激光打孔技术的分类与特点

激光打孔是最早在工业生产中应用的，比较成熟的激光加工技术，主要用于金刚石拉丝模、硬质合金喷嘴、拉制化学纤维的喷丝头，以及金属、陶瓷、橡胶等多种材料工模具及零部件上的各类单孔或群孔的加工。运用激光技术可以在高熔点金属钼板上加工出直径为微米级的小孔，能在世界上最硬的物质——金刚石上加工出孔径＜10μm、孔形精确的微型孔，并能在红、蓝宝石上加工数百微米深的深孔等。在超硬材料微精加工技术中，激光打孔是一项不可缺少的特殊技术。

4.2.1.1 激光打孔的原理及特点

1.激光打孔的原理

激光打孔的原理是基于激光与被加工材料相互作用引起物态变化形成的热物理效应，以及各种能量变化产生的综合结果。影响这种变化的主要因素取决于激光的波长、能量密度、光束发散角、聚焦状态和被加工材料本身的物理特性等参数。激光打孔在激光加工中属于激光去除类，也被称为蒸发加工。激光打孔原理图如图4.2-1所示。

激光束1经过聚焦透镜2照射在处于焦平面的工件3上，激光作为高强度热源作用于工件材料上，材料因吸收激光而获得能量，并将其转换成热能、电能、化学能及不同波长的光能等多种形式，其中热能将使材料局部温度升高，当激光功率密度达到10³～10⁵W/mm²时就能使各种类型的被加工材料熔化或汽化，实现激光去除材料的加工过程。图4.2-2为几种激光加工过程所需要的激光功率密度。

图4.2-1 激光打孔原理图

1—激光束 2—聚焦透镜 3—工件

图4.2-2 激光加工过程所需要的激光功率密度

在焦点处激光光斑直径的大小，以及激光功率密度值是影响激光打孔加工的两个非常重要的参数，其理论值可由公式（4.2-1）和公式（4.2-2）获得。

式中，d为焦平面处的光斑直径；f为焦距；θ为激光发散角；D为光束直径；F为焦平面处的激光功率密度；P为激光输出功率。

下面以脉冲激光打孔为例来描述激光打孔过程。可将其分为三个阶段：前缘阶段、稳定输出阶段和尾缘阶段。

图4.2-3 激光打孔时孔形成的过程

在前缘阶段，激光束最初照射在被加工材料上并开始与其相互作用，由于材料表面的反射损耗，使得材料被加热的速度较后一阶段的反应激烈程度略显缓和，随着热量向材料内部传导，造成周围区域内的材料升温，这一阶段的相变以熔化为主，相变区面积略宽，而深度较浅。加工进入第二阶段，激光束继续照射被加工材料，由于相变使得材料的吸收率增大，加热后反应更加剧烈，开始产生金属蒸气，熔融区面积逐渐缩小，孔形呈收敛趋势而深度增加。随后打孔过程相对稳定，材料的汽化程度剧增，气相物质裹带着液相材料飞溅出加工区，形成了锥度较小的圆柱孔段。最后进入尾缘阶段，激光对材料的加热临近终止，材料的汽化、熔化状态即将结束，在孔形的最后阶段形成了尖锐的锥形底孔。孔形成的过程如图4.2-3所示。

由上述脉冲激光打孔过程可以看出，材料的熔化和蒸发是激光打孔的两个最基本的过程，其中，提高汽化蒸发的比例可以增加孔的深度，而加大孔径主要靠孔壁熔化和剩余蒸汽压力以飞溅的方式将液相物质排出加工区来实现的。

2.激光打孔的特点

激光打孔与机械钻孔、电火花加工等其他加工方法相比具有显著的工艺效果，见表4.2-1。

表4.2-1 激光打孔的特点及显著的工艺效果

4.2.1.2 激光打孔的分类

激光打孔的形式多种多样，其类型可分为复制成形法和轮廓成形法两类。

1.复制成形法

复制成形法就是控制激光束的形状进行加工，所得孔的形状与光束相似。在加工过程中，通过调整激光参数或在光学系统中加入异形孔光阑，使输出的激光束以特定的形状和精度重复照射到被加工材料固定的一点上，在与辐射传播方向垂直的方向上没有光束和工件位移的情况下在工件上“复制”出与光束形状相同的孔，如图4.2-4所示。

