新一代缸内直喷技术是汽车发动机领域的主流技术。它通过喷油器将燃油准确喷入气缸,并与进气充分混合,充分发挥每一滴燃油的作用。

从下图可以看出,喷油器上分布着微孔,其直径小于150微米。孔径、表面粗糙度、位置、形状等都会直接影响喷油器的性能,因此有严格的加工要求。同时,为了达到成本效益,要求每个微孔的加工时间控制在几秒内。

什么方法对小于 150 μm 的微细加工有效且可靠? 1

所以问题是喷油器微孔的加工要求远远超出了传统机械钻孔技术的能力。用什么工艺来精确加工这些微孔?

传统加工方法VS创新微孔加工技术

目前常用的喷油器微孔加工方法主要有机械钻孔、电火花加工和飞秒激光加工。

机械钻孔的成本最高。由于钻小孔的刀具价格昂贵,加工过程中易磨损,刀具存在断裂风险,直接影响微孔加工的一致性和产品良率,耗材成本高。

电火花加工虽然在尺寸上比机械钻孔灵活一点,但加工效率低,表面粗糙度也不理想。尤其是加工表面会有重熔层。同时还要考虑电极成本和工艺的稳定性。

但飞秒激光在加工过程中不会产生热量,飞秒激光加工的微孔没有重熔层和毛刺,可以获得更清晰的锋利边缘和更好的表面质量,从而延长喷嘴寿命。

以直径150μm、深度0.5mm的孔为例,对比EDM和飞秒激光的加工结果

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左图为电火花加工的微孔,右图为飞秒激光加工的微孔

值得一提的是,我们对激光加工并不陌生。那么,我们经常听到的飞秒激光和纳秒激光、皮秒激光有什么区别呢?

我们先搞清楚时间单位换算

1ms =0.001s=10-3

1μs=0.000001s=10-6

1ns=0.0000000001s=10-9s

1ps =0.0000000000001s=10-12s

1fs =0.000000000000001s=10-15s

如果我们了解时间单位,就会知道飞秒激光是一种极短脉冲的激光加工,只有它才能真正胜任高精度加工。

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有纳秒激光钻孔、皮秒激光钻孔和飞秒激光钻孔

飞秒激光的工作原理

飞秒激光作用于金属和非金属加工时,原理完全不同。金属表面有大量的自由电子。当激光照射到金属表面时,自由电子会瞬间被加热,在几十个飞行秒内电子就会发生碰撞。自由电子将能量传递到晶格并形成空穴。但是,自由电子碰撞的能量远小于离子,因此传导能量需要很长时间。不过,这个问题已经被中国科学家解决了。

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飞秒激光作用于非金属材料时,由于材料表面的自由电子很少,因此在激光照射前,材料表面应先电离,然后产生自由电子。其余环节与金属材料一致。当使用飞秒激光加工微孔时,在初始阶段会形成一个小坑。随着脉冲数的增加,凹坑的深度增加。但随着深度的增加,杂物飞出坑底的难度越来越大。结果,激光传播到底部的能量越来越少,无法增加深度的饱和状态,也就是说钻了一个微孔。

新型飞秒激光技术的应用

飞秒激光新技术的应用才刚刚兴起。主要应用行业包括:半导体行业、太阳能行业(尤其是薄膜技术)、平面显示行业、合金微铸造、精密孔径及电极结构加工、航空难材料加工、医疗器械等领域!

在中国制造2025的背景下,传统工业制造业正面临深刻变革。方向之一是提高效率,转向附加值更高、技术壁垒更高的高端精密加工。激光加工完全符合这一主题。激光器和激光加工设备在消费电子触摸屏模组生产、半导体晶圆切割等高端3C制造领域崭露头角,在蓝宝石加工、曲面玻璃、陶瓷生产等方面展现出新的应用前景。

3C行业

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作为超短脉冲激光的典型代表,飞秒激光具有超短脉冲宽度和超高峰值功率的特点。加工对象广泛,特别适用于蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏材料的加工,因此适用于电子行业的微加工行业。

主要原因是去年以来指纹识别模块在手机中的应用,导致了飞秒激光器的采购。指纹模组涉及激光加工:①晶圆划片,②芯片切割,③盖板切割,④FPC软板轮廓切割和钻孔,⑤激光打标等。其中主要加工蓝宝石/玻璃盖板和IC芯片。 Apple 6 从 2015 年开始正式使用指纹识别,推动了多个国产品牌的普及。目前指纹识别渗透率低于50%。因此,用于加工指纹识别模块的激光机还有很大的发展空间。

同时,激光机还可用于PCB钻孔、晶圆划片切割等,应用领域不断扩大。尤其是未来随着蓝宝石、陶瓷等高附加值脆性材料在手机中的应用,激光加工设备将成为3C自动化设备的重要组成部分。我们相信,未来飞秒激光将在3C自动化加工设备领域发挥广泛而深远的作用。

飞机发动机

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长期以来,我国发动机制造技术一直是制约航天事业发展的瓶颈。产品质量不达标主要体现在两个方面:一是材料技术;二是材料加工技术。飞秒激光钻孔解决了这个问题!

在航空航天领域,燃气轮机是发动机三大关键部件之首,其性能直接决定发动机的好坏。然而,航空发动机涡轮叶片的工作温度至少为1400℃,因此高温零件,尤其是叶片需要采用精确的冷却技术。

叶片冷却通常是通过大量不同直径的薄膜孔来实现的。孔径约100~700μm,空间分布复杂。多为倾斜孔,角度为15°~90°。为了提高冷却效率,孔的形状常为扇形或矩形,给加工带来很大难度。目前主流的方法是高速电火花加工,但工具电极制造难度极大,加工零件易磨损,加工速度慢,孔内加工切屑难以去除,不容易散热,不适合大批量生产。

此外,现代发动机叶片表面通常覆盖一层热障涂层,通常为陶瓷材料,传统电火花加工无法加工,这是未来先进发动机制造的关键技术。随着发动机叶片材料非金属化的发展,电火花加工变得更加不可靠。飞秒激光加工具有适应性广、定位精度高、无机械变形、无直接接触等诸多优点。非常适合加工微孔。

医疗保健

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目前,所有用于眼科屈光治疗的飞秒激光应该是飞秒技术在医学应用中最成熟的设备之一。还有扩张器、内窥镜和导管加工等。

在医疗上,与长脉冲激光相比,飞秒激光能量高度集中,作用过程中几乎没有传热效应,不会引起周围环境温度升高,这在激光的医疗应用中非常重要。激光手术。一方面,几度的温升会在瞬间变成压力波,传递到神经细胞产生疼痛。另一方面,它可能对生物组织造成致命的伤害。因此,飞秒激光可以实现无痛、无创的安全治疗。

飞秒激光钻孔技术的突破

飞秒激光打孔技术虽然有这样的魔力,但其发展难度也很大,尤其是在系统集成和技术工程方面的努力,存在各种困难,输出功率也有限。此外,如何形成一套完整的微孔加工产业也是一个世界性难题。但是通过中国科学家的努力,我们不仅实现了系统的实用性和集成性,还发明了螺杆加工技术,可以私人定制不同形状的微孔,可以说是领先在世界上的地位。

如今,随着国内外汽车行业排放标准的逐步升级,喷油器制造商及其主机厂面临的挑战也越来越严峻。传统的圆孔已经不能满足客户的需求。制造商不断寻求和开发特殊和新颖的喷嘴形状以满足要求。飞秒激光加工的灵活性和优势越来越明显。

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特殊新颖的喷孔形状