工业激光设备已经不再是什么新奇的玩意，激光切割机，激光雕刻机，激光打标机有效地降低的加工产品的成本，提高了生产效率和生产效益。下面大族激光为大家讲述Nd:YAG激光钻孔工艺，光纤激光钻孔技术初期研究成果，掺镱激光在激光钻孔领域的应用，激光钻孔应用于航空制造实例，激光钻孔及其质量控制，脉冲穿孔的技术。

        利用Nd：YAG激光钻孔技术，可以在机器上加工出极小、极为精确且与表面成法角或极端角度的孔洞，可实现各种形状、方向加工，且适用于各种各样的材料，包括极难加工的航天合金。例如，Prima Power Laserdyne公司（Prima Power North America Inc.旗下）就已在全球范围内安装了750多台航天制造专用系统。最常使用的是高功率（200-400 W平均功率）脉冲Nd：YAG激光器。通过冲击钻孔（图1）或穿孔完成加工。在激光钻孔工艺中，高功率密度通过0.05 mm至0.75 mm的对焦光斑大小实现。

        冲击钻孔是指从激光器发出一束或多束激光脉冲，激光光束和加工部件都是固定的。是否需要多束脉冲，取决于加工的孔深。冲击钻孔的另一个变型是飞行钻孔，由固定的激光器向加工部件发出激光脉冲，同时旋转加工部件。孔定位是旋转速度和激光器脉冲频率的一个函数。如果需要多束脉冲，可使用相关软件（例如由Laserdyne开发的CylPerf软件）来同步部件运动和激光脉冲，确保多束脉冲准确射向所需的位置。通过更改激光脉冲能量，可以调整脉冲频率、镜头焦距、孔尺寸或锥度特性以满足孔设计要求。
 

　　另一种钻孔工艺是穿孔。其中，加工部件保持静止，激光光束移动并通过切割形状来生成孔洞或特征。这种"钻孔"方式通常适用于同时进行冲击和钻孔的应用。而超精确、可重复性激光定位系统的问世，使得独特、精确的穿孔加工成为可能。

激光器平均功率由脉冲频率、脉冲能量所决定，而功率又受激光器不出现性能下降的工作周期所限制。冲击钻孔工艺通常使用<100 W至400 W的平均功率。而脉宽的选择关系到钻孔的质量，较短的脉宽可能会限制单束脉冲可实现的最大能量；典型的脉宽范围为0.5-2 ms。

脉冲能量是用以区分钻孔激光器与其他加工应用激光器的一项特征。脉冲能量越高，钻孔速度越快，但可能会对孔洞质量造成不利影响。大多情况下，所需的脉冲能量由实验结果、材料厚度、成分以及所需的孔直径所决定。

对于特定的激光器装备，聚焦透镜将决定光斑大小。冲击钻孔工艺中的光斑大小与待钻的孔直径相关：对于较薄的材料(<0.5 mm)，光斑大小几近等于孔尺寸；而随着金属厚度增加，可通过冲击钻孔实现的孔直径范围逐渐缩小。这时穿孔工艺（图2）就派上用场了。

        激光钻孔技术应用于航空器及陆地（发电）应用的涡轮发动机组件上已有近45年的历史了，而对于汽车工程师、过滤设计师以及医疗设备制造商而言，激光钻孔技术已是其部件制造流程中不可或缺的一部分。

镱(Yb)光纤激光器是最常用于材料加工的光纤激光器类型。最初它们是作为连续波(CW)激光器开发出来的，后来虽然增加了脉冲功能，但其峰值功率仍与CW平均功率一样。这对切割和焊接应用非常有效，但却限制了钻孔效率。常用的Nd：YAG钻孔激光器的峰值为50 kW，而许多应用均使用20-35 kW脉冲的峰值功率。

位于马萨诸塞州牛津市的IPG Photonics应用实验室安装了Laserdyne 795系统后，Yb光纤激光器的使用重新引发了人们的兴趣。实验证明，利用20 kW CW光纤激光器可以通过冲击钻孔和穿孔工艺得出非常完美的孔质量。这一成果为Laserdyne Champlin应用实验室安装专门用于钻孔研究的15 kW CW Yb光纤激光器奠定了基础。