复制成形法所用激光器多为红宝石激光器、钕玻璃激光器或二氧化碳激光器，采用单脉冲或低重复率多脉冲的形式进行打孔。上述激光器可使激光束作用在工件的能量横向扩散减至最小，有助于控制孔径的大小和孔的形状。激光脉冲持续时间为毫秒级，可以有足够的热量沿着孔的轴向深度扩散，而不只是被材料表面吸收。

图4.2-4 采用透镜法控制孔径

2.轮廓成形法

轮廓成形法是采用逐点挖坑，分层去除的方式进行激光加工的。工件上打孔的形状是由激光束和被加工件相对位移的轨迹逐层形成的。用轮廓成形法加工时，激光器既可以在高重复率脉冲状态，也可以在连续状态下工作。激光器主要采用Nd3+：YAG激光器或CO2激光器。在用脉冲方式进行加工时，要注意脉冲的重复率应与工件相对位移速度协调一致，即激光束照射在工件上的光斑所形成的凹坑必须连续地彼此叠加从而形成一个完整的、连续的轮廓，如图4.2-5所示。

利用轮廓成形法，可以对形状复杂的变截面曲形孔进行行之有效的加工，并可获得精度很高的孔形。

4.2.1.3 激光打孔的加工系统

激光打孔加工系统主要由激光器、光学系统和数控机械系统等部分组成，其原理结构如图4.2-6所示。

1.激光打孔的激光器

激光器是整个加工系统的核心，其作用是把电源系统提供的电能转变成光能，产生激光打孔所需要的激光束。用于打孔的激光器主要有气体激光器中的CO₂激光器和固体激光器中的红宝石激光器、钕玻璃激光器和YAG激光器等。其中CO₂激光器转换效率高于其他激光器，可达15%～20%。它的波长为10.6μm，适合对许多非金属材料（如有机玻璃、塑料、木材、多层复合板材、石英玻璃等）进行加工。

固体激光器在激光打孔中得到广泛的应用，它具有以下优点：

1）固体激光器输出波长普遍较短。由于大多数材料，特别是金属材料在对光的吸收中，存在着波长越短吸收率越高的规律，因此采用固体激光器加工效率较高。

图4.2-5 采用轮廓成形法进行激光打孔

图4.2-6 激光打孔的加工系统原理方框图

2）固体激光器输出的光束可以用普通的光学材料传递，如光学玻璃、石英玻璃等。这样可以将显微镜、投影仪或工业电视等目视观察系统与激光器输出的导光系统同轴安装，以实现对加工点的对焦、定位及对加工过程出现的情况进行实时监控。对于1.06μm的近红外光，还可以用光导纤维进行能量传递，使得导光系统更加灵活、方便。

3）固体激光器结构紧凑，整机体积小，使用维护方便，价格低于CO₂激光器。

2.激光打孔的光学系统

光学系统由导光系统（包括折反镜、分光镜、光导纤维及耦合元件等）、观察系统及改善光束性能的装置等部分组成。在激光打孔中，它的作用是把激光束从激光器输出窗口引导至被加工工件表面，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度件表面，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度，指示加工部位，提供控制信息，观察加工过程和简单评估加工结果。

3.激光打孔用机床

图4.2-7 激光3个光轴运动轨迹示意图

通用型激光打孔机床为3轴机床，X、Y两坐标轴相互垂直作平面运动，用于调整、对正激光束与工件被加工部位的相对位置。Z轴与X、Y平面垂直，用于带动激光头调整激光束的焦点位置，在深孔加工中起带动激光头进给的作用。3轴采用步进电动机带动滚珠丝杠在直线滚珠导轨上运行，运动精度由丝杠的精度和滚珠导轨的精度确定。如配以计算机控制系统，三维激光打孔机床可以完成平面内各种孔及一定范围内群孔的加工。

目前世界上先进激光加工机床加入了3个光轴的运动，如图4.2-7所示。再加入两个方向上的旋转轴可以实现8轴运动，任意4～6轴联动，能精确地加工出变截面的、复杂形状的成型孔，还能在形状复杂的工件的不同位置上连续高速加工形位精确的群孔。

4.2.1.4 激光打孔工艺

1.激光打孔的工艺方法

激光打孔的方法主要有图4.2-8所示的几种。

图4.2-8 激光打孔的工艺方法

a）激光单脉冲打孔 b）激光多脉冲打孔 c）激光套钻式打孔 d）激光切削式打孔

2.影响激光打孔质量的工艺参数

激光打孔不仅要求有很高的生产率和较好的表面加工质量，而且对加工精度也有很高的要求。为了达此效果，除了保证光学系统和机械方面的精度外，还需分析有关工艺参数对加工过程的影响，并正确加以选择。下面根据激光加工的工艺规律来分析影响激光打孔的主要因素。

