激光微细孔加工技术及其在航空航天领域中的应用

激光微细孔加工技术及其在航空航天领域中的应用

荣烈润

（上海静安区职工大学，上海

200040

）

[

摘 要

]

越来越多的产品向着微型化、精密化的方向发展。 促使微细孔加工技术也得到了飞速发展。 本文 对当前世界上利用激光加工微细孔的技术及其在航空航天领域中的应用作了介绍。

[

关键词

]

激光微细孔加工；脉冲宽度；焦点；群孔加工

[

中图分类号

]TG665 [

文献标识码

]A [

文章编号

]1003-5451(2009)06-0030-04

The Laser Microhol Processing Technolgy And Its Applications in Space Navigation Field

Rong Lie-run

（Shanghai Jingan District staff University, Shanghai 200040）

[Abstract] More and more products are getting miniature and precise. It makes the microhole processing technology develop faster.

This article introduces the laser microhole processing technology and its applications in space navigation field in the now world.

[Keywords] Laser microhole pracessing; pulse width; focus; collective processing

引言

随着科学技术和工业的迅速发展， 越来越多的 产品向着微型化及精密化的方向发展， 在这些产品 上使用硬度大、熔点高的难加工材料（金属和非金属 的）越来越多，而使用传统的加工方法已不能满足微 细孔加工的工艺需求。 为此对于微细孔加工技术的 发展及研究日趋广泛，并倍受重视。

微细孔结构不仅广泛应用于机械工业和电子工 业的手表夹板、油泵油嘴、化纤拉丝板、计算机喷墨打 印机、集成电路板、先导纤维连接器、电子显微镜光 栅，而且还用于航天、航空、航海陀螺仪表元件、微型 滑阀套筒、涡轮发动机叶片的汽膜冷却孔等产品上。

