, 因此廣泛地應用（yòng）於航空、航天（tiān）、船舶及醫（yī）療器械等領域。但是不（bú）鏽鋼（gāng）的切削加（jiā）工性能比中碳鋼差（chà）得多。以45號碳鋼的切削加工性作（zuò）為100%, 而奧氏體（tǐ）不鏽鋼1C r18N i9T i的切削加工性隻為40% 。不鏽鋼的切（qiē）削加工具有加工硬化嚴重、切削力大、切削溫度高、不易斷屑、易粘刀（dāo）、刀具易磨損等特（tè）點, 給切削加工帶來很大困難。

      圖1所示不鏽鋼管是某重點型號過濾器中（zhōng）的關鍵零件, 鋼（gāng）管（guǎn）材料（liào）為（wéi）1C r18N i9T,i 直徑為5 40mm, 厚度為2mm。要求在管壁上加工出直徑為5 0. 25+ 0. 060 mm的通孔, 孔間距一致。曾采用鑽模加工, 由於鑽模（mó）蓋住零件（jiàn）表麵, 操作（zuò）稍有不慎就會造成小（xiǎo）孔漏鑽, 同時鑽頭伸出較長, 剛性差、易折斷, 造成零件報廢。從工藝過（guò）程還可以看出, 不鏽鋼群孔去毛刺也（yě）非常難（nán）,也是個關鍵。為了解決（jué）上述問題, 必須選（xuǎn）擇新的工藝方法。

      到目前為止, 除了用傳統的機械鑽削方法加工孔外, 常用的還有以下（xià）幾種特殊工藝方法: 激光、電火花及電化學鑽孔等。各種不同的（de）加工方法各具特色、各有所長, 也各有其不足之處。但是與其它（tā）加工方法相比, 激光打孔（kǒng）具有很明顯的優勢。激（jī）光加工（gōng）靈活、成（chéng）本低、不需在真空室中進行, 加工速度快、效率高, 打孔孔徑小（xiǎo）、無接觸（chù）、打孔（kǒng）深徑比高, 可（kě）加工任意材（cái）料（liào）、環保等, 是未（wèi）來打孔的發展方向[ 1 ] 。激光加工微孔（kǒng）的（de）應用已（yǐ）經（jīng）非常廣泛, 目前成為（wéi）一種在（zài）工業中最有效的加工方法之一[ 2- 4] 。由於激光打孔過程影響因素（sù）複（fù）雜, 如果參（cān）數與工藝條件選取不當, 孔的精度及孔徑大小就難以達到確定的要求。因此, 本文通過實驗研（yán）究了激光參數與工藝條件對激光在奧氏體不鏽鋼管上打孔精度的影響。

      2 激光打孔試驗

      本實驗采（cǎi）用如圖2所示的華中科技大學激光科技有限公司生產的LW300 型N d: YAG 固（gù）體脈衝激光器。其（qí）最大脈衝頻率為500H z, 采用（yòng）平- 平腔型,每單脈衝輸出能量為0. 1~ 3. 5J, 自由振蕩脈衝寬度為（wéi）0. 1~ 20m s。采用在相紙上打光斑的方法來測量激光的光束質量。采（cǎi）用常規的Nd: YAG激光打孔機（jī）加工微細孔時, 普遍采用減小聚（jù）焦透鏡焦（jiāo）距f的方法, 但微（wēi）孔的直（zhí）徑一般在0. 1 ~ 0. 5mm 的範圍內,進一（yī）步減小（xiǎo）f ( f< 20mm )是不（bú）利的。因（yīn）為在打孔時噴濺物容易汙染鏡頭的保護介質(如玻璃片) , 同時在（zài）偏離焦點時光束發散較大, 這給工件的安裝（zhuāng）和調節也帶來一定困難。本（běn）實驗裝置的聚焦透鏡焦距為25mm, 可有效保護激光鏡頭和減小因離焦量大而導致的發（fā）散角的擴大。

      2. 1 激光脈衝能量對孔深和孔徑的影響

      對於一套選定的光學係統來說, 焦平麵上的（de）激光光斑直（zhí）徑的大（dà）小（xiǎo）是由（yóu）作為工作物（wù）質的激光棒和光學係統的係統參數決定的。激光束焦點處能量密度的變（biàn）化完全依賴於激光（guāng）器輸出的脈衝能量的變化,故通常孔深和孔（kǒng）徑的變化主要通過（guò）改變脈衝能量來實現。被加工點（diǎn）材料的熔化（huà）和蒸發是形成孔的兩個基（jī）本要素（sù）, 孔深的增加主要靠蒸發, 而孔徑的增加則主要靠孔壁上材料的熔化和利用剩餘蒸發壓力對熔融狀物（wù）質的排除。當（dāng）激光功率很高時, 物質的蒸發將占材料去除的絕大部分, 而熱傳導引起的能量損失可以（yǐ）忽略不計, 激光脈（mò）衝能量幾乎全部用於對材料的破壞和蒸發去除。首先依據下式對在直徑為5 40mm 的1Cr18N i9T i 奧氏體不（bú）鏽鋼管上鑽（zuàn）5 0. 5+ 0. 060 mm 的孔所（suǒ）需（xū）激光能量作一大致（zhì）估計。

      因（yīn）同一種材料的Lm 和Lb 是固定的, 所以, 由上式可以看出, 打孔的深度和孔徑的大小與（yǔ）激（jī）光的能量密切相關, 通過改變激光的能量可以獲（huò）得所需打孔深度和直徑。對於1C r18N i9T i奧氏體（tǐ）不鏽鋼, Lm= 3. 5 @ 104 J/cm2; Lb = 6. 3 @ 104 J/ cm2。將d、Lm、Lb代入式( 1)中, 求得E = 17. 4J。這個（gè）能量是鑽直徑為5 0. 25mm 的孔深度達2mm所需的總能（néng）量。對（duì）於脈衝激光來說（shuō）, 這個能量由三個參數確定: 脈衝頻率、脈（mò）衝寬度和單脈衝峰值功率。