（1）激光输出功率对激光打孔的影响 激光打孔时，激光束照射在被加工材料上的功率密度是一个非常重要的参数，在光学系统的格局确定以后，激光焦点处能量密度的变化取决于激光输出功率的变化。因此，对于加工孔的纵向深度和横向直径的控制主要是通过改变激光输出功率来加以实现的。孔深的增加主要靠蒸发的形式来实现，而孔径的增加则是依靠孔壁上材料的熔化和利用剩余金属蒸气压力对熔融状物质的排除来实现。

当激光功率很高时，由于过热的温度使物质的蒸发占材料去除量的绝大部分，而由热传导引起的能量损失可以忽略不计，激光脉冲能量E几乎全部用于对材料的破坏和蒸发去除。如果在材料上加工一个孔径为d、孔深为h的孔所需的激光脉冲能量为E，可以根据能量平衡原理得出式（4.2-3）：

E=1/4πd²hL_p （4.2-3）

式中，L_p为材料的单位体积破坏比能（J/cm²）。

孔深h和孔径d可由式（4.2-4）、式（4.2-5）得出：

式中，E为激光脉冲能量（J）；L_B为材料汽化热体积热值（J/cm³）；L_M为材料熔化热体积热值（J/cm³）；θ为光束照射材料表面时的发散半角。

对于同一种材料L_B和L_M都是固定的，所以孔径d和孔深h与脉冲能量E的关系如（4.2-6）、（4.2-7）式：

d∝（3E）1/3 （4.2-6）

h∝（3E）1/3 （4.2-7）

式（4.2-6）、式（4.2-7）显示了孔深h和孔径d与脉冲能量E的非线性关系。图4.2-9和图4.2-10是根据脉冲能量变化的实际情况绘制的h、d与E的关系曲线。图中脉冲能量的变化是通过控制对光泵输入电功率的变化来实现的，而其他激光参数固定不变。图4.2-11显示了脉冲能量随时间的变化情况。

图4.2-9 孔深h与能量E变化的关系

1—铝 2—红宝石 3—45钢 4—铜

图4.2-10 孔径d与能量E变化的关系

1—铝 2—红宝石 3—45钢 4—铜

图4.2-11 脉冲能量E随时间的变化情况

当输出脉冲波形的脉冲宽度不变，而脉冲前沿幅值增大时，也就是激光束照射在被加工材料上的时间不变，而功率密度增大时，孔深h、孔径d都随之而增加，如图4.2-9、4.2-10所示。孔深h随脉冲能量增大而增加的原因主要是由于过高的功率密度使打孔过程中产生过多的气相物质，而产生强烈的冲击波，致使高压金属蒸气带着熔融状物质从孔底部高速向外喷射，如同产生局部微型爆炸，这一现象可以通过打孔过程中功率越高，发出的微型爆炸声越大而得以证实。与此同时，激光功率越高，功率密度越大，产生的金属蒸气压力越大，高压金属蒸气带走的液相物质也越多，因而孔径d也随之越大。但孔径随能量的增大速度比孔深随能量的增加缓慢，而且这种增大是有限度的。

因此，当要求激光打孔的深度h和直径d值较大时，激光输出功率也应较大；对于导热性越好（如Al、Cu）、熔点越高或硬度越高的材料进行激光打孔时，选择的输出功率参数也应大些才能达到加工目的。但应当注意到，过大的脉冲能量会使孔的锥度和直径变大，而且孔的入口会遭到较严重的破坏，这是激光打孔加工所要避免的。

（2）焦距与发散角对激光打孔的影响 在利用激光加工精密微细孔时，为了提高被加工孔的质量，要求激光束经聚焦后具有非常小的光斑直径和较高的能量密度。焦平面上的光斑直径越小，所打出的孔也越小，且由于能量密度大，激光束对工件的穿透力也大，打出的孔不仅深，而且锥度小。所以要想提高激光打孔质量，必须减小光斑直径。由式（4.2-1）可知光斑直径d与透镜焦距f、光束发散角θ成正比。

因为透镜焦距f受一定条件的限制不能太短，如在实际加工中为防止飞溅的熔融物质破坏光学镜头，以及方便地取、放需要更换的被加工工件，f值不能选得太小，应留出合适的作用距离。有时为了满足特殊工件打孔（如在距离工件表面较深的部位实施打孔）的要求，希望作用距离更大一些。理论分析表明，作用距离S与光束发散角θ的平方根成反比，即

