激光打孔加工研究的现状分析

金锐超

【摘 要】激光加工工艺是一项复杂的，任务很艰巨的技术，需要我们不断的优化激光加工参数，提高与完善加工工艺以实现激光超精细加工，本文介绍了激光加工的理论、加工工艺、飞秒激光加工的国内研究现状，总结了目前激光打孔的不足，为未来激光打孔的研究方向提供思路。

【关键词】飞秒激光；激光打孔；激光加工系统

Analysis of laser drilling processing

JIN Rui-chao1 ZHANG Yi-zhen1 ZHOU Bei-lei2

（1.Weinan Vocational and Technical College；2.Maternal and child health care hospital of Linwei Weinan District shanxi weinan 714000）

【Abstract】Laser processing technology is a very complex and very difficult task， need to be continuously optimized laser processing parameters ， increased to achieve laser fine processing and improved the processing technology. this paper introduces the domestic research status of laser processing theory， processing technology， femtosecond laser processing， summarizes the advantages of femtosecond laser drilling. The shortcomings of laser drilling are summarized， which provides the direction for the future research of laser drilling.

【Key words】Femtosecond laser； Laser drilling； Laser processing system

0 背景介绍

激光因其具有高的相干性、方向性和高强度，使之容易获得很高的光通量密度。激光作用于物质上就会发生反射、散射和吸收。入射激光通过逆韧致吸收过程在材料表面被吸收，并在亚纳秒时间内转化为热能。这样物质温度升高，物质的状态、结构就发生改变。在工业上利用激光进行切割、焊接、钻孔、刻标、重熔、热处理、表面合金等加工。

近年来国产激光切割机的量产与自主开发力度的加大，外国一线公司在华本土化生产，缩小了二者的产品差距与价格差距。上海团结普瑞玛、大族激光、武汉法利莱、奔腾楚天等一线厂商的市场占有率大幅的增长。但是我国大功率激光切割装备的产业链仍未形成，激光器关键元部件都得依赖进口。昂贵的电容切割头及光学镜片等的研发生产相关技术问题，一直未能解决。

1 研究现状分析

清华大学机械系激光加工研究中心钟敏霖等在《国际激光材料加工研究的主导领域与热点》中根据1247篇国际会议论文和231篇国内会议论文在22个主导研究领域的分布，指出中国在激光表面强化特别是激光熔覆方面的大量深入研究已形成优势，但是在新型激光器和激光微纳加工领域的研究尚薄弱，需要加强[1]。

1.1 激光与金属作用的理论研究

1916年著名的美國物理学家爱因斯坦发现激光的原理，1957年Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，1960年：美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光。自激光问世以来，已经应用于工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域并逐渐引领设人类工业社会的进步。

中国科学院力学研究所先进制造工艺力学实验室葛志福等建立了涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失因素的固-液-气三相三维数值计算模型。基于有限体积法， 编制计算程序， 对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟，探讨了不同激光参数对打孔过程的影响[2]。南京理工大学秦源在博士论文中从实验和数值模拟方面研究了毫秒激光致金属材料产生塑性屈服的现象。依据热传导理论及热弹塑性力学理论建立了毫秒激光与厚航空铝合金板相互作用的物理模型，用有限元法模拟了温度场和应力场的分布，得到了塑性屈服时间、范围以及残余应力的大小。基于热传导理论及温度分布形式，得到了温度和熔融深度的解析解。提出了毫秒激光逆重力方向对厚铝板打孔的实验方法，得到了小孔深度解析式[3]。

宋林森等建立激光打孔的热力学模型，利用有限元分析软件ANSYS 对激光打孔过程的温度场进行模拟仿真，通过对温度场的分析，得到小孔的孔深、孔径的时间特性以及随激光能量的变化曲线[4]。四川大学李世文采用纳秒激光脉冲对铜金属进行了打孔实验，对微孔形貌进行了观察并对其热力学过程进行了相应的分析。激光辐照金属打孔需要激光脉冲能量的沉积，使金属材料发生熔化、汽化以及电离等相变，使得材料更容易去除，并且激光等离子体作为二次热源会更有效把激光脉冲能量耦合到金属[5]。

中科院郭云曾等提出一种提高光楔对激光微加工精度分析的方法。首先提出了单光楔矢量等效概念，基于单光楔矢量定义对双光楔矢量模型进行了建立与分析。应用Matlab 编写了仿真软件，仿真得出了激光束经过两个相同光楔后的轨迹，并指出了由于运动系统的不同步对激光微孔加工中打孔质量的影响，进行了误差定量分析并给出了误差计算公式[6]。卢轶等利用电容传声器、PVDF 传感器分别测量了激光打孔过程中的声波型号与冲击波信号，得出气流的物理作用减弱材料蒸汽和等离子对激光的屏蔽效应，维持较为连续的声波信号输出，辅助气体氧气的化学作用会增强材料蒸汽和等离子的屏蔽效应。氧气的物理作用与化学作用交替进行产生了不连续的声波信号[7]。endprint

1.2 航空发动机涡轮叶片加工工艺研究

在激光加工领域，激光与材料的相互作用一直是备受人们关注的问题。从工业上的激光热处理技术，到军事上的激光破坏机理研究，均与之密切相关。激光与材料的相互作用，涉及激光物理、传热学、等离子体物理、非线性光学、固体与半导体物理、热力学、连续介质力学等广泛的学科领域。

