激光打孔加工研究的現狀分析

金銳超

【摘 要】激光加工工藝是一項復雜的，任務很艱巨的技術，需要我們不斷的優化激光加工參數，提高與完善加工工藝以實現激光超精細加工，本文介紹了激光加工的理論、加工工藝、飛秒激光加工的國內研究現狀，總結了目前激光打孔的不足，為未來激光打孔的研究方向提供思路。

【關鍵詞】飛秒激光；激光打孔；激光加工系統

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 背景介紹

激光因其具有高的相干性、方向性和高強度，使之容易獲得很高的光通量密度。激光作用于物質上就會發生反射、散射和吸收。入射激光通過逆韌致吸收過程在材料表面被吸收，并在亞納秒時間內轉化為熱能。這樣物質溫度升高，物質的狀態、結構就發生改變。在工業上利用激光進行切割、焊接、鉆孔、刻標、重熔、熱處理、表面合金等加工。

近年來國產激光切割機的量產與自主開發力度的加大，外國一線公司在華本土化生產，縮小了二者的產品差距與價格差距。上海團結普瑞瑪、大族激光、武漢法利萊、奔騰楚天等一線廠商的市場占有率大幅的增長。但是我國大功率激光切割裝備的產業鏈仍未形成，激光器關鍵元部件都得依賴進口。昂貴的電容切割頭及光學鏡片等的研發生產相關技術問題，一直未能解決。

1 研究現狀分析

清華大學機械系激光加工研究中心鐘敏霖等在《國際激光材料加工研究的主導領域與熱點》中根據1247篇國際會議論文和231篇國內會議論文在22個主導研究領域的分布，指出中國在激光表面強化特別是激光熔覆方面的大量深入研究已形成優勢，但是在新型激光器和激光微納加工領域的研究尚薄弱，需要加強[1]。

1.1 激光與金屬作用的理論研究

1916年著名的美國物理學家愛因斯坦發現激光的原理，1957年Townes的博士生Gordon Gould創造了“laser”這個單詞，1960年：美國加州Hughes 實驗室的Theodore Maiman實現了第一束激光。自激光問世以來，已經應用于工業、醫療、商業、科研、信息和軍事六個領域并逐漸引領設人類工業社會的進步。

中國科學院力學研究所先進制造工藝力學實驗室葛志福等建立了涉及熔化潛熱、氣化潛熱吸收及輻射散熱損失因素的固-液-氣三相三維數值計算模型?；谟邢摅w積法， 編制計算程序， 對激光打孔過程中的溫度場、孔型演化過程進行了數值模擬，探討了不同激光參數對打孔過程的影響[2]。南京理工大學秦源在博士論文中從實驗和數值模擬方面研究了毫秒激光致金屬材料產生塑性屈服的現象。依據熱傳導理論及熱彈塑性力學理論建立了毫秒激光與厚航空鋁合金板相互作用的物理模型，用有限元法模擬了溫度場和應力場的分布，得到了塑性屈服時間、范圍以及殘余應力的大小?；跓醾鲗Ю碚摷皽囟确植夹问剑玫搅藴囟群腿廴谏疃鹊慕馕鼋狻Ｌ岢隽撕撩爰す饽嬷亓Ψ较驅皲X板打孔的實驗方法，得到了小孔深度解析式[3]。

宋林森等建立激光打孔的熱力學模型，利用有限元分析軟件ANSYS 對激光打孔過程的溫度場進行模擬仿真，通過對溫度場的分析，得到小孔的孔深、孔徑的時間特性以及隨激光能量的變化曲線[4]。四川大學李世文采用納秒激光脈沖對銅金屬進行了打孔實驗，對微孔形貌進行了觀察并對其熱力學過程進行了相應的分析。激光輻照金屬打孔需要激光脈沖能量的沉積，使金屬材料發生熔化、汽化以及電離等相變，使得材料更容易去除，并且激光等離子體作為二次熱源會更有效把激光脈沖能量耦合到金屬[5]。

中科院郭云曾等提出一種提高光楔對激光微加工精度分析的方法。首先提出了單光楔矢量等效概念，基于單光楔矢量定義對雙光楔矢量模型進行了建立與分析。應用Matlab 編寫了仿真軟件，仿真得出了激光束經過兩個相同光楔后的軌跡，并指出了由于運動系統的不同步對激光微孔加工中打孔質量的影響，進行了誤差定量分析并給出了誤差計算公式[6]。盧軼等利用電容傳聲器、PVDF 傳感器分別測量了激光打孔過程中的聲波型號與沖擊波信號，得出氣流的物理作用減弱材料蒸汽和等離子對激光的屏蔽效應，維持較為連續的聲波信號輸出，輔助氣體氧氣的化學作用會增強材料蒸汽和等離子的屏蔽效應。氧氣的物理作用與化學作用交替進行產生了不連續的聲波信號[7]。endprint

1.2 航空發動機渦輪葉片加工工藝研究

在激光加工領域，激光與材料的相互作用一直是備受人們關注的問題。從工業上的激光熱處理技術，到軍事上的激光破壞機理研究，均與之密切相關。激光與材料的相互作用，涉及激光物理、傳熱學、等離子體物理、非線性光學、固體與半導體物理、熱力學、連續介質力學等廣泛的學科領域。