激光经聚丝后能形成直径为亚微米的光点，可获 得高达 （

10

⁸

～10

²⁰）

W/cm

²的功率密度及

10000℃

以上 的高温，可在

4

分之几秒内熔化或汽化多种材料。 所

以用激光可以实行激光微细孔的加工。 激光打孔与机 械钻孔、电火花打孔相比，具有以下显著的优点：

①

激光打孔速度快、效率高、经济效益好。 效率 要比传统的加工方法提高（

10～1000

）倍。 例如，用机 械钻孔在钟表宝石轴承上打孔径为

0.3mm

的小孔，

每秒钟只能打

0.2

个孔；用红宝石激光打孔，每秒钟 可以打出（

10～14

）个孔。

另外，激孔打孔时与工件不接触，避免了刀具折 断、磨损、更换等问题。 工件只需作简单的装夹，进 而使得加工成本大大降低。

②

激光打孔可获得大的深径比。 一般情况下，

传统打孔方法所获得的深径比不超过

10

，而用激光 打孔可以获得很大的深径比。

③

激光打孔与工件材料的刚度、强度、硬度、脆性 等机械性能无关。 能在铜、铁、铍、铝、钼、锌、钨、钽、

镁、硅、不锈钢、耐热合金、复合纤维、硬质合金、红宝 特种加工

航空精密制造技术

AVIATION PRECISION MANUFACTURING TECHNOLOGY 2009^年12^月

第45^{卷 第}6^期

Dec． 2009 Vol． 45 No． 6

·

30

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《航空精密制造技术》2009年第45卷第6期

石、金刚石、陶瓷、玻璃、塑料、橡胶、纸等材料上打孔，

容易实现自动化，而且对邻近材料无影响和无污染。

④

激光打孔无工具损耗。

⑤

激光打孔特别适合于数量多、高密度的群孔加工。

⑥

用激光可在难加工材料的倾斜角上加工小孔，

它特别适合于加工与工件表面成

6°～90°

角的小孔。这 对机械加工来说，在倾斜面上打小孔是极为困难的。

⑦

激光可以对置于真空中或其他条件下的工件 进行打孔。

激光微细孔加工适用于直径为 （

0.5～0.001

）

mm

孔的加工， 不适用于盲孔或台阶孔的加工。 激光打 孔对于孔径为（

0.025～0.3

）

mm

的孔，是利 用 横 态 控 制产生细小的高能光斑进行冲击加工； 对于孔径为

（

0.3～0.5

）

mm

的 孔 则 采 用 偏 焦 产 生 较 大 的 光 斑 加 工；对于（

0.5～2.0

）

mm

的孔可采用机构使工件激光 轴转动产生类似切割的效果加工细微孔。

1 激光微细孔加工技术简介

1.1

激光打孔设备

激光打孔设备主要包括激光器、 光学系统及机 床三大部分。

①

激光器

激光器是激光打孔设备的重要组成部分，其主要 作用是将电能以一定的转换效率转换成激光能。 主要 有红宝石激光器、钕玻璃激光器和

YAG

（钇铝石榴石）

激光等，在金属材料打孔中占主导地位。在陶瓷上加工 微细孔时，采用

CO

2气体激光器比较合适，并能将加工 精度控制在

±0.025mm

以内。 等离子体激光器，它可以 在高分子聚合钠材料上进行高质量的微细孔加工，其 加工精度可达到微米级。 准分子激光器可在很薄的金 属箔（厚度小于

1mm

）上打出孔径小于

1μm

的孔。

②

光学系统

光学系统的主功能为：将激光输送到加工部位，

调整辐射参数，通过聚焦构成高功率密度的光束等。

③

机床

近年来，激光打孔机整机水平发展迅速，激光器 输出功率逐渐提高，脉冲宽度越来越窄，频率范围越 来越宽。 导光系统及控制部分的柔性不断提高，使得 打孔范围不断扩大。

1.2

激光打孔工艺

激光打孔过程是激光和物质相互作用的热物理 与在激光照射瞬间产生的定向性很强的冲击波的综 合作用过程，为此，影响激光打孔质量的因素很多。

为了获得高质量的孔，应根据打孔的原理及特点，对 影响激光打孔质量的主要参数进行分析及了解。

①

激光脉冲的能量对打孔的影响

当要求激光打孔的孔深及孔径较大时，激光脉冲 的能量也应较大；材料的导热性越好、熔点越高或硬 度越高，则脉冲能量也应越大。 但过大的脉冲能量会 使孔的锥度及直径变大，且孔的入口处破坏较严重。

②

激光脉冲宽度对打孔的影响

当激光脉冲功率一定时， 脉冲宽度的变化对孔 径、孔深的影响较大。 这是由于孔深与脉冲宽度的关 系是受材料导热率影响的。 导热性好的材料，可以用 很窄的脉冲宽度来打孔；导热性差的材料采用较长的 脉冲宽度更为有利。 孔深的弥散性同脉冲宽度也是有 关的。脉冲宽度越窄，孔深的弥散性就越小。孔深的弥 散范围也随着被加工材料的熔点增高而缩小。

③

激光打孔中焦点装置对打孔的影响

焦点位置对于孔的形状及深度均有很大影响。

当焦点位置离开工件表面很低时， 不仅会产生很大 的喇叭口，而且由于能量密度减小而影响加工深度，

即增大了孔的锥度， 焦点逐步上移提高， 孔深也增 加，但如果焦点太高，同样会分散能量密度而无法加 工下去。 一般， 激光的实际焦点在工件表面或略微 低于工件表面为宜。

④

激光的脉冲重复频率对打孔的影响

一般而言， 激光一个脉冲打出的孔深为表面孔径 的（

5～10

）倍。 为了获得又小又深的孔。 就必须采取反复 照射的加工方法。 锥度可以减小，而孔径几乎不变。 但 是，孔深与照射次数不成比例，而是加工到一定深度后，

由于孔内壁的反射、激光的散射或吸收等原因而引起能 量的损失，加工量逐渐减小，以致不能继续打下去。

多次照射能在不扩大孔径的情况下将孔打深，

是由于光管效应结果。 多次照射的焦点位置宜固定 在工件表面，而不宜逐渐向表面内部移动。

⑤

被加材料的影响

由于各种材料的吸收光谱不同，照射到工件上的激 光能量不可能全部被吸收（还有相当一部分能量被反射

·

31

·

掉），其吸收率与工件材料的吸收光谱及激光波长有关。

⑥

激光光斑内的能量分布对打孔的影响 当激光在基模光束聚焦时， 焦点处的中心强度 最大，越是远离中心，光强度越小，能量是以焦点为 轴心对称分布的。 这种光束加工出的孔是正圆的。