北京航空工艺研究所张晓兵介绍了3种激光加工小孔工艺，在疲劳试验基础上分析了激光加工小孔孔壁再铸层及其上徽裂纹对D Z 2 2 材抖疲劳寿命的影响，并比较了3种工艺方法的优劣[8]。 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所滕文华研究了了大气环境下激光打孔及封焊技术，典型工艺参数对小孔形状、小孔封焊形貌的影响规律[9]。中国科学技术大学敖霖等让固体激光器所产生的激光依次通过光阑、准直镜组、聚焦透镜来获得光斑半径小、强度高的光束，并用其对金属靶材进行加工，得到了优于机械打孔的微孔[10]。西安交通大学段文强等用大功率Nd： YAG毫秒脉冲激光器，分别在304不锈钢和DZ445定向结晶镍基合金上进行孔加工实验，探讨了旋切路径、 旋切速度、 旋切圈数对孔质量的影响规律，得出了重铸层厚度随着旋切速度的降低和旋切圈数的增加而减小[11]。华中科技大学王砚丽提出了一种基于光学系统旋转的激光旋转打孔。证明了旋转打孔能得到比冲击打孔更好的小孔质量[12]。北京工业大学辛凰兰采用旋切打孔的方式和冲击打孔的方式，针对两种方法研制了一种新型激光打孔装置，通过理论分析了冲击打孔和旋切打孔方法和特点[13]。袁立新等研究了激光打孔表面存在再铸层、微裂纹等工艺缺陷，提出了喷射液束电解辅助激光加工的复合加工工艺[14]。

1.3 激光加工系统研究

天津大学禹东赫在博士论文《声控激光打孔技术研究》中提出激光与材料相互作用下声波信号随时间变化关系，高频超声波调Q方法，研究出声控激光打孔系统。提出了新的实现自动化数控打孔，把超声调制激光功率控制、精密机床、声波传感器和电脑控制技术结合起来，实现对激光打孔过程的在线实时监控。在国内外首次采用声波信号控制自动打孔。采用计算机内部硬件配合专用自动编程软件实现了激光焦点上下运动，实现了对X.Y平面上运动精确控制[15]。

2 总结 目前研究的缺陷

目前大多数研究者和研究机构采用毫秒激光加工航空发动机的涡轮叶片的冷却气膜孔，由于其在加工过程中容易形成重铸层，和微裂纹等影响打孔质量，采用如旋切法、激光与电解复合加工法等改善毫秒激光加工工艺的办法可以降低重铸层厚度但是仍然不够理想。由于飞秒激光加工金属的特性，可以克服打孔加工中的质量问题。但是从飞秒激光入手研究其与镍基超合金的作用机理上不够透彻，激光加工过程中激光与不同金属的之间的相互作用机理缺乏完善理论，金属晶体材料影响打孔质量和孔型参数的相关激光器参数和光学参数也不够完整。虽然对于模型的研究较多，但是还没有一个普遍较为认可的全参数模型。

为了更好地利用超短脉冲激光进行高质量和高效率的金属烧蚀加工，必须认识激光脉冲与金属材料的相互作用过程，包括各种物理现象，及影响烧蚀质量和烧蚀效率的因素。并且需进一步研究加工工艺和加工方法，以提高加工质量和加工效率使得激光加工实现自动化生产。

【参考文献】

[1]钟敏霖，刘文今.国际激光材料加工研究的主导领域与热点[J].中国激光，2008，35（11）：1653-1659.

[2]葛志福， 虞钢，何秀丽.激光打孔过程三维瞬态数值模拟[J].中国科学：物理学力学天文学，2012.42（8）：869-876.

[3]秦源.毫秒激光与金属材料相互作用中的热学和力学效应研究[D]南京：南京理工大学2011.

[4]宋林森，史国权，李占国.利用ANSYS 进行激光打孔温度场仿真[J].兵工学报，2006，27（2）：879-882.

[5]李世文，张秋慧，牛瑞华.激光对金属铜微孔加工的热力学过程研究[J].光谱学与光谱

[6]郭云曾，杨小军，杨小君，等.旋转双光楔光路引导系统Matlab仿真研究[J].红外与激光工程2014，43（3）：856-860.

[7]卢轶，冯爱新，戴峰泽.脉冲激光打孔声波产生机理研究[J].激光与红外2014，44（12）：1331-1334.

[8]张晓兵，李其连，王健.激光加工小孔工艺及其孔壁再铸层对D Z 2 2高温合金疲劳性能的影响[J].新工艺新技术新设备，1995，2：2-3.

[9]滕文华，刘世杰，沈显峰.大气环境下激光打孔及封焊技术研究[J].应用激光2013，33（5）：515-519.

[10]敖霖，管昇炜，汪晓.激光聚焦与激光打微孔实验设计[J].物理实验，2014，34（12）：6-9.

[11]段文强，王恪典，董霞.激光旋切法加工高质量微小孔工艺与理论研究[J].西安交通大学学报，2015，49（3）：95-111.

[12]王砚丽.激光旋转打孔技术的研究[D]武汉：华中科技大学2012.

[13]辛凰兰.高质量打孔技术研究[D]北京：北京工业大学2006.

[14]袁立新，徐家文，赵建社.喷射液束电解辅助激光加工的理論模型和实验研究[J].东南大学学报自然，2010，40（4）：736-740.

[15]禹东赫.声控激光打孔技术研究[D]天津：天津大学2007.

[责任编辑：张涛]endprint