S∝θ_-1/2 （4.2-8）

所以为了获得尽可能小的光斑，只有尽量减少光束发散角，而要改善光束发散角，就必须利用选模技术对激光谐振腔的振荡模式进行选择，滤去杂波形成基模（TEM₀₀）输出。选模的方法较多，其中利用小孔光阑法对于减小光束发散角是既简单又行之有效的方法。虽然经选模后激光输出功率可能有所减弱，但由于激光发散度的改善，其亮度可提高几个数量级，而且聚焦后，可以产生一个衍射极限的光斑，这对小孔加工的质量是非常有利的。

（3）脉冲宽度对激光打孔的影响 当激光输出功率一定，即脉冲能量不变时，脉冲宽度越窄，激光照射时间变短而能量密度越大，反之激光照射时间加长而能量密度变小。因此，脉冲宽度的变化对激光打孔的深度、孔径、孔形都有较大的影响。

图4.2-12、图4.2-13所示为通过改变脉冲宽度的大小，分别对45钢、铜、铝及红宝石进行激光打不通孔试验后得出的试验数据及变化规律曲线，从图中可以看出，不同材料（45钢的孔深变化除外）随脉冲宽度变化的趋势是相同的，而变化幅度的差异主要是因为被加工材料本身的性质和热物理参数的不同所造成的。

图4.2-12 孔深与脉冲宽度变化的规律曲线

1—铝 2—红宝石 3—45钢 4—铜

图4.2-13 孔径与脉冲宽度变化的规律曲线(www.xing528.com)

1—铝 2—红宝石 3—45钢 4—铜

固定激光输出功率而改变脉冲宽度，相当于激光照射时间和激光焦点处的功率密度都相应发生了变化，在这种情况下，激光束照射工件的时间越短，作用在工件上的能量密度就越大。从原理上讲，能量密度越大，激光打孔中产生的气相物质比例就越大，金属蒸气压力也越大。由于孔深的增加主要靠蒸发，而金属蒸气压力的增大可以带出更多孔内液相的熔融物质也使得孔径得以增大。因此，脉冲宽度越窄，孔的深度越深，而孔的直径越大。

在相同条件下，当脉冲宽度明显加宽时，激光焦点处能量密度降低，孔内金属蒸气比例减少，剩余金属蒸气压力也相应变小。在这种情况下，激光能量主要以横向热传导的方式向孔的四周扩散，由此产生大量的液相物质，而金属蒸气压力过小，不能将液相物质从孔内排除，使其无规律地重新凝结于孔的内壁上，造成孔的深度和直径减小，孔的表面质量和尺寸精度变差，使打孔过程难以控制。

用于激光打孔的脉冲宽度一般为几分之一到几毫秒之间。当激光能量一定时，过宽的脉冲宽度会使热量扩散到非加工区，而过窄的脉冲宽度会因能量密度过高使蚀除物都以高温气体喷出，这都会使能量的使用效率降低。此外，还应注意因材料性质的不同，而不可同等对待，同样需要增加打孔的深度，对于导热性较好的材料（如Al、Cu等），应使用较窄脉冲宽度进行加工；而对于导热性较差的材料（如硬质合金、Al₂O₃等），可用较宽的脉冲宽度进行打孔，这样可以有效地提高激光脉冲能量的利用率。

（4）激光束焦点位置对打孔的影响 焦点位置对激光打孔的形状和深度都有很大的影响，被加工材料上表面与焦点之间的距离称为离焦量。焦点位于材料上表面之上所形成的离焦量为正，焦点位于材料上表面之下所形成的离焦量为负，如图4.2-14所示。

离焦量的变化对打孔加工的影响程度可通过在金属材料上进行的只改变离焦量，而不改变其他激光参数的打孔试验中获得，如图4.2-15所示。

图4.2-14 正负离焦量示意图

1—激光束 2—聚焦透镜

图4.2-15 离焦量对打孔的影响示意图

从图4.2-15可以看出，当离焦量负的较深时，透过工件表面的光斑面积很大，而大大降低了激光能量密度，使得热影响区较大，加工深度很浅，随着负离焦量逐渐变小，加工孔的深度加大，锥度变小。当焦点处于材料表面偏下某一位置时，可以打出最大孔深，随着离焦量由负转正，当焦点处于材料表面偏上某一点时，孔的入口直径最小，焦点的具体位置及数据因工件材料而异。图4.2-16显示了焦点位置与打孔深度之间的关系曲线。从这条曲线可以看出，当焦点处于工件表面以下某一点时出现最大值，在相同的打孔条件下，打的孔最深；而过分的入焦或过分的离焦，孔深都会由于光束的散射而大大减小。

