激光微孔加工微孔質量的控制方法研究

李遠遠，顏 敏

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

激光打孔與其他打孔方法相比具有打孔深徑比大、無接觸、無工具損耗、加工速度快、表面變形小、可以加工各種材料等顯著優越性，能良好地滿足現代工業產品加工的要求，廣泛應用于航空航天、電子儀表及醫療器械等高精尖端產品的關鍵零部件中，但是，現有的脈沖激光打孔技術存在以下技術難點：

（1）打孔極限深度，即打孔最大深度不超過某一極限值，限制了激光打孔技術向深孔的發展。出現極限深度的原因是，高壓輔助氣體在深孔中壓力損耗過大，到達孔底的氣壓不足以破壞液體表面張力，同時，孔深越大，壓力越難將熔融材料從孔底擠壓出到孔外，導致孔不再向深度方向發展?？椎赘邷氐娜廴诓牧弦坏╇y以排出孔外，會使周邊的材料熔化，使孔底的孔徑變大，孔徑不規則，產生鼓形的畸形孔。

（2）孔壁上附著一定厚度的重鑄層，會引發孔內微裂紋的產生，重鑄層厚度越大，微裂紋的萌生率越高。出現該現象的原因是，孔底熔融材料是貼著孔壁表面向孔外噴射的，當蒸氣反作用力和輔助氣體壓力不足或者熔融材料聚集過多時，壓力不足以將孔壁上熔融材料推出孔外，而留在孔壁凝固下來，形成重鑄層。

因此，如何提高微孔加工質量一直是各大院校和企業的重要研究方向，下面筆者對現有微孔質量的控制方法進行梳理和總結，希望對以后的研究提供幫助和指導。

2 微孔質量控制方法介紹

2.1 高深徑比微孔的加工控制方法

圖1a 示出了中國科學院西安光學精密機械研究所提出的一種超快激光氣膜孔高效激光加工方法（專利公開號為CN108031991A），其通過從激光器發出的激光束經過掃描裝置及聚焦后豎直向上傳輸，將預加工零件豎直向下固定在工作臺，使得激光光束對準待加工部位，激光掃描產生微孔，采用自下而上制孔，并在微孔孔口周圍產生負壓域，沿激光光路中路產生正壓域。解決了高深徑比微孔加工過程中殘渣、等離子體聚集無法排出，降低制孔效率的問題。

圖1 高深比微孔的加工控制方法示意圖

圖1b 示出了中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所提出的一種高深徑比微孔的制備方法（專利公開號為CN104889576A），其利用雙脈沖組合的方式來制備高深徑比微孔，在激光光源中包含了兩種脈寬不同的激光組合，利用數字信號延時發生器分別控制雙脈沖組合達到樣品的時間，兩種激光器的激光脈沖通過光學元器件組合聚焦至樣品上，直接對樣品進行激光刻蝕。

2.2 圓孔錐度的加工控制方法

圖2a 示出了廣東工業大學提出的一種利用激光光束打孔的裝置和方法（專利公開號為CN106001944A），其通過激光器陣列與凸透鏡陣列一一對應設置，且各個凸透鏡沿豎直方向位置可調，能夠更加簡單、便捷地實現激光打孔，且有利于制作出錐度較小的孔。

圖2b 示出了大族激光科技產業集團股份有限公司提出的一種高斯激光束整形方法（專利公開號為CN104570363A），其將高斯光束變成平頂光束，并用小孔光闌攔截脈沖邊緣部分，從而使得通孔的孔邊緣光滑，減小了孔的錐度。

圖2c 示出了中國科學院福建物質結構研究所提出的一種應用于激光加工的旋轉光學設計（專利公開號為CN102551465A），其中的旋轉光學元件由偏振器，λ/4 波片，高速旋轉電機，全反鏡，聚焦鏡組等組成；可以實現高質量孔形、高徑深比微孔高效加工，同時可以調整微孔錐度。

圖2 圓孔錐度的加工控制方法示意圖

2.3 入口圓整度的加工控制方法

圖3 示出了廣東工業大學提出的一種激光微孔加工系統（專利公開號為CN106964908A），其利用分光模塊將脈沖激光分為能量不同的兩束子脈沖激光光源，能量大的子脈沖激光光源通過聚焦模塊入射至待加工微孔平面，第二子脈沖激光光源通過脈沖調整模塊以及聚焦模塊入射至待加工微孔平面；脈沖控制模塊根據預設的加工方式，控制兩束子脈沖激光光源對微孔進行交替加工。通過不同能量的激光脈沖交替對微孔進行加工，根據能量不同的脈沖對微孔的進行打出凹坑、去除、修整形貌的操作，提高了微孔的入口圓整度，有利于減少重鑄層以及減小熱影響區，獲得良好的微孔加工質量，從而提高微孔成形質量。

圖3 入口圓整度的加工控制方法示意圖

2.4 微裂紋的加工控制方法

圖4 示出了江蘇大學提出的一種激光輔助加熱長脈沖激光打孔裝置及其方法（專利號CN106735943A），其主要原理是在長脈沖激光器對工件加工之前，加工過程中以及加工之后的一段時間，采用連續激光器對工件上表面要加工區域進行加熱，即在激光打孔過程起到預熱和緩冷的作用，從而有效緩解了目前長脈沖激光打孔后孔壁上易出現微裂紋的現象。

圖4 微裂紋的加工控制方法示意圖

2.5 超微孔的加工控制方法

如圖5 所示為江蘇大學提出的一種基于激光誘導空泡潰滅水射流制造超微群孔的方法（專利公開號為CN107984086A），其將工件浸于水中，使工件表面覆蓋有水層，激光束透過所述水層聚焦于工件表面，以一定的速度掃描于所述工件的表面，在所述激光束的作用下，所述工件的表面產生群空泡，所述群空泡潰滅產生高壓水射流，所述高壓水射流作用于所述工件的表面，所述工件的表面被所述高壓水射流作用的位置處材料被所述高壓水射流沖蝕去除，最終形成超微孔。

圖5 超微孔的加工控制方法示意圖

3 結論

現有激光微孔加工過程中微孔質量的控制方式多集中在如何獲得高深比的微孔、如何減小圓孔錐度、如何減少微孔微裂紋的出現以及如何提高入口圓整度等，其采用的控制方法多為激光復合加工方式、多脈沖激光加工以及激光光學元件的利用等。