CN107378273A - 一种低成本铝合金激光打孔技术 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光加工技术领域，提供了一种低成本的铝合金激光打孔技术。该方法采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层，形成凝胶状保护薄膜，然后采用精密数控激光加工设备对所得的铝合金板材进行打孔加工，得到所需产品。该方法采用的激光打孔技术，能够有效的使铝合金的成孔锥度减小，并防止液相飞溅，同时加工效率高，成本低，后处理简单，可实现连续化生产，并在高难度材料加工和成空控制方面有着卓越性能。

Description

一种低成本铝合金激光打孔技术
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，提供了一种低成本的铝合金激光打孔技术。
背景技术
激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写LASER），是指窄幅频率的光辐射线通过受激辐射放大和必要的反馈共振，产生准直、单色、相干的定向光束的过程。激光技术起源于20世纪60年代初期，是20世纪与原子能、半导体、计算机齐名的四项重大发明之一。至今，与激光相关的产品和服务已经遍布全球，形成了丰富和庞大的激光产业。它已经渗透到各行各业，形成了较为完备的产业链分布。产业链上游主要包括光学材料及元器件，中游主要为各种激光器及其配套设备，下游则以激光应用产品、消费产品、仪器设备为主。三十多年来，以激光器为基础的激光技术在我国得到了迅速的发展，现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域，取得了很好的经济效益和社会效益，对国民经济及社会发展将发挥愈来愈重要的作用。
激光产业的出现推动了光电产业的发展，是信息产业的支柱产业。据前瞻产业研究院测算，2014年国内激光产业市场规模在1300亿元左右。到2016年近期目标时，激光光产业产值预计超4000亿元，增加值上千亿元。激光产业园已建的和正在兴建的已超过16个。我国目前激光企业有3000家以上。激光产业正处于高速增长期。全球能量激光和信息激光的总产值超过1000亿美元，其中能量激光产业300亿美元，国际领先企业的收入状况表明：整体激光产业的增长幅度将在10%左右；具有先进技术的领先企业增长速度将超过50%；激光设备整体销量受宏观经济影响较大。激光器产品在航空航天、能源、交通运输、医疗设备以及金属制品等不受经济衰退影响的市场领域，业绩增长良好。2016年全球激光器的销售额增长至104亿美元，比2015年修订后的销售额97.1亿美元增长约7.1％，全球制造业市场经过两年的平稳发展后逐渐恢复增长。随着制造业设备的升级，预计2017年全球激光器销售额将达到110亿美元。
在激光产业中，激光打孔是目前小孔加工中不可缺少而且应用广泛的激光加工方法之一。传统的铝合金加工通孔的方法有模冲、钻床钻孔以及电火花，然而，这些加工方法均无法克服铝合金材料形变及加工效率的问题，例如，模冲加工对冲头的要求高且能满足加工效率要求，但是形变严重 ；钻床钻孔的效率低、形变相对较小，但钻头耗损成本高 ；电火花打孔可以满足形变要求，但效率低下，加工过程中容易产生变质层，需进一步去除，而且工作液即油雾容易附着在铝合金的内外表面，难以一次性清洗干净，增加了后续处理难度。
针对这种情况，我们提出一种低成本铝合金激光打孔的技术方法。其主要是利用稀盐酸对铝合金板材进行酸洗后，置于氯化铵与氯化锌的混合水溶液中清洗干净，再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在浸镀完成后，采用铬酐为主盐钝化处理，形成凝胶状保护薄膜，最后采用精密数控激光加工设备对所得的铝合金板材进行打孔加工，合理设置相应参数，可获得孔径可控，锥度较小的成孔。通过此种方法，能够有效的使铝合金的成孔锥度减小，并防止液相飞溅，同时加工效率高，成本低，后处理简单，可实现连续化生产，并在高难度材料加工和成空控制方面有着卓越性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本铝合金激光打孔技术，可以解决激光打孔的传统方法加工要求高，形变严重，效率地下、钻头损耗成本高、后续处理难度大等缺点，最主要的，创造性地在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层，有效的使成孔的锥度减小，并防止液相飞溅，并可保证钻孔过程的高效率和低成本。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种低成本铝合金激光打孔技术，利用稀盐酸对铝合金板材进行酸洗后，置于氯化铵与氯化锌的混合水溶液中清洗干净，再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在浸镀完成后，采用铬酐为主盐钝化处理，形成凝胶状保护薄膜，最后采用精密数控激光加工设备对所得的铝合金板材进行打孔加工，合理设置相应参数，可获得孔径可控，锥度较小的成孔。具体步骤如下：
（1）采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先用浓度较低的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌的混合水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，加入一定量的硅及镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，对镀层进行钝化处理，在其表面形成凝胶状保护薄膜；