这一研究旨在获取额外的实用钻孔数据，以及确定下一阶段所需的激光器尺寸。但将Yb光纤激光器用于钻孔应用还存在一个重要的问题，即激光器成本。与光纤激光器的所有种种优势相比，其成本要高出5倍多；这在制造操作中可能行不通。

        还有一种备选方案，就是制造与Nd：YAG激光器一样售价成本的准连续波(QCW)激光器。所需的QCW激光器尺寸范围将通过一连串测试决定。


目前这一阶段的研究得出了以下结论：
1. 利用与Nd：YAG激光器参数最为相近的光纤激光器可完成钻孔，还可以通过一系列参数选项来提高产量和/或孔质量。
2. 利用光纤激光器提高光束质量并最终提高功率密度和降低光斑大小，对冶金学结果有极大影响。
3. 带热障涂层(TBC)材料的钻孔结果显示了分层性能得到极大改善。
4. 穿孔比冲击钻孔更为"实惠"，且前者的几何学、冶金学结果要优于后者。但是，质量提高是以产量下降为代价的，因为冲击钻孔的产量是1孔/秒，而钻同样一个孔穿孔工艺需要3秒，即时钻孔技术却可以以3孔/秒的速度实现同样的质量结果。
5. 存在一种可能性，即利用非常规的钻孔参数可以取得可接受的结果。例如，在1.45 mm厚TBC涂层材料上钻取直径为0.5 mm、与表面成30°角的孔。利用8ms的单束"长"脉冲，能够以0.10秒的速率完成钻孔。
        6. 介于9-12 kW范围内的QCW激光器可以提高钻孔机效率。事实上这些结果公布后，美国和欧洲许多公司纷纷订购这一系统以进行进一步对焦研究。
虽然这些结果非常令人振奋且吃惊，但还有一些有待解决的问题。最重要的一个问题就是，采用冲击钻孔和飞行钻孔技术时如何控制孔大小。

      
        由于与传统的钻孔技术相比，激光钻孔更有优势，因而在许多领域取得了成功。其优势包括非接触式处理、材料中输入的热量低、钻孔的材料范围广、精确、一致性好，其它优势包括能够打次μm大小的孔、打宽高比较大的小孔和以一定的角度钻孔。

常用的钻孔技术有定点冲击钻孔和旋切钻孔。其中，冲击钻孔指在一个位置上用脉冲激光束不停地加工，直至孔通。高速飞行钻孔也是一种定点冲击钻孔技术，通常用于滤光片和导流板钻孔。旋切钻孔指加工孔径较大的孔或者具有一定形状的孔，旋切钻孔的优势包括加工的孔径大、一致性好以及能够加工具有一定形状的孔，旋切钻孔还能够降低孔的锥度。

光纤激光形成的光斑直径只有10 – 20μm大小，单模和Q调制光纤激光器具有完美的高斯光束，峰值功率高且脉宽小，非常适用于薄板材、陶瓷和硅材料的钻孔处理。通过改变光学配置可以钻孔孔径的大小获得不同的光斑尺寸。目前，高功率光纤激光器还用于岩石钻孔和油气勘探领域，高功率、高能量激光脉冲还可用于厚金属材料钻孔。

应用实例：1.流体过滤片、网钻孔、2.柔性陶瓷辊钻孔（次μm大小）、3.导流板高速钻孔、4.硅材料钻孔、5.钻石除瑕疵钻孔、6.在线冷却微孔、7.岩石钻孔
钻孔材料:低碳钢、不锈钢、钛合金、铝合金、镀锌钢、镍钛合金、铬镍铁合金、陶瓷、钻石。
服务市场:工业、医疗、汽车、航空、消费产品、电子、半导体、珠宝、油气勘探。

        
         目前航空领域中用于喷射引擎的气体温度可达到2000℃，这个温度已经超过了涡轮叶片和燃烧室材料，即镍合金的熔点，于是人们一般采用边界层冷却的方法来解决这个问题，即在气压涡轮、喷管叶片和燃烧室表面加工孔，其中每个零件上的孔从25个到4万个不等（具体零件的参数如表1所示)，冷却气体可以通过零件上的小孔覆盖整个零件的表面来隔绝外界的温度，从而起到保护作用。