当光束不是基模输出时， 其能量分布就不是不对称 的，打出的孔必然是不对称的。 为此，如果对孔的正 圆度要求特别高时， 就必须在激光器的谐振腔中加 上限制振荡的措施，使它仅能在基模振荡。

1.3

激光打孔的辅助工艺

为了提高激光加工精度和表面质量， 有时需要 采用一些附加的工艺措施。

①

在工件的正面施加一个正向压力 （例如吹气 法），或是在工件的反面装一个低压仓，可有助于打 孔过程中清除掉汽化材料并增加液相的排出。 在脉 冲结束以后， 减弱熔化物不受控制地重新分布而造 成对孔的尺寸及形状的影响， 既改善了被加工孔的 表面质量 （如可使在孔的内壁上会由熔化金属产生 的一层“再铸层”的厚度有效地的减少），并且可以防 止金属蒸气凝聚在透镜上。

②

利用液体厚膜或金属铝箔覆盖工件，能使孔的 锥度减小并防止液相飞溅。例如，石油可使孔的进出口 处的熔化物积聚减少，硅树脂油可使孔的锥度降低。

③

为了及时防止熔化物积聚在孔里， 可把汽化 温度低于被加工材料熔化温度的物质放到被加工工 件的后面。 目前使用的有石蜡、甘油、雪熔油等。

④

对于高反射率及透射率的工件加工前可作适 当处理，例如，打毛或黑化，以增大对激光的吸收率。

2 在航空航天领域中的应用

群孔激光打孔应用是最能体现激光打孔特点和 作用的应用项目，它集中表现了激光打孔的高速度、

高效率、非平面打孔、定位准确、易于实现自动化等 优点。 群孔激光加工主要用于飞机、汽车、电器、制 药、化纤、化工、食品等行业。

目前，工业先进国家的航空产品生产上均配有相 当数量的多坐标激光打孔机，因为它具有良好的柔性，

故常用作

CIMS

（计算机集成制造系统）的一个单元。

美国通用电器公司已将激光打孔技术应用在航

空发动机的生产中。 据统计， 每台发动机平均要用 激光打孔

10

万个，一年生产的叶片、火箭筒和隔热 屏等零件要打孔

5000

万个。

美国通用电器公司研制了一台计算机控制的激 光打孔机。 使用

YAG

激光器和多坐标数控定位工 作台。 打孔速度为（

20～30

）孔

/s

。 能对打出的孔进行 联机尺寸检测，并能实现自适应控制（即自动调整激 光能量、离焦量等激光参数）。能在气冷或涡轮叶片、

喷嘴、外罩及燃烧室打出直径为（

0.127～1.27

）

mm

，深 度为

15.24mm

的小孔。

美国通用电器公司还在加工喷气涡轮发动机的 生产线上采用了激光加工冷却隔板上的

20

万个小 孔。 激光器输出能量为

25J

（最大的可达

50J

），脉宽 为

1ms

，重复频率为

1

次

/s

。 这种激光加工机可以加 工镍基超硬合金， 板厚可达

4mm

， 孔径为 （

0.34～

0.46

）

mm

，公差为

10%

。孔的轴心线与加工面的夹角 分为

90°

和

45°

倾斜两种。 打孔后逐个插入塞规，以 测定其尺寸，并用

X

射线照相检查有无裂缝。

美 国 一 家 主 要 的 发 动 机 制 造 厂 配 备 了

20

台

CNC5

轴激光打孔设备， 用来加工涡轮发动机上数万 个冷却孔 ，孔 径 为 （

0.25～1.25

）

mm

，孔 与 工 件 表 面 成

15°

角。 使用与激光轴同轴的气体喷嘴及移动透镜的 方法来显著地提高加工质量；把激光束聚焦点放在孔 内，提高了打孔深度；改善激光器的输出参数（高平均 功率、高单脉冲能量、高重复频率、小的光束发散角 等）来提高加工质量。

