西安交大|金属材料上无锥度深微孔激光钻孔工艺研究

西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室科研人员报道了金属材料上无锥度深微孔激光钻孔工艺研究。相关论文以“Process in laser drilling of deep microholes without taper on metal materials”为题发表在《Science China Technological Sciences》上。

深微孔加工是目前航空航天领域的一个重要突出研究领域，包括叶片薄膜冷却和燃料喷射控制技术。然而，金属材料中的锥度缺陷可能会导致性能下降，甚至在部件的使用寿命内造成结构损坏。在超短脉冲激光器的帮助下，钻削和螺旋钻孔技术已被证明更适合在金属材料上打出高精度的深孔。然而，过高的重复率也会导致严重的热损伤。控制锥度通常采用多种方法，包括参数优化、辅助和二次修正。倾斜激光束钻孔技术得到了广泛应用，并已集成到相关加工系统中，用于商业应用。典型的深微孔包括薄膜冷却孔和注射微孔。激光钻孔是航空航天领域新材料的一种潜在加工方法。虽然对激光钻孔加工进行了研究，但在实际应用之前必须解决许多相关的科学挑战和技术难题。

图1四种激光方法的比较

图2锥度缺陷的形成原理。(a)激光束的高斯分布。(b)激光束的吸收和反射

图3皮秒激光冲击钻孔在不同脉冲数和功率下孔形演变

图4不同重复频率下三种材料的加工结果

图5毫秒激光打孔结果(a)化学腐蚀前（上图两处）和化学腐蚀后（下图两处）(b)孔的俯视图和剖面图(c)重铸层形貌(d)在4mm（左）和8mm（右）钻孔。(e)钻孔结果。(f)锥度和深径比结果。(g)不同脉冲能量和离焦距离的结果

图6纳秒激光钻孔

图7飞秒激光钻孔

图8磁场辅助激光钻孔

图9激光钻孔改进方法

图10倾斜角从-1°逐渐减小到-5°，边缘更加锐利平滑

图11薄膜冷却孔结构实物图

图12薄膜冷却孔的激光加工

图13航空航天部件微孔结构实物图

本研究介绍了四种不同的激光钻孔技术，并强调了钻削和螺旋钻孔技术在深微孔加工中的适用性。在此基础上，研究了激光加工过程中锥度缺陷形成的基本原理。全面概述了锥度控制常用方法的进展。最后，以航空航天领域的两个典型实例为重点，探讨了如何应用激光加工技术在金属材料上加工出没有锥度的深微孔。虽然激光加工技术具有实际应用价值，特别是与电火花加工和类似方法相比，但在大规模有效实施之前，必须克服众多挑战。

激光钻孔技术具有巨大的潜力和价值，因为它适用于更广泛的材料，并且满足航空航天领域的严格要求。锥度控制通常被认为是精密激光加工的关键标准。在加工薄工件时，由于材料去除条件有利，实现锥度控制相对容易，但在加工厚材料或加工高深径比的孔时，锥度控制就会面临更大的挑战。在深微孔加工中追求无锥度孔是一项复杂的任务，在航空航天、国防和军事装备领域得到了广泛应用。

此外，要完成端到端深微孔激光钻孔，包括群孔钻孔、曲面钻孔和特殊孔结构等挑战，仍然任重道远。在航空航天应用中整合极端制造和超精密制造等技术将凸显激光加工的优势，如提高效率、精度和减少损坏。因此，激光加工有望成为航空航天领域实现高质量深微孔制造的首选解决方案。

随着更多新型材料的出现，激光加工成为一种战略性技术资产，可满足导电性差或脆性材料的需求。虽然激光加工高质量深微孔在高性能设备制造领域前景广阔，但目前也面临着各种挑战，如曲面定位和防止孔壁损坏等。此外，了解钻孔过程中激光与材料之间错综复杂的相互作用机制仍是当务之急。进一步探索控制材料烧蚀、重铸层形成和热影响区发展的分子级过程将对提高钻孔质量起到关键作用，使其成为高质量深微孔激光加工的一个前景广阔的研究方向。

来源：长三角激光联盟