        冷却孔可以用电火花加工（EDM），也可以使用激光加工，虽然采用EDM方法可以加工出质量合格的小孔，但是加工效率明显低于激光加工。此外，EDM还有以下三个缺点：
1.适合低入射角和入射角变化的场合。
2.要使用各种耗材，如电解液等， 增加了加工成本。
3.为了提高耐热性，叶片表面需涂上绝缘陶瓷，但是EDM不适合在陶瓷涂层物质上穿孔。
目前使用脉冲Nd:YAG激光器已成为航空航天领域钻孔设备的首选，主要是由于其具有以下优点：
1.使用1.06μm波长对于材料的加工具有很好的效果。
2.具有高脉冲能量和峰值功率的特性。
3.能快速在各种材料表面上（包括有耐热涂层材料在内）加工出高深宽比的冷却孔。
 

在航空领域中有两种基本的激光钻孔方法：套孔和激光脉冲钻孔。套孔是用激光脉冲先在孔的中心位置钻孔，然后激光束移动到孔的圆周或者通过零件旋转来加工出一个孔。激光脉冲钻孔既不需要移动激光束，也不需要移动零件，仅通过连续的激光脉冲便可加工出孔，并且在加工过程中通过控制脉冲能量的大小还可以调节孔的直径，因此能够大大缩短零件的加工周期，尤其在加工燃烧环、燃烧室等对称结构的零部件时，加工时间还能被进一步被缩短。激光脉冲钻孔已成为航空工业中非常重要的应用技术。激光的脉冲频率与工件的转动频率同步，激光脉冲完全同时的以特定的排列来加工出所有的孔。然而，尽管这种“飞行钻孔（drill on-the-fly）”技术缩短了加工时间，但是加工出来的孔的质量通常并不理想。

孔的质量问题非常关键。通过激光加工的孔的质量好坏可以通过不同的特性来判断。从几何要素考虑，可以通过孔的圆度、锥度以及入口直径的变化来判断。从金相方面考虑，可以通过重铸层和氧化层等结构组织的变化来判断。其中， 重铸层的形成是由于熔化的金属没有被激光脉冲所产生的气压喷射出来，而被留在孔内，因此在孔壁留下了薄薄的一层固态金属涂层，这层金属涂层表面会产生微裂纹，以致直接蔓延到本体。一直以来，航空公司所使用的标准都在不断地努力来提高孔的质量。例如劳斯莱斯航空公司，他们根据实际情况建立了可接受的氧化层和重铸层的最大厚度标准，使工件在使用之前，工件上的孔的几何尺寸具有可接受最大的偏移值范围。而其他航空公司则是通过零件的气体流动性来判断加工孔质量的好坏。

        目前，加工航空零部件的钻孔大都采用直接光束传输系统，但由于许多技术方面的原因，光纤出光系统在激光钻孔方面的应用一直发展缓慢。这其中有两个主要原因：一是光纤损坏阈值相对较低；另一个原因是传输的光束质量，光纤的直径会导致光束质量M的恶化。但当M2 = 25或更好时，使用正确的脉冲参数也能生产出合格的孔。因此， 光纤应用系统比光束直接传输系统相比具有一定优势，主要体现在：

1.激光束传输系统为CNC机床上的激光传输提供了选择。
2.使能量均化带来Top hat的特性，改善了孔的圆度和一致性。
        3.传输脉冲钻孔技术在高质量穿孔中大大缩短了加工时间，有利于提高生产效率和减少加工成本。

　　
以下主要讨论使用高峰值功率(可达到20kW)的脉冲Nd:YAG激光器分别在直接光束传输和光纤传输系统中的脉冲穿孔应用。我们选择在镍基合金上用不同的激光和参数进行打孔，从而研究它的重铸层、锥度、氧化层裂缝以及加工时间等参数的范围。

