激光打孔的原理和方法

激光打孔是利用激光辐射的高功率密度（10⁶～10⁸W/cm²）及高空间相干性，为了使被加工的金属材料能达到汽化温度，对大多数脉冲激光器来讲，均匀激光照射到半无限平板表面产生的温度T₀为

式中，P₀为表面吸收的激光辐射功率（W），k为材料热扩散率（cm²/s），K为材料热导率（W/cm·℃·s），a为表面光斑的半径，T_u为激光脉冲的持续时间。

对发散角为θ₀的单模光束，经过一个焦距为f的透镜后，其焦斑半径a为

a=f·θ₀

将上面两公式合在一起，得

从上式可得出，对一定的工件材料，为了达到材料蒸发汽化温度，必须提高辐射功率密度。当激光打孔的功率密度达到108W/cm²以上作用到工件表面，使得温度急剧上升，从而引起工件表面的材料瞬时熔化并大量汽化，气压急剧上升，高速气流猛烈向外喷射，在激光作用点上立即形成一个小凹坑。随着激光能量的不断输入，凹坑内的汽化程度加剧，蒸气量急剧增多，气压骤然上升，对凹抗的四周产生强烈的冲击作用，致使高压蒸气带着熔融物，从凹坑底部高速向外喷射，火花飞溅。如同产生一种微型爆破那样，在工件上迅速打出一个具有一定锥度和深度的小孔来。由于蒸气总是先从熔融的凹坑内部向外喷射，起始阶段必然会形成较大的立体角。所以用激光打出来的孔，总是具有一定的锥度，其激光束入口端呈喇叭形。(www.xing528.com)

激光打孔是在极短的时间内完成的，孔的形成是在高功率密度激光的作用下产生的一系列热物理现象相互作用的结果。在高能激光的作用下，材料的汽化蒸发和熔化是激光打孔成形的两个基本过程。其中孔深的延伸主要取决于材料的汽化和蒸发；孔径的扩展主要取决于孔壁的熔化及剩余蒸气压力将熔融材料的喷射排出。当功率密度很高时，蒸发极为旺盛，绝大部分能量用于蒸发，由于热传导引起的能量损失，几乎可以忽略不计。

激光打孔中，到达工件表面的激光功率密度的最佳值应在10⁸～10⁹W/cm²之间。在这个功率密度范围内，材料大部分被汽化，打孔的效果最好。如果激光功率密度低于10⁸W/cm²，大部分激光能量消耗在热传导和使材料熔化上，影响激光打孔的质量；如果功率密度高于10⁹W/cm²，在工件表面会形成等离子体屏蔽层，影响材料吸收光能的效果。

激光打孔方式主要有两种，一种是单脉冲激光打孔方式，另一种是多脉冲激光打孔方式。单脉冲激光打孔方式目前应用较少，原因是单脉冲情况下每次去除材料的数量有限，而如果增大激光功率密度，在材料表面又会出现等离子体屏蔽，影响材料吸收激光能量。另外，单脉冲打孔时，材料在激光作用下产生的熔融物的再凝固，还会引起孔形的畸变和孔径大小的改变。

多脉冲激光打孔使用很普遍。它是采用一组重复周期远远大于材料凝固时间的极短脉冲激光束来进行打孔加工。由于多次脉小激光能量的不断积累，使激光作用区内的材料逐层汽化蒸发，逐渐将孔加深。孔深取决于激光脉冲重复作用的次数，而孔径取决于单个激光脉冲的能量大小。在这种加工方式中，还可以利用激光脉冲之间的时间间隔，及时改变激光焦点在工件上的位置，使得激光焦点的位移量刚好等于被激光汽化蒸发出来的材料的厚度。因而在激光打孔的全过程中，可始终保持激光在工件上的能量密度不变，以提高打孔精度和质量。