打孔應用占據了整個激光材料加工應用市場約5%的份額。生產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率的提高。 需要打出穿透孔的應用主要有噴氣發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、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，根據每個工件所需要孔的數量不同而不同。圖1(b)顯示這些幾何外形和公差依賴于固態激光器所能達到的生產率。這些數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（HAZ）、重鑄、微裂紋，以及粗糙度或毛刺等都和打孔及生產策略有關。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（如EDM）相抗衡。如今所面臨的主要任務是將高生產率與對更高幾何公差需求的不斷增長相結合，同時減少加工中的副效應。其對應的合適技術和策略能部分地從圖1(a)和圖1(b)當中得到。從這些數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，這從系統工程角度來看，其送料和定位是相當具有挑戰的。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。 工業激光打孔可分為單脈沖或沖孔，穿孔或螺旋打孔。脈沖固態激光器或調制/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。從規律上看，更低質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，比如將快速精密旋轉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”穿孔技術隨著高輝度的半導體二極管泵浦固態激光或連續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，生產率必須向質量妥協，尤其是在熱效應可能產生的副作用（如重鑄和微裂紋）的情況下。人們已經就脈沖形狀和脈沖調制對于打孔效率和孔質量的影響進行了調查。這些調查的結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Nd:YAG固態激光器加工出來，其M2值在3到60之間。圖2 顯示出一個定性的工作范圍圖，將生產率作為深徑比和孔徑的函數給出。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率極限，則通過現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秒內加工完成。該生產率實現的前提是一個快速旋轉的軸和其他的輔助手段（如支架），以實現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，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。即使更高的頻率也可以通過調制的連續波光纖激光器或碟形激光器獲得。對于生產率來說的兩大限制分別是調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。 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象，其程度因材料而異。如果需要重鑄現象低于直徑的20%，穿孔則是更合適的選擇。在生產率大于1孔/秒的應用領域內，可采用掃描式的沖孔：計算機數控或機械臂不斷移動，在每個周期內只有一個脈沖被傳遞到孔所在的位置上，周期的數量取決于完成一個孔所需的沖孔脈沖數量。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。實驗結果表明，打孔效率在熱量散失的情況下會降低約10%。在靜態的“起停”沖孔策略中，孔內溫度非常高，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，能通過靜態的沖孔或穿孔模式獲得，而燃燒腔這類的零件需要有數千個孔，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生直徑小于0.2mm、深徑比小于10的孔，帶來更高的質量并降低熱副效應。這些情況下，這些工業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，一個人應該能區分它們與噴油嘴孔之間的區別，因為后者通過使用計算機數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等熱副效應出現的場合，比如噴油嘴。即使結合一束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，仍然會產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，但是目前其技術和工藝都還停留在不可工業化的階段。 結論 使用單脈沖和沖孔的打孔策略，如采用來自燈泵浦固態激光器的脈沖或使用調制連續波碟形/光纖激光器，已經在生產質量和生產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出來的渦輪市場上，打孔技術仍然有需要改進的空間。脈沖成形或混合技術應該是更佳之? 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)。