打孔應用占據(jù)了整個激光材料加工應用市場約5%的份額。生產(chǎn)率的提高帶來了與激光器（熱打孔和燒蝕打孔）、光束處理、分光、以及工件處理方面等相關的幾種打孔策略，所有這些都推動了工藝整體效率和生產(chǎn)率的提高。 需要打出穿透孔的應用主要有噴氣發(fā)動機或氣輪機中的冷卻孔，動力總成部件的潤滑孔，以及注射噴嘴孔，空氣軸承和淋浴噴頭上的孔等等。另外還有過濾網(wǎng)、篩子和動力總成分離器上的孔，用于食物及化工的設施，以及鑄件上的排氣孔等等。 盲孔被用于外科手術(shù)針，以及用于對易碎材料進行分割時預先采取的劃刻階段中，后者目前已經(jīng)成為連接桿、軸承和陶瓷以及藍寶石基底材料加工中的標準工序。其他的應用如：有助表面潤滑的儲油坑或醫(yī)用植入體，以及用于晶體太陽能電池或半導體的接觸式加工的新興市? １疚鬧饕檣薌庸ね字本對?.01到1.5mm之間，深度/直徑之間的深徑比在1到30之間。根據(jù)應用的不同，這些孔具有不同的幾何外形，從圓柱體到圓錐體、槽形或特定外形。 圖1(a)顯示出不同應用對應的典型的圓柱幾何外形和公差，根據(jù)每個工件所需要孔的數(shù)量不同而不同。圖1(b)顯示這些幾何外形和公差依賴于固態(tài)激光器所能達到的生產(chǎn)率。這些數(shù)字代表了對激光打孔的定性分析。具體的副效應如熱影響區(qū)（HAZ）、重鑄、微裂紋，以及粗糙度或毛刺等都和打孔及生產(chǎn)策略有關。必須將這些副效應減到最小，以達到用戶的要求，并能夠同其他的鉆孔技術(shù)（如EDM）相抗衡。如今所面臨的主要任務是將高生產(chǎn)率與對更高幾何公差需求的不斷增長相結(jié)合，同時減少加工中的副效應。其對應的合適技術(shù)和策略能部分地從圖1(a)和圖1(b)當中得到。從這些數(shù)字中很清楚可以看到存在這樣一些應用領域，每個工件上只需打很少的孔，且打孔時間很短，這從系統(tǒng)工程角度來看，其送料和定位是相當具有挑戰(zhàn)的。從另一方面來說，在費時的高深徑比的孔加工中有必要采用有效的打孔策略，因為每個工件上需要打成百上千個孔。 工業(yè)激光打孔可分為單脈沖或沖孔，穿孔或螺旋打孔。脈沖固態(tài)激光器或調(diào)制/脈沖光纖激光被用于這些應用中，其脈沖間隔通常在微秒（熱脈沖）到皮秒（非熱脈沖）范圍之間。從規(guī)律上看，更低質(zhì)量要求和更高深徑比的孔通常使用熱脈沖加工。燈泵浦激光器能提供這類脈沖，其典型脈沖重復頻率在5kHz以下。短脈沖激光可加工出高質(zhì)量的孔，其重復頻率一般在100kHz以上。 通過先進的光束導向技術(shù)，比如將快速精密旋轉(zhuǎn)光學元件或振鏡用于厚度小于1mm薄材料的加工，高速、逐層“周線”穿孔技術(shù)隨著高輝度的半導體二極管泵浦固態(tài)激光或連續(xù)波模式光纖激光的應用也越來越流行了。但本文中不會詳細討論這些穿孔手段。 對于所有的熱打孔工藝來說，生產(chǎn)率必須向質(zhì)量妥協(xié)，尤其是在熱效應可能產(chǎn)生的副作用（如重鑄和微裂紋）的情況下。人們已經(jīng)就脈沖形狀和脈沖調(diào)制對于打孔效率和孔質(zhì)量的影響進行了調(diào)查。這些調(diào)查的結(jié)果清晰地顯示出對于熱打孔來說，還存在改進的空間。 單脈沖打孔 直徑在0.015到1.2mm之間的孔能通過使用燈泵浦脈沖工業(yè)Nd:YAG固態(tài)激光器加工出來，其M2值在3到60之間。圖2 顯示出一個定性的工作范圍圖，將生產(chǎn)率作為深徑比和孔徑的函數(shù)給出。該深徑比為10的時候，已在圖中標出。高頻率功率激光器的生產(chǎn)率極限，則通過現(xiàn)有的脈沖重復頻率標出。圖2中的插圖(a)顯示的是一個0.5mm厚的不銹鋼車用過濾器，具有最多1200個直徑為0.05mm的孔。這些孔在2秒內(nèi)加工完成。該生產(chǎn)率實現(xiàn)的前提是一個快速旋轉(zhuǎn)的軸和其他的輔助手段（如支架），以實現(xiàn)重復的孔加工幾何精度并避免毛刺。插圖(b)是一個孔直徑為0.25mm（深徑比2.5）的不銹鋼咖啡機零件，以每秒30個孔的速度進行打孔。插圖(c)顯示了一個活塞環(huán)，其0.7mm直徑的孔是通過使用一臺500瓦（脈沖峰值功率30kW）激光器，以30個孔/秒的速度加工出來。