      它們之間的關（guān）係為（wéi）:

      E= f×w × P                                        ( 2)

      上式中, f- 脈衝（chōng）頻率; w - 脈衝寬度; P- 單脈衝峰值（zhí）功率。

      可以說, 這三個參數是影響激光打孔的（de）關鍵因素, 如果（guǒ）參數選取不當, 加工出（chū）的孔其孔壁光潔（jié）度（dù）差, 有錐（zhuī）度, 特別（bié）是在孔壁上產生再鑄層。這些都要（yào）影響小孔的（de）加工精度和質量。

      激光焊接機有三個參數可調: 電流大小、脈衝寬度和脈衝（chōng）頻率。在實際鑽孔過程中, 首先（xiān）通過調整電流大（dà）小來調整單脈衝激光能量, 又由於單（dān）脈衝能量:

      Ep = w × P                                          ( 3)

      在脈衝激光輻射作用下, 當激光（guāng）功率密度達到某一值時, 在一定的時間間隔內, 金屬表麵將達到沸騰溫度, 並開始強烈地氣化。熱波（bō）和氣化波將向金屬深（shēn）處傳播, 軸（zhóu）向和徑向（xiàng）熱傳導形成了一個熔融層,孔底蒸發時所（suǒ）形（xíng）成的反衝脈衝將此融熔層沿著孔壁排出。為此（cǐ）, 必須有足夠的蒸發速率。而這要取決於激光峰（fēng）值功（gōng）率密度的大小。功率（lǜ）密度太小, 由於（yú）熱傳導, 能量損耗變大, 熱波的速度顯（xiǎn）著地高於（yú）氣化波的速度, 所產（chǎn）生的液體排不出去或不能完全排除出去; 功（gōng）率密度太大, 入射的光束會被產生的金屬蒸氣吸收, 從而（ér）使蒸氣過熱, 並把熱量和壓力衝擊傳（chuán）到（dào）周圍材料中去。隻有在（zài）輻射強度適當時, 氣（qì）化速（sù）度可與（yǔ）加熱的速度相等, 才出現最佳的能量（liàng）傳輸和加工質量。因此, 通過調（diào）整脈衝（chōng）寬度的大小, 來保證激光峰值功率密度必須要（yào）大於1C r18N i9T i奧氏體不鏽鋼汽化（huà）所需的功率密（mì）度（dù）。

      2. 2 激光脈衝寬（kuān）度對打孔的影響

      當激光（guāng）脈衝（chōng）功（gōng）率（lǜ）一定時, 脈衝寬度的變化對孔深和孔徑的影響（xiǎng）較大（dà）。這是由於孔深與脈衝寬度關（guān）係是受（shòu）材料導熱率影響的。導熱性好的材料（liào）, 用很窄的脈衝寬度（dù）來打孔; 導熱性差的材料采用較長的脈衝寬度更為有利。孔深和（hé）直徑與脈衝（chōng）寬度有明顯的依賴關係: 脈寬（kuān）在一定範圍內增加, 孔深增加, 而孔徑（jìng）有所減少（shǎo）。實驗（yàn）證明（míng）, 縮短激光（guāng）脈衝的長度（dù）可以提高激光打孔的精度。脈寬越短, 加工（gōng）小孔的質（zhì）量越高。因此, 在能（néng）使材料汽化（huà）的前提下, 為了提高鑽（zuàn）孔的質量, 盡量縮短脈（mò）衝寬度（dù）。

      綜合以上的理論（lùn）分析, 再經試驗優（yōu）化後, 本試驗中的激光參數和鑽（zuàn）孔效果如表（biǎo）1 所示。由（yóu）表1可知, 當（dāng）選擇單脈衝能量2. 7J、脈衝寬度0. 7 ms時, 所鑽的孔其孔徑和孔深基本上與實際鑽孔要求相（xiàng）接進。

      2. 3 輔助手段的采（cǎi）用

      鑽孔（kǒng）過程中, 采用側吹氬氣作為保護氣體, 一方麵, 用（yòng）來保護聚焦鏡頭及抑製光致等離子體的形成;另一方麵, 有利（lì）於清除氣化物質和（hé）飛濺物。為獲（huò）得（dé）高精度（dù）的（de）孔, 激光打孔後, 用電化學腐蝕的附加方法進行精加工, 用酸溶液消除孔（kǒng）內的金屬熔化物和毛刺, 以提高孔的圓度和光潔度。

      3 結論

      激光（guāng）打孔（kǒng）是激光與材料相互作用的極其複雜的熱物理過程, 影響激光（guāng）打孔質量的（de）主要因素（sù）有激光能量、脈衝寬度和脈衝頻率等。在這些參數中找（zhǎo）出（chū）最優的加工參數可（kě）以提高打孔的質量（liàng）。實際上打孔質量的好壞並不是（shì）由某一個（gè）工藝參數決定的, 而是由這些參數相互匹配共同起作用的結果, 因此進行激光加工（gōng）工藝參數對（duì）打（dǎ）孔質量影響的多因素分析是很（hěn）有必要的。實驗證明先（xiān）在激光鑽孔理論指導下參照所要鑽的（de）孔確定一個大概的激光參數, 然後再經實驗（yàn）優化, 按照優化後的激光參數來加工, 就能有效（xiào）保證所加工孔（kǒng）的（de）質量與精度。