（2）激光打孔：采用精密数控激光加工设备对步骤（1）所得的铝合金板材进行打孔加工，合理设置扩束比、辅助气体气压、脉冲能量、脉冲个数、脉冲宽度、脉冲重复频率等参数，可获得孔径可控，锥度较小的成孔。
优选的，步骤（1）所述稀盐酸的浓度为不高于5mol/L；
优选的，步骤（1）所述氯化铵与氯化锌为等摩尔混合，溶液的体积浓度为2~5mol/L；
优选的，步骤（1）所述铅锡合金镀液的质量配比为：铅占70~80%，锡占20~30%；
优选的，步骤（1）所述铅锡合金的浸镀温度为400~500℃；
优选的，步骤（1）所述硅的加入量为镀液质量的0.02~0.03%，镓的加入量为镀液质量的0.005~0.01%；
优选的，步骤（1）所述铬酐的体积浓度为5~10g/L，钝化液的PH值为1~1.5；
优选的，步骤（1）所述钝化温度为15~35℃，钝化时间为30~90s；
优选的，步骤（2）所述激光打孔设备的激光器波长为1064nm，光斑直径为0.3~1.0nm；
优选的，步骤（2）所述扩束比设置为2.5~4.5，辅助气体气压设置为2~3bar；
优选的，步骤（2）所述脉冲能量设置为1.0~2.5J，脉冲个数设置为150个，脉冲宽度设置为1ms，脉冲重复频率设置为20~30Hz；
优选的，步骤（2）所述离焦量应为0mm。
在激光打孔的参数设置时，要考虑众多因素的影响。扩束比对上孔孔径的影响较小，因为扩束比变小，会导致光斑变大，能量密度降低，上孔径较小，而扩束比变大时，光斑变小，虽然能量密度高，但受光斑大小的限制，上孔径依然较小；扩束比对下孔径的影响较大，扩束比越大，下表面的光斑越大，下孔径变大，而扩束比越小，焦深较长，下孔径也会变大，故在较大或较小的扩束比下，下孔径尺寸都会变大。而辅助气体气压对上孔径影响不大，下孔径会随辅助气体气压的增大而减小。当辅助气体气压过大时，会影响到打孔时液体金属的去除，导致孔不能打穿。脉冲能量增加，上孔径和下孔径都增大，且有利于形成较好的孔型，这是由于能量越高，去除的液体材料越多，孔径越大。但当能量增大时，锥度也会增大，且孔的成形质量较差，因此脉冲能量应设置在较低的范围内。
本发明提供了一种低成本铝合金激光打孔技术，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明采用的激光打孔技术，能够有效的使铝合金的成孔锥度减小，并防止液相飞溅；
2.本发明采用的激光打孔技术，加工效率高，成本低，后处理简单，可实现连续化生产；
3.本发明采用的激光打孔技术，不管材料的硬度如何都可以成功打孔，是在难加工材料上进行小孔加工的最佳选择；
4.本发明采用的激光打孔技术，可通过数值模拟的方法，预先设定激光的各项参数，从而实现成孔控制，适合广泛推广应用。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种低成本铝合金激光打孔技术，其铝合金热浸镀处理及激光打孔的具体过程如下：
首先采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先采用浓度不高于5mol/L的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌等摩尔混合的浓度为5mol/L的水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在500℃中进行浸镀。铅锡合金中铅的质量分数为80%，锡的质量分数为20%，再加入质量分数为0.03%的硅及质量分数为0.01%的镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，配置浓度为5g/L的钝化液，调节PH值为1.5，在15℃的温度下对镀层进行钝化处理，经90s后，在其表面形成了凝胶状保护薄膜；然后进行激光打孔：采用精密数控激光加工设备对处理后的铝合金板材进行打孔加工，采用氩气为辅助气体，设置扩束比为4.5，辅助气体气压为3bar，脉冲能量为2.5J，脉冲个数为150个，脉冲宽度为1ms，脉冲重复频率为20Hz，离焦量为0mm，即可在铝合金板材上获得孔径可控，锥度较小的成孔。
对实施例1得到的铝合金板材的成孔尺寸进行测试，得到的上孔径、下孔径及锥度，如表1所示。
实施例2
一种低成本铝合金激光打孔技术，其铝合金热浸镀处理及激光打孔的具体过程如下：
首先采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先采用浓度不高于5mol/L的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌等摩尔混合的浓度为4mol/L的水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在450℃中进行浸镀。铅锡合金中铅的质量分数为75%，锡的质量分数为25%，再加入质量分数为0.02%的硅及质量分数为0.005%的镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，配置浓度为10g/L的钝化液，调节PH值为1.5，在20℃的温度下对镀层进行钝化处理，经70s后，在其表面形成了凝胶状保护薄膜；然后进行激光打孔：采用精密数控激光加工设备对处理后的铝合金板材进行打孔加工，采用氩气为辅助气体，设置扩束比为3.5，辅助气体气压为2.5bar，脉冲能量为2.0J，脉冲个数为150个，脉冲宽度为1ms，脉冲重复频率为20Hz，离焦量为0mm，即可在铝合金板材上获得孔径可控，锥度较小的成孔。
