激光开孔厚壁不锈钢管

激光开孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。其与机械钻孔等传统开孔工艺相比具有显著的优点，目前激光开孔应用在不锈钢材料上开孔，例如厚壁不锈钢管。近年来，随着激光开孔设备技术的不断进步，使得激光开孔技术的研究日益广泛，并取得了很大进展。

同一般光相比，激光具有高强度、高方向性、高单色性和高相干性的特点。将这种具有所谓“四高”特点的激光经过透镜聚焦，形成很小的光点——焦点。在焦点处的功率密度高达10^7~10^9W/cm²，在激光焦点处被照射材料上形成上万摄氏度的高温。在这样高的温度下，材料被熔化或气化升华，而脉冲固体激光器输出的脉冲激光波形脉冲宽度只有0.3~0.5毫秒，在这期间材料的气化物夹带着熔化物喷溅而出，同时伴随着爆炸和冲击，于是在厚壁不锈钢管上形成孔洞，即激光开孔。

激光开孔的过程是一个激光和物质相互作用的热物理过程，激光和工件相互作用，存在许多不同的能量转换过程，包括反射、吸收、汽化、再辐射和热扩散等。

激光开孔分为复制法和轮廓迂回法。复制法包括单脉冲打孔和多脉冲打孔。加工深孔时经常采用多脉冲打孔，用多个低能脉冲打深孔，比用单个高能脉冲更有效，多脉冲打孔可使孔的锥度小，轮廓清晰，打孔时应通过改变脉宽来控制孔的锥度，减小等离子体屏蔽。

而且可使厚壁不锈钢管上能量的横向扩散减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够的热量沿着孔的轴向扩散，而不被材料的表面吸收。但多脉冲打孔的缺点就是多脉冲激光打孔过程存在着多于脉冲对已形成通孔的孔壁之间的作用。因为材料被打通以后，多余的脉冲继续作用，这个阶段的激光脉冲可以进一步扩大孔径，但是激光脉冲大部分能量已经可以自由通过小孔，激光对材料的作用大大减弱。

轮廓迂回法包括回转法、套料法以及螺旋打孔。加工表面形状有激光束和厚壁不锈钢管相对位移的轨迹决定。在加工较大孔径的孔时，一般采用轮廓迂回法，可以采用回转法及套料法加工。这是由于加工较大孔径的小孔，需要激光能量大，激光多模输出，若工件不旋转，脉冲打入工件，由于激光束不稳定，强度分布不均匀，每次脉冲汽化情况也无规律，因此孔就不圆整。而采用回转技术可以弥补这一缺陷，使光强在孔道中的分布比较均匀。

用激光开孔厚壁不锈钢管，可以获得高质量、大深径比的孔洞，而且任何材质都可以开孔，另外，由于激光开孔过程与厚壁不锈钢管不接触，因此加工出来的不锈钢管清洁，无污染。因为这种开孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而十分卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区均较小。