典型的公差在5%~10%之間。激光打孔并不僅僅局限于圓孔，其他形狀同樣能通過合適的光學元件和激光束的配合加工出來。壓縮空氣（壓力小于6bar）被用來作為在大多數(shù)應用中的加工氣體。對于孔深度在0.5mm以下和孔直徑在0.04mm以下的應用來說，可采用頻率最高為5kHz的燈泵浦系統(tǒng)。即使更高的頻率也可以通過調(diào)制的連續(xù)波光纖激光器或碟形激光器獲得。對于生產(chǎn)率來說的兩大限制分別是調(diào)制脈沖頻率或光束掃描的速度，兩者均應保持在圖示橢圓形合理范圍之內(nèi)。 激光沖孔 為了方便我們把兩種范圍在圖3中標注出來：一種是低深徑比的孔，加工這種孔時，只需很少的脈沖（少于1孔/秒），另一種是深孔，例如加工渦輪葉片的孔加工時間大大超過1秒，需要多個脈沖，用標準的“起停”數(shù)控機或機械臂就足以完成了。在許多情況下，深孔的沖孔加工通常帶來嚴重的重鑄現(xiàn)象，其程度因材料而異。如果需要重鑄現(xiàn)象低于直徑的20%，穿孔則是更合適的選擇。在生產(chǎn)率大于1孔/秒的應用領域內(nèi)，可采用掃描式的沖孔：計算機數(shù)控或機械臂不斷移動，在每個周期內(nèi)只有一個脈沖被傳遞到孔所在的位置上，周期的數(shù)量取決于完成一個孔所需的沖孔脈沖數(shù)量。此類策略在加工燃燒腔之類的工件時可以應用，如圖3(b)中所示。實驗結(jié)果表明，打孔效率在熱量散失的情況下會降低約10%。在靜態(tài)的“起停”沖孔策略中，孔內(nèi)溫度非常高，這是由于熱量補償大于傳導散熱的累積效應。因此應該由操作人員來決定采用最有效的方法。很明顯的是，圖3坐標中具有小于1.2mm直徑和高深徑比（>10）的孔，能通過靜態(tài)的沖孔或穿孔模式獲得，而燃燒腔這類的零件需要有數(shù)千個孔，低深徑比（<4），使用飛行打孔是最有效率的。圖3（c）顯示的是沖孔在用于制作意大利香腸的食品級硬質(zhì)金屬碎肉器上的應用，這種食品的風味受孔直徑大小的影響。 以非熱沖孔（燒蝕）的打孔方式，采用納秒和皮秒脈沖可產(chǎn)生直徑小于0.2mm、深徑比小于10的孔，帶來更高的質(zhì)量并降低熱副效應。這些情況下，這些工業(yè)激光的平均功率有限，且加工時間并不令人滿意。對于納秒激光來說，合適的應用是空氣軸承、節(jié)流閥，或晶體太陽能電池上的接觸孔。 異型孔 異型孔越來越多了，一個人應該能區(qū)分它們與噴油嘴孔之間的區(qū)別，因為后者通過使用計算機數(shù)控或柔性光學加工頭加工后呈圓錐形，就象那些在打螺旋孔和渦輪冷卻孔時所獲得的出口端為漏斗狀的孔，相對圓柱狀的孔，提升了相同氣流的冷卻能力。簡單的圓錐外形能通過一束毫秒脈沖激光切割得到，而一些更復雜的外形則能通過納秒激光燒蝕獲得。 螺旋鉆孔 螺旋鉆孔用于圓柱形和圓錐形孔加工中，適合于要求幾何公差小于2%且不允許重鑄或熱影響區(qū)等熱副效應出現(xiàn)的場合，比如噴油嘴。即使結(jié)合一束M2>1.5的納秒脈沖激光和精密的螺旋鉆孔光路，包括附加的激光束旋轉(zhuǎn)，仍然會產(chǎn)生可觀察到的熱副效應，而目前這對于終端用戶來說是不可接受的。盡管不斷有人試圖證明皮秒激光的可用性，也不斷聽聞有相關領域的進步，但是目前其技術(shù)和工藝都還停留在不可工業(yè)化的階段。 結(jié)論 使用單脈沖和沖孔的打孔策略，如采用來自燈泵浦固態(tài)激光器的脈沖或使用調(diào)制連續(xù)波碟形/光纖激光器，已經(jīng)在生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)率兩方面得到了證明。然而在一些應用中，尤其是在新材料和隔熱涂層不斷被開發(fā)出來的渦輪市場上，打孔技術(shù)仍然有需要改進的空間。脈沖成形或混合技術(shù)應該是更佳之? ８呋遠燃す餑芄輝讜凍濤奩宕┛椎撓τ彌姓業(yè)揭幌亍８吖β勢っ肼齔寮す饈由細叨途鵲墓饈枷蚣際踅庸ば】滋峁└咝У慕餼齜槳福哂形⒑跗湮⒌娜雀斃вΓ僑孕枰徊焦ひ蹈牧肌? 本文作者Ulrich Dürr (ulrich.duerr@lasag.ch) 來自瑞士Thun的LASAG 集團 (www.lasag.com)。