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文整理:廣州萬霆激光通用設(shè)備有限公司
激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù),也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。硬度大、熔點(diǎn)高的材料傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足某些工藝要求。這一類的加工任務(wù)用常規(guī)機(jī)械加工方法很困難，有時(shí)甚至是不可能的，而用激光打孔則不難實(shí)現(xiàn)。激光束在空間和時(shí)間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得105-1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實(shí)行激光打孔.
與其它方法如機(jī)械鉆孔、電火花加工等常規(guī)打孔手段相比,具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn):激光打孔速度快,效率高,經(jīng)濟(jì)效益好。由于激光打孔是利用功率密度為l07-109W/cm2的高能激光束對材料進(jìn)行瞬時(shí)作用,作用時(shí)間只有10－3-10－5s,因此激光打孔速度非常快。將高效能激光器與高精度的機(jī)床及控制系統(tǒng)配合,通過微處理機(jī)進(jìn)行程序控制,可以實(shí)現(xiàn)高效率打孔。在不同的工件上激光打孔與電火花打孔及機(jī)械鉆孔相比,效率提高l0-1000倍。
舉例說現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在制造過程中需要鉆很多個(gè)孔，燃?xì)鉁u輪的各種部件的加工也需要激光鉆孔，如圖 1 所示燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的部件葉片、輪葉、燃燒器以及主要用于冷卻的后燃室。每個(gè)部件需要打孔的數(shù)量從 25 到 40000 個(gè)，如表 1 所示。現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作的氣體溫度可能高達(dá) 2000℃，這一溫度比燃燒室和渦輪葉片中鎳基高溫合金的熔點(diǎn)還高，而目前使噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組件免受極端溫度的方法是邊界層冷卻。當(dāng)冷卻空氣通過其表面形成一個(gè)冷卻薄膜保護(hù)部件表面免受高溫燃燒氣體。
冷卻孔可以通過電火花加工（EDM），也可以通過激光加工。EDM 包含一個(gè)電極在工件上兩個(gè)表面之間產(chǎn)生一個(gè)小的縫隙。電極和工件之間施加電壓直到電場可以擊穿電極的尖端。火花穿過間隙放電，由于橫截面積很小引起了高電流密度，大約 1000 A/mm2。電極和工件之間的擊穿區(qū)域的典型溫度是 5000-10000℃，EDM 過程使用的是離散排放鉆孔。雖然 EDM 可以產(chǎn)生高質(zhì)量的孔洞，但實(shí)際上它的速度比激光要慢，該技術(shù)存在一些缺點(diǎn)。
而對于激光打孔，高峰值功率脈沖 Nd：YAG 激光器一直是商用鉆孔和軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工的優(yōu)先選擇，選擇脈沖 Nd：YAG 激光器主要從以下幾個(gè)方面考慮：
1、1.06μm 輻射到部件的良好耦合（無論是在材料的吸收方面還是等離子體回避方面）
2、高脈沖能量和峰值功率非常適合這種應(yīng)用
3、在各種材料中以非常高的速度實(shí)現(xiàn)孔洞的高縱橫比，包括熱障涂層材料
目前有兩種不同的激光打孔技術(shù)，分別是打孔和沖擊鉆孔。最流行的可能是真正的切割技術(shù)即頭部穿孔。激光束刺穿工件剛好落在孔洞的周邊，然后向外追蹤周長，然后通過旋轉(zhuǎn)工件或者激光束孔切出正確直徑，這種技術(shù)可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的孔洞，圓度和孔變化與數(shù)控加工出來的一樣好。孔的錐度也符合質(zhì)量要求。
第二種鉆孔方法是沖擊鉆孔，這種技術(shù)要求激光器向工件發(fā)射激光脈沖，然后通過蒸發(fā)材料變成液態(tài)熔體，再從孔周圍去除多余材料，熔體受孔內(nèi)部的蒸汽壓力驅(qū)動(dòng)從孔壁的兩側(cè)噴出。使用這種鉆孔技術(shù)很難控制孔的質(zhì)量，只有通過嚴(yán)格控制鉆井參數(shù)才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的孔洞。這種鉆孔技術(shù)的優(yōu)勢是工藝處理速度快。沖擊鉆孔與另外一種稱為飛行中鉆孔的技術(shù)結(jié)合會(huì)有更多的優(yōu)勢。飛行中鉆孔的方法是以沖擊鉆孔的方式激光脈沖射擊打孔同時(shí)工件或激光器連續(xù)移動(dòng)。
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