1.钻孔测试

（1）激光器
试验选用JK704激光器做直接传输光束钻孔。这种激光器可提供很高的峰值功率（见表2）和很好的脉冲稳定性，非常适合加工小径孔（0.25～0.90mm）。激光器的高斯光束质量和增强的控制和脉冲整形特性为加工包括具有隔热涂层材料在内的航天材料时提供了更大的灵活性。


此光纤传输钻孔测试将用GSI 最新的高峰值功率脉冲激光器JK300D来完成。这种激光器有很高的峰值功率和Top hat特性（见图4），适合航空合金材料脉冲穿孔。激光器发出的光束在10m×300μm直径的光纤中传输，通过160mm的右角度准直系统和光学聚焦镜输出。

（2）穿孔测试
我们用两种激光系统分别采用各种激光和工作参数来进行钻孔测试（见表4）。并通过这些参数来比较两种激光系统分别在航空镍基合金上钻孔的表现。

        （3）结果与讨论
由于零件的设计者首先考虑的是充分的气流量通过冷却孔来达到合适的冷却作用，而气流大小主要由零件表面的孔的大小和形状来决定，所以要严格控制孔的尺寸、圆度和锥度。还有其他的一些因素要考虑，因为孔和孔之间位置相对来说比较接近，所以任何孔的尺寸的偏差都有可能影响到该区域上的其他孔，从而导致零件的局部偏差。除了重铸层和热机影响区外，锥度过大和表面凸槽是不允许的。

2.钻孔时间

两种激光器在2mm厚的材料上加工一个垂直孔的时间均不超过0.5s。图5～8显示了用光纤传输系统在表面加工10和20的孔的时间。可以看出用160mm长焦距和直径300μm的光斑更好的聚焦深度比120mm焦距的光束加工时间要短。同样图表也显示了脉冲宽度和加工时间的相关性。长脉冲宽度和因此的更高脉冲能量的激光打孔要比短脉冲宽度和因此的低脉冲能量的加工速度快。我们用JK704 LD1激光器来演示这个实验，因为他的激光束质量为M2=8要好于JK300D的M2=16，从而使加工时间变得更短。高质量的光束可以达到更长的焦距（200～250mm），同时还能保证快速钻孔的能量密度要求。使用长焦距激光的主要优点在于可以减少加工过程中由于飞溅导致的损伤，从而延长保护镜片的寿命。除此之外，高质量的光束可以提供很好的焦深，从而提供各种工件或运动系统的更大的误差范围。

3.锥度

图9和图10 表示了两种激光器分别在2mm厚的材料上加工不同角度孔的典型锥度。虽然两种系统产生的锥度非常相似，但是可以看出，使用光纤传输系统加工出孔的圆度要比使用光束传输系统加工出的要好，因为光纤能使激光分布更均匀。图11展示了用两种激光器加工出的孔的截面，可以看出，用两种激光加工出的垂直孔的锥度在深度方向并不一样，尤其是在孔的中心位置变化很大，图示反馈给我们的由于激光参数导致的锥度差异，激光峰值功率密度对孔形状的影响。如今的研究表明，表面凸度的产生，主要是在孔的中心部位，而且更多的是发生在高能量密度的情况下。由此推测，可能是因为等离子体的形成明显地减少了在孔成形的过程中蒸发带走物质的作用。在表面上加工一个锐角的孔时没有表面凸起产生，可能是因为光斑在一个角度被拉长，而使能量密度减弱的缘故。

        4.重铸层

除了氧化层，重铸层是激光钻孔在金相方面的主要特点，并且已经在光纤系统中经过全面的研究。结果表明在表面加工90的孔时，光纤传输激光系统重铸层的典型厚度大概为25～35μm。这个重铸层与光束直接传输激光系统非常类似。而氧化层大概在10～15μm，两种激光器得出的测试结果都在此范围内。如果在表面上加工一个锐角的孔，那么重铸层厚度随位置变化非常显著。在入口处会有更厚的重铸层，可能是由于在脉冲钻孔过程中大量地熔化了的材料从这个地方喷出而遗留下来的。同时我们也可以预测出，在低能量和低峰值功率的情况下重铸层的厚度会增加。
 

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