北京航空工藝研究所張曉兵介紹了3種激光加工小孔工藝，在疲勞試驗基礎上分析了激光加工小孔孔壁再鑄層及其上徽裂紋對D Z 2 2 材抖疲勞壽命的影響，并比較了3種工藝方法的優劣[8]。 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所滕文華研究了了大氣環境下激光打孔及封焊技術，典型工藝參數對小孔形狀、小孔封焊形貌的影響規律[9]。中國科學技術大學敖霖等讓固體激光器所產生的激光依次通過光闌、準直鏡組、聚焦透鏡來獲得光斑半徑小、強度高的光束，并用其對金屬靶材進行加工，得到了優于機械打孔的微孔[10]。西安交通大學段文強等用大功率Nd： YAG毫秒脈沖激光器，分別在304不銹鋼和DZ445定向結晶鎳基合金上進行孔加工實驗，探討了旋切路徑、 旋切速度、 旋切圈數對孔質量的影響規律，得出了重鑄層厚度隨著旋切速度的降低和旋切圈數的增加而減小[11]。華中科技大學王硯麗提出了一種基于光學系統旋轉的激光旋轉打孔。證明了旋轉打孔能得到比沖擊打孔更好的小孔質量[12]。北京工業大學辛凰蘭采用旋切打孔的方式和沖擊打孔的方式，針對兩種方法研制了一種新型激光打孔裝置，通過理論分析了沖擊打孔和旋切打孔方法和特點[13]。袁立新等研究了激光打孔表面存在再鑄層、微裂紋等工藝缺陷，提出了噴射液束電解輔助激光加工的復合加工工藝[14]。

1.3 激光加工系統研究

天津大學禹東赫在博士論文《聲控激光打孔技術研究》中提出激光與材料相互作用下聲波信號隨時間變化關系，高頻超聲波調Q方法，研究出聲控激光打孔系統。提出了新的實現自動化數控打孔，把超聲調制激光功率控制、精密機床、聲波傳感器和電腦控制技術結合起來，實現對激光打孔過程的在線實時監控。在國內外首次采用聲波信號控制自動打孔。采用計算機內部硬件配合專用自動編程軟件實現了激光焦點上下運動，實現了對X.Y平面上運動精確控制[15]。

2 總結 目前研究的缺陷

目前大多數研究者和研究機構采用毫秒激光加工航空發動機的渦輪葉片的冷卻氣膜孔，由于其在加工過程中容易形成重鑄層，和微裂紋等影響打孔質量，采用如旋切法、激光與電解復合加工法等改善毫秒激光加工工藝的辦法可以降低重鑄層厚度但是仍然不夠理想。由于飛秒激光加工金屬的特性，可以克服打孔加工中的質量問題。但是從飛秒激光入手研究其與鎳基超合金的作用機理上不夠透徹，激光加工過程中激光與不同金屬的之間的相互作用機理缺乏完善理論，金屬晶體材料影響打孔質量和孔型參數的相關激光器參數和光學參數也不夠完整。雖然對于模型的研究較多，但是還沒有一個普遍較為認可的全參數模型。

為了更好地利用超短脈沖激光進行高質量和高效率的金屬燒蝕加工，必須認識激光脈沖與金屬材料的相互作用過程，包括各種物理現象，及影響燒蝕質量和燒蝕效率的因素。并且需進一步研究加工工藝和加工方法，以提高加工質量和加工效率使得激光加工實現自動化生產。

【參考文獻】

[1]鐘敏霖，劉文今.國際激光材料加工研究的主導領域與熱點[J].中國激光，2008，35（11）：1653-1659.

[2]葛志福， 虞鋼，何秀麗.激光打孔過程三維瞬態數值模擬[J].中國科學：物理學力學天文學，2012.42（8）：869-876.

[3]秦源.毫秒激光與金屬材料相互作用中的熱學和力學效應研究[D]南京：南京理工大學2011.

[4]宋林森，史國權，李占國.利用ANSYS 進行激光打孔溫度場仿真[J].兵工學報，2006，27（2）：879-882.

[5]李世文，張秋慧，牛瑞華.激光對金屬銅微孔加工的熱力學過程研究[J].光譜學與光譜

[6]郭云曾，楊小軍，楊小君，等.旋轉雙光楔光路引導系統Matlab仿真研究[J].紅外與激光工程2014，43（3）：856-860.

[7]盧軼，馮愛新，戴峰澤.脈沖激光打孔聲波產生機理研究[J].激光與紅外2014，44（12）：1331-1334.

[8]張曉兵，李其連，王健.激光加工小孔工藝及其孔壁再鑄層對D Z 2 2高溫合金疲勞性能的影響[J].新工藝新技術新設備，1995，2：2-3.

[9]滕文華，劉世杰，沈顯峰.大氣環境下激光打孔及封焊技術研究[J].應用激光2013，33（5）：515-519.

[10]敖霖，管昇煒，汪曉.激光聚焦與激光打微孔實驗設計[J].物理實驗，2014，34（12）：6-9.

[11]段文強，王恪典，董霞.激光旋切法加工高質量微小孔工藝與理論研究[J].西安交通大學學報，2015，49（3）：95-111.

[12]王硯麗.激光旋轉打孔技術的研究[D]武漢：華中科技大學2012.

[13]辛凰蘭.高質量打孔技術研究[D]北京：北京工業大學2006.

[14]袁立新，徐家文，趙建社.噴射液束電解輔助激光加工的理論模型和實驗研究[J].東南大學學報自然，2010，40（4）：736-740.

[15]禹東赫.聲控激光打孔技術研究[D]天津：天津大學2007.

[責任編輯：張濤]endprint