Metallien laserporaus

Abstract

Lasertarkkuusporauksella on tämän hetken teollisuudessa useita sovelluksia, kuten esimerkiksi mustesuihkukirjoittimet, dieselmoottoreiden polttoainesuuttimet, lääketieteen instrumentit, turbiinien lapojen jäähdytysreiät ja stensiilit. Tässä työssä on tutkittu laserporauksen mahdollisuuksia 99,9 % kupariin sekä EN 1.4301 ruostumattomaan teräkseen (vastaava AISI 304). Ainepaksuuksia oli käytettävissä kolmea: 0,1 mm, 0,5 mm ja 1,0 mm. Vertailun vuoksi valittiin tutkimukseen mukaan ainepaksuudeltaan 1,0 mm EN 1.4432 haponkestävää terästä (vastaava AISI 316L). Tutkimuksessa käytettiin kolmea eritehoista 1,064 µm aallonpituuden Nd:YAG – laseria ja yhtä CO2 – laseria. Poratut reiät kuvattiin elektronimikroskoopilla ja jokaisesta reiästä mitattiin halkaisija, ympyrämäisyys ja kartiokkuus. Lisäksi reiän laatua arvioitaessa tarkasteltiin purseen määrää reikien ympärillä. Tutkimus osoitti, että eri materiaaleihin voidaan porata, laserin säteen laadusta ja aallonpituudesta riippuen, hyvin erikokoisia reikiä. Kartiokkuuteen havaittiin voitavan vaikuttaa polttopisteen paikkaa siirtämällä.

Laser micro- and precision-machining is currently being applied in wide range of industrial drilling applications such as ink-jet printers, diesel fuel injectors, medical devices, turbine blade cooling holes and stencils. The fundamentals of laser light interactions with matter, in terms of precision-drilling, were investigated with 99.9% Copper and EN 1.4301 Stainless Steel (AISI 304). The lasers used were different Nd:YAG and CO2 - lasers, with 1.064 µm and 10.6 µm wavelengths respectively. Both single shot and percussion drilling were used for research. The material thicknesses examined were, in case of both materials, 0.1mm, 0.5mm and 1.0mm in thickness. Thicker section of 1.0mm was studied in case of material EN 1.4432 (AISI 316L) for comparison. For each drilled sample the diameter of the drilled hole was measured as well as roundness and conicalness of it by use of electron microscopy. The quality of hole was determined also by the amount of spatter and overall cleanliness of the hole and near environment. The experiments showed considerable difference in achievable hole diameter between materials as well as between wavelengths and laser beam properties. In addition, it was noticed that by choosing appropriate focal plane, the hole conicalness could be reduced.