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文整理:广州万霆激光通用设备有限公司
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术,也是激光加工的主要应用领域之一。硬度大、熔点高的材料传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。这一类的加工任务用常规机械加工方法很困难，有时甚至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得105-1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔.
与其它方法如机械钻孔、电火花加工等常规打孔手段相比,具有以下显著的优点:激光打孔速度快,效率高,经济效益好。由于激光打孔是利用功率密度为l07-109W/cm2的高能激光束对材料进行瞬时作用,作用时间只有10－3-10－5s,因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合,通过微处理机进行程序控制,可以实现高效率打孔。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比,效率提高l0-1000倍。
举例说现代涡轮发动机在制造过程中需要钻很多个孔，燃气涡轮的各种部件的加工也需要激光钻孔，如图 1 所示燃气涡轮喷气发动机的部件叶片、轮叶、燃烧器以及主要用于冷却的后燃室。每个部件需要打孔的数量从 25 到 40000 个，如表 1 所示。现代喷气发动机工作的气体温度可能高达 2000℃，这一温度比燃烧室和涡轮叶片中镍基高温合金的熔点还高，而目前使喷气发动机组件免受极端温度的方法是边界层冷却。当冷却空气通过其表面形成一个冷却薄膜保护部件表面免受高温燃烧气体。
冷却孔可以通过电火花加工（EDM），也可以通过激光加工。EDM 包含一个电极在工件上两个表面之间产生一个小的缝隙。电极和工件之间施加电压直到电场可以击穿电极的尖端。火花穿过间隙放电，由于横截面积很小引起了高电流密度，大约 1000 A/mm2。电极和工件之间的击穿区域的典型温度是 5000-10000℃，EDM 过程使用的是离散排放钻孔。虽然 EDM 可以产生高质量的孔洞，但实际上它的速度比激光要慢，该技术存在一些缺点。
而对于激光打孔，高峰值功率脉冲 Nd：YAG 激光器一直是商用钻孔和军用航空发动机零部件加工的优先选择，选择脉冲 Nd：YAG 激光器主要从以下几个方面考虑：
1、1.06μm 辐射到部件的良好耦合（无论是在材料的吸收方面还是等离子体回避方面）
2、高脉冲能量和峰值功率非常适合这种应用
3、在各种材料中以非常高的速度实现孔洞的高纵横比，包括热障涂层材料
目前有两种不同的激光打孔技术，分别是打孔和冲击钻孔。最流行的可能是真正的切割技术即头部穿孔。激光束刺穿工件刚好落在孔洞的周边，然后向外追踪周长，然后通过旋转工件或者激光束孔切出正确直径，这种技术可以生产出高质量的孔洞，圆度和孔变化与数控加工出来的一样好。孔的锥度也符合质量要求。
第二种钻孔方法是冲击钻孔，这种技术要求激光器向工件发射激光脉冲，然后通过蒸发材料变成液态熔体，再从孔周围去除多余材料，熔体受孔内部的蒸汽压力驱动从孔壁的两侧喷出。使用这种钻孔技术很难控制孔的质量，只有通过严格控制钻井参数才能生产出高质量的孔洞。这种钻孔技术的优势是工艺处理速度快。冲击钻孔与另外一种称为飞行中钻孔的技术结合会有更多的优势。飞行中钻孔的方法是以冲击钻孔的方式激光脉冲射击打孔同时工件或激光器连续移动。
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