打孔應(yīng)用占據(jù)了整個(gè)激光材料加工應(yīng)用市場(chǎng)約5%的份額。生產(chǎn)率的提高帶來(lái)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(guān)的幾種打孔策略，所有這些都推動(dòng)了工藝整體效率和生產(chǎn)率的提高。 需要打出穿透孔的應(yīng)用主要有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或氣輪機(jī)中的冷卻孔，動(dòng)力總成部件的潤(rùn)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(guò)濾網(wǎng)、篩子和動(dòng)力總成分離器上的孔，用于食物及化工的設(shè)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(duì)易碎材料進(jìn)行分割時(shí)預(yù)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(lán)寶石基底材料加工中的標(biāo)準(zhǔn)工序。其他的應(yīng)用如：有助表面潤(rùn)滑的儲(chǔ)油坑或醫(yī)用植入體，以及用于晶體太陽(yáng)能電池或半導(dǎo)體的接觸式加工的新興市? １疚鬧饕檣薌庸ね字本對(duì)?.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(yīng)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(yīng)用對(duì)應(yīng)的典型的圓柱幾何外形和公差，根據(jù)每個(gè)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(dá)到的生產(chǎn)率。這些數(shù)字代表了對(duì)激光打孔的定性分析。具體的副效應(yīng)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(guān)。必須將這些副效應(yīng)減到最小，以達(dá)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(wù)是將高生產(chǎn)率與對(duì)更高幾何公差需求的不斷增長(zhǎng)相結(jié)合，同時(shí)減少加工中的副效應(yīng)。其對(duì)應(yīng)的合適技術(shù)和策略能部分地從圖1(a)和圖1(b)當(dāng)中得到。從這些數(shù)字中很清楚可以看到存在這樣一些應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)工件上只需打很少的孔，且打孔時(shí)間很短，這從系統(tǒng)工程角度來(lái)看，其送料和定位是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)的。從另一方面來(lái)說(shuō)，在費(fèi)時(shí)的高深徑比的孔加工中有必要采用有效的打孔策略，因?yàn)槊總€(gè)工件上需要打成百上千個(gè)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(yīng)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(fù)頻率在5kHz以下。短脈沖激光可加工出高質(zhì)量的孔，其重復(fù)頻率一般在100kHz以上。 通過(guò)先進(jìn)的光束導(dǎo)向技術(shù)，比如將快速精密旋轉(zhuǎn)光學(xué)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(dǎo)體二極管泵浦固態(tài)激光或連續(xù)波模式光纖激光的應(yīng)用也越來(lái)越流行了。但本文中不會(huì)詳細(xì)討論這些穿孔手段。 對(duì)于所有的熱打孔工藝來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)率必須向質(zhì)量妥協(xié)，尤其是在熱效應(yīng)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(duì)于打孔效率和孔質(zhì)量的影響進(jìn)行了調(diào)查。這些調(diào)查的結(jié)果清晰地顯示出對(duì)于熱打孔來(lái)說(shuō)，還存在改進(jìn)的空間。 單脈沖打孔 直徑在0.015到1.2mm之間的孔能通過(guò)使用燈泵浦脈沖工業(yè)Nd:YAG固態(tài)激光器加工出來(lái)，其M2值在3到60之間。圖2 顯示出一個(gè)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(shí)候，已在圖中標(biāo)出。高頻率功率激光器的生產(chǎn)率極限，則通過(guò)現(xiàn)有的脈沖重復(fù)頻率標(biāo)出。圖2中的插圖(a)顯示的是一個(gè)0.5mm厚的不銹鋼車用過(guò)濾器，具有最多1200個(gè)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(shí)現(xiàn)的前提是一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的軸和其他的輔助手段（如支架），以實(shí)現(xiàn)重復(fù)的孔加工幾何精度并避免毛刺。插圖(b)是一個(gè)孔直徑為0.25mm（深徑比2.5）的不銹鋼咖啡機(jī)零件，以每秒30個(gè)孔的速度進(jìn)行打孔。插圖(c)顯示了一個(gè)活塞環(huán)，其0.7mm直徑的孔是通過(guò)使用一臺(tái)500瓦（脈沖峰值功率30kW）激光器，以30個(gè)孔/秒的速度加工出來(lái)。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(guò)合適的光學(xué)元件和激光束的配合加工出來(lái)。壓縮空氣（壓力小于6bar）被用來(lái)作為在大多數(shù)應(yīng)用中的加工氣體。對(duì)于孔深度在0.5mm以下和孔直徑在0.04mm以下的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(guò)調(diào)制的連續(xù)波光纖激光器或碟形激光器獲得。對(duì)于生產(chǎn)率來(lái)說(shuō)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(yīng)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(biāo)注出來(lái)：一種是低深徑比的孔，加工這種孔時(shí)，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(shí)間大大超過(guò)1秒，需要多個(gè)脈沖，用標(biāo)準(zhǔn)的“起停”數(shù)控機(jī)或機(jī)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(lái)嚴(yán)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(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，可采用掃描式的沖孔：計(jì)算機(jī)數(shù)控或機(jī)械臂不斷移動(dòng)，在每個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)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(gè)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(shí)可以應(yīng)用，如圖3(b)中所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，打孔效率在熱量散失的情況下會(huì)降低約10%。在靜態(tài)的“起?！睕_孔策略中，孔內(nèi)溫度非常高，這是由于熱量補(bǔ)償大于傳導(dǎo)散熱的累積效應(yīng)。因此應(yīng)該由操作人員來(lái)決定采用最有效的方法。很明顯的是，圖3坐標(biāo)中具有小于1.2mm直徑和高深徑比（>10）的孔，能通過(guò)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(gè)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(jí)硬質(zhì)金屬碎肉器上的應(yīng)用，這種食品的風(fēng)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(lái)更高的質(zhì)量并降低熱副效應(yīng)。這些情況下，這些工業(yè)激光的平均功率有限，且加工時(shí)間并不令人滿意。對(duì)于納秒激光來(lái)說(shuō)，合適的應(yīng)用是空氣軸承、節(jié)流閥，或晶體太陽(yáng)能電池上的接觸孔。 異型孔 異型孔越來(lái)越多了，一個(gè)人應(yīng)該能區(qū)分它們與噴油嘴孔之間的區(qū)別，因?yàn)楹笳咄ㄟ^(guò)使用計(jì)算機(jī)數(shù)控或柔性光學(xué)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(shí)所獲得的出口端為漏斗狀的孔，相對(duì)圓柱狀的孔，提升了相同氣流的冷卻能力。簡(jiǎn)單的圓錐外形能通過(guò)一束毫秒脈沖激光切割得到，而一些更復(fù)雜的外形則能通過(guò)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(yīng)出現(xiàn)的場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生可觀察到的熱副效應(yīng)，而目前這對(duì)于終端用戶來(lái)說(shuō)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(tīng)聞?dòng)邢嚓P(guān)領(lǐng)域的進(jìn)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(lái)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(yīng)用中，尤其是在新材料和隔熱涂層不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)的渦輪市場(chǎng)上，打孔技術(shù)仍然有需要改進(jìn)的空間。脈沖成形或混合技術(shù)應(yīng)該是更佳之? ８呋遠(yuǎn)燃す餑芄輝讜凍濤奩宕┛椎撓τ彌姓業(yè)揭幌亍８吖β勢(shì)っ肼齔寮す饈由細(xì)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(lái)自瑞士Thun的LASAG 集團(tuán) (www.lasag.com)。