美国通用电器公司所属

Evendale

和

Maelisenvile

两个目前拥有

50

套激光打孔系统， 该公司在美国空 军技术现代化计划的资助下， 建立了激光加工单元，

能为军、民用航空发动机

6

种不同尺寸叶片上的小孔 进行加工。 加工单元自投入以来效益显著，直接劳务 费用节省了

65%

，再制品费用减少

85%

。

另外， 激光打孔还可用来在缩醛制的航空活门 上打孔，孔径为（

0.2～1

）

mm

，其精度为

±0.038mm

。 采 用

50W

的

CO

2激光器打孔，只需（

50~80

）

ms

。

3 激光微细孔加工技术的发展趋势

激光打孔的发展趋势具有以下几个特点：

①

激光打孔将朝着高速度、高效率方向发展 激光微细孔加工技术及其在航空航天领域的应用

·

32

·

《航空精密制造技术》2009年第45卷第6期

以下处理： 不保存由视频预处理 芯片采集到的视频信息， 而是直接将其通过

FPGA

送至后端的进 行 发 送 及编码显示， 或 者 直 接 由

FPGA

送 至 编 码 芯 片 进 行 实 时 显 示 。 系统中预处理 芯 片 为

SAA7111

， 其 输 出 的

VS

、

HS

、

RTCO

经

FPGA

后 直 接 输 出 给 编码芯片作为 其 控 制 信号。 解码芯片的时 钟 则 由

SAA7111

的

LLC

直 接 给 出 。 最 后 由

FPGA

控 制 控 制 叠 加时序完成叠 加 。 系 统叠加控制程 序 的 流 程如图

3

所示。

4 结论

设计系统采用

FPGA

作为控制芯片， 通过编程 实现灵活的叠加功能。 程序设计用

VerilogHDL

硬件 编程语言编写， 在

Xilinx

公司的

ISE

开发环境下运 行，并用

ModelSim SE6.0

进行软件仿真实现。 为确 保融合系统的功能正确性，分模块对系统进行测试，

为战场环境中的多信息融合打下一定基础。

参考文献：

[1] Takashi shibata. Heand mounted Display [J].Display,2002.

(23):57-64

[2]原仓周，张其善，柳重堪.车辆监控系统中短消息通信网类 的设计与实现[J].北京航空航天大学学报，2004：30（2）184-187 [3]张克满，何格夫.用虚拟I2C总线技术实现SAA7111的初 始化[J].国外电子元器件，2005（1）：21-29

(收稿日期2009-09-20) 图3 系统叠加控制程序的流程

激光打孔速度虽然已经很快， 但仍满足不了日益 增长的社会需要。 例如，某些航空零件要求有上百万个 精密小孔，仅仅采用普通的单脉冲打孔及低重复频率的 多脉冲打孔，其打孔速度已远远不能满足要求。为此，必 然要采取不断提高激光器的输出参数并与其他的打孔 辅助工艺相配合的措施，来提高激光打孔速度。 高速激 光打孔主要用于飞机、宇宙飞船及汽车的制造中。

②

激光打孔材料多样化

激光在众多材料上打孔不仅显示了激光打孔的 优势及能力， 从而大大地提高了许多难加工材料的 使用价值， 使许多行业的产品质量及性能得到了提 高。 但随着科技和社会生产力的发展， 各种新型加 工材料（金属或非金属）层出不穷。 此时，必须对激 光微细加工技术的加工工艺作不断的探讨。

③

激光加工微米级小孔

在不调制情况下，激光打孔的孔径在（

0.2~0.4

）

mm

范围内。 欲加工孔径小于

0.2mm

至微米级孔必 须通过对激光束调制方可实现。 国外已利用连续波 氩离子激光器在厚度为

2μm

的小孔；利用激光器的 管聚焦光束进行

30μm

高精度孔的加工。

④

激光打孔深度不断增加

如果激光打孔的深度一直限于几个毫米范围内，

则激光打孔的优势在某些领域就不能充分发挥， 应用 受到限制。 国外用大功率激光打孔，打孔速度为

4

个

/s

， 其打孔深度为

19.05mm

。 随着对打孔工艺的深入研究 及大功率激光的开发，激光打孔的深度还将继续增加，

这将满足模具行业和高压喷嘴生产中对深孔的需要。

⑤

激光打孔质量的不断提高

目前， 人们正使用多种方法， 如对激光器输出参 数、脉冲形状等调整，来对激光打孔的质量和尺寸精度 进行有效的改善和得到提高。 用增设石油涂层方法的 减少出、入口处的沉淀物；利用硅油减小孔的锥度等等。

参考文献：

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航空精密制造技术，1994(2)

（收稿日期2009-08-02）

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页）

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