对实施例2得到的铝合金板材的成孔尺寸进行测试，得到的上孔径、下孔径及锥度，如表1所示。
实施例3
一种低成本铝合金激光打孔技术，其铝合金热浸镀处理及激光打孔的具体过程如下：
首先采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先采用浓度不高于5mol/L的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌等摩尔混合的浓度为3mol/L的水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在400℃中进行浸镀。铅锡合金中铅的质量分数为70%，锡的质量分数为30%，再加入质量分数为0.02%的硅及质量分数为0.01%的镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，配置浓度为6g/L的钝化液，调节PH值为1.5，在25℃的温度下对镀层进行钝化处理，经40s后，在其表面形成了凝胶状保护薄膜；然后进行激光打孔：采用精密数控激光加工设备对处理后的铝合金板材进行打孔加工，采用氩气为辅助气体，设置扩束比为3，辅助气体气压为2.5bar，脉冲能量为1.0J，脉冲个数为150个，脉冲宽度为1ms，脉冲重复频率为30Hz，离焦量为0mm，即可在铝合金板材上获得孔径可控，锥度较小的成孔。
对实施例3得到的铝合金板材的成孔尺寸进行测试，得到的上孔径、下孔径及锥度，如表1所示。
实施例4
一种低成本铝合金激光打孔技术，其铝合金热浸镀处理及激光打孔的具体过程如下：
首先采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先采用浓度不高于5mol/L的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌等摩尔混合的浓度为3mol/L的水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在500℃中进行浸镀。铅锡合金中铅的质量分数为80%，锡的质量分数为20%，再加入质量分数为0.03%的硅及质量分数为0.005%的镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，配置浓度为8g/L的钝化液，调节PH值为1.2，在30℃的温度下对镀层进行钝化处理，经60s后，在其表面形成了凝胶状保护薄膜；然后进行激光打孔：采用精密数控激光加工设备对处理后的铝合金板材进行打孔加工，采用氩气为辅助气体，设置扩束比为3.5，辅助气体气压为2bar，脉冲能量为2.5J，脉冲个数为150个，脉冲宽度为1ms，脉冲重复频率为25Hz，离焦量为0mm，即可在铝合金板材上获得孔径可控，锥度较小的成孔。
对实施例4得到的铝合金板材的成孔尺寸进行测试，得到的上孔径、下孔径及锥度，如表1所示。
实施例5
一种低成本铝合金激光打孔技术，其铝合金热浸镀处理及激光打孔的具体过程如下：
首先采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先采用浓度不高于5mol/L的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌等摩尔混合的浓度为3mol/L的水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在400℃中进行浸镀。铅锡合金中铅的质量分数为75%，锡的质量分数为25%，再加入质量分数为0.025%的硅及质量分数为0.005%的镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，配置浓度为8g/L的钝化液，调节PH值为1，在20℃的温度下对镀层进行钝化处理，经80s后，在其表面形成了凝胶状保护薄膜；然后进行激光打孔：采用精密数控激光加工设备对处理后的铝合金板材进行打孔加工，采用氩气为辅助气体，设置扩束比为4，辅助气体气压为3bar，脉冲能量为2.5J，脉冲个数为150个，脉冲宽度为1ms，脉冲重复频率为20Hz，离焦量为0mm，即可在铝合金板材上获得孔径可控，锥度较小的成孔。
对实施例5得到的铝合金板材的成孔尺寸进行测试，得到的上孔径、下孔径及锥度，如表1所示。
实施例6
一种低成本铝合金激光打孔技术，其铝合金热浸镀处理及激光打孔的具体过程如下：
首先采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先采用浓度不高于5mol/L的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌等摩尔混合的浓度为2mol/L的水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在400℃中进行浸镀。铅锡合金中铅的质量分数为80%，锡的质量分数为20%，再加入质量分数为0.03%的硅及质量分数为0.005%的镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，配置浓度为7g/L的钝化液，调节PH值为1.5，在35℃的温度下对镀层进行钝化处理，经50s后，在其表面形成了凝胶状保护薄膜；然后进行激光打孔：采用精密数控激光加工设备对处理后的铝合金板材进行打孔加工，采用氩气为辅助气体，设置扩束比为2.5，辅助气体气压为2bar，脉冲能量为1.5J，脉冲个数为150个，脉冲宽度为1ms，脉冲重复频率为20Hz，离焦量为0mm，即可在铝合金板材上获得孔径可控，锥度较小的成孔。
对实施例6得到的铝合金板材的成孔尺寸进行测试，得到的上孔径、下孔径及锥度，如表1所示。
实施例7
一种低成本铝合金激光打孔技术，其铝合金热浸镀处理及激光打孔的具体过程如下：
首先采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先采用浓度不高于5mol/L的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌等摩尔混合的浓度为4mol/L的水溶液中清洗干净。再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在450℃中进行浸镀。铅锡合金中铅的质量分数为70%，锡的质量分数为30%，再加入质量分数为0.02%的硅及质量分数为0.01%的镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量。浸镀完成后，采用铬酐为主盐，配置浓度为5g/L的钝化液，调节PH值为1.5，在20℃的温度下对镀层进行钝化处理，经60s后，在其表面形成了凝胶状保护薄膜；然后进行激光打孔：采用精密数控激光加工设备对处理后的铝合金板材进行打孔加工，采用氩气为辅助气体，设置扩束比为3.5，辅助气体气压为2.5bar，脉冲能量为2.5J，脉冲个数为150个，脉冲宽度为1ms，脉冲重复频率为25Hz，离焦量为0mm，即可在铝合金板材上获得孔径可控，锥度较小的成孔。
对实施例7得到的铝合金板材的成孔尺寸进行测试，得到的上孔径、下孔径及锥度，如表1所示。
表1：
具体实施例 上孔径（μm） 下孔径（μm） 锥度（°）
实施例1 687 720 -1.2
实施例2 780 790 -0.8
实施例3 650 625 0.5
实施例4 695 720 -1.4
实施例5 770 680 1.1
实施例6 648 730 -1.5
实施例7 720 650 0.8
由表1可见：
（1）在某些实施例中，计算所得锥度为负值，这是由于采用氩气为辅助气体，材料厚度较大，到达下表面的辅助气体较少，而氧气对打孔有助燃作用，造成下孔径大于上孔径。
（2）采用本发明的方法对铝合金板材进行激光打孔，其孔洞的上下孔径可通过参数设置进行控制，且成孔的锥度较小。

Claims (10)

1.一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于利用稀盐酸对铝合金板材进行酸洗后，置于氯化铵与氯化锌的混合水溶液中清洗干净，再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，在浸镀完成后，采用铬酐为主盐钝化处理，形成凝胶状保护薄膜，最后采用精密数控激光加工设备对所得的铝合金板材进行打孔加工，合理设置相应参数，可获得孔径可控，锥度较小的成孔，制备的具体步骤如下：
（1）采用热浸镀的方法在铝合金表面覆盖一层铅锡合金镀层：先用浓度较低的稀盐酸对铝合金板材进行酸洗，除去表面的氧化物质及杂质，然后置于氯化铵与氯化锌的混合水溶液中清洗干净；再将铝合金置于熔融的铅锡合金镀液中，加入一定量的硅及镓，以限制脆性层的生长，改善镀层质量；浸镀完成后，采用铬酐为主盐，对镀层进行钝化处理，在其表面形成凝胶状保护薄膜；
（2）激光打孔：采用精密数控激光加工设备对步骤（1）所得的铝合金板材进行打孔加工，合理设置扩束比、辅助气体气压、脉冲能量、脉冲个数、脉冲宽度、脉冲重复频率等参数，可获得孔径可控，锥度较小的成孔。
2.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于，步骤（1）所述稀盐酸的浓度为不高于5mol/L。
3.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于，步骤（1）所述氯化铵与氯化锌为等摩尔混合，溶液的体积浓度为2~5mol/L。
4.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于，步骤（1）所述铅锡合金镀液的质量配比为：铅占70~80%，锡占20~30%。
5.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于，步骤（1）所述铅锡合金的浸镀温度为400~500℃。
6.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于，步骤（1）所述硅的加入量为镀液质量的0.02~0.03%，镓的加入量为镀液质量的0.005~0.01%；所述铬酐的体积浓度为5~10g/L，钝化液的PH值为1~1.5；所述钝化温度为15~35℃，钝化时间为30~90s。
7.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于：步骤（2）所述激光打孔设备的激光器波长为1064nm，光斑直径为0.3~1.0nm。
8.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于：步骤（2）所述扩束比设置为2.5~4.5，辅助气体气压设置为2~3bar。
9.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于：步骤（2）所述脉冲能量设置为1.0~2.5J，脉冲个数设置为150个，脉冲宽度设置为1ms，脉冲重复频率设置为20~30Hz。
10.根据权利要求1所述一种低成本铝合金激光打孔技术，其特征在于：步骤（2）所述离焦量应为0mm。
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