图4.2-16 焦点位置与打孔深度的关系曲线

图4.2-17 激光打孔时脉冲次数与孔深的关系曲线单脉冲能量：1-2.0J 2-1.5J 3-1.0J

（5）脉冲激光的脉冲重复率对打孔的影响 单个激光脉冲打出孔的深度一般为孔径的5～10倍，而且锥度较大。在实际激光打孔中常采用重复脉冲的方法，即一个孔用多个激光脉冲重复照射加工而成，这样可以减少每个脉冲的能量，延长激光器中泵浦器件的使用寿命，并克服了偶然因素引起的单个脉冲能量起伏的现象，使打出的孔具有较好的圆度和重复性。使用多个激光脉冲打孔时如果增加脉冲次数，用脉冲激光束多次照射工件进行加工，孔的深度可以明显增加，锥度也能减小，而孔径几乎不变。但是孔的深度并不是与脉冲次数成比例，而是加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射使材料的吸收和抛出力减小，排屑困难，造成孔的前端的能量密度不断降低加工量逐渐减小，以致难于继续打下去。图4.2-17所示为使用红宝石激光器加工蓝宝石时获得的脉冲次数与孔深的关系曲线。从该图可知，脉冲次数大于30时，孔的深度变化很小，如果单脉冲能量不变，孔的深度不能继续增加。

改变激光脉冲重复率及相应的平均功率密度等参数，在45钢上进行打孔试验，结果见表4.2-2。

表4.2-2 激光脉冲重复率对打孔的影响（45钢）

由脉冲重复率变化引起的不通孔深度和直径的变化如图4.2-18、图4.2-19所示。脉冲重复率的增加对孔径的影响不大，其原因是孔的直径大小是由一组脉冲中单个脉冲的能量、脉冲宽度等参数所决定的，孔的直径还受到激光光束在加工区域的光斑尺寸和散焦面形状的制约。当脉冲平均功率不变，脉冲宽度不变，只改变脉冲重复率时，随着脉冲重复率的增加，孔的深度值却越来越小，这是由于在激光输出平均功率值相同的状态下，脉冲重复率越高，脉冲峰值功率越小，因而使得加工孔的深度值减小。

图4.2-18 脉冲重复率与孔深的关系曲线

图4.2-19 脉冲重复率与孔径的关系曲线

（6）工件材料对激光打孔的影响 激光加工过程实质上就是激光与工件材料之间相互作用的过程。工件材料对激光打孔影响最大的一个参数是材料对激光波长的吸收率，吸收率的高低直接影响激光打孔的效率。如果工件材料对某种激光器光束波长的吸收率高，利用这种激光器进行打孔的效率就高。如果吸收率低，激光束照射在工件材料上的能量大部分被反射或透过材料散失，而没有对工件材料发生作用，故打孔的效率就低。工件材料的吸收率本身也受到温度变化和表面涂层等条件的影响。例如，在真空条件下，金属材料处于室温时的吸收率都很小，当温度升高到接近熔点时，其吸收率可达40%～50%；如温度接近沸点，其吸收率高达90%。在实际进行激光打孔时，由于金属随温度升高表面氧化加重也会增大吸收率。又如，在用红宝石激光器或YAG激光器对天然金刚石、大颗粒人造单晶金刚石进行打孔加工时，通常在材料表面涂覆碳素墨水或涂改液涂层，以改善材料加工瞬间的吸收率，保证打孔加工有效正常地进行，避免材料碎裂现象的发生。

另一方面，不同性质的材料对不同波长的激光束的吸收率和反射率差别很大，因此要根据加工材料的热物理性质来选择相应的激光器。例如，对宝石轴承的激光打孔，可选用波长为0.69μm的红宝石激光器、波长为1.06μm的YAG激光器和波长为10.6μm的CO₂激光器。对玻璃、石英、陶瓷等材料的激光打孔，则选用波长为10.6μm的CO₂激光器对加工更为有利。

4.2.1.5 典型材料的激光打孔

1.金属材料

在工业生产中，利用激光在金属材料上打孔制造各种零部件、喷嘴及工模具是较为常见的。激光加工金属材料的难易程度并不取决于材料的硬度，而是取决于金属材料对激光的吸收及热量传递等因素。下面介绍一些激光对金属材料的打孔实例和数据。

（1）硬质合金材料的激光打孔 硬质合金是使用激光打孔较多的材料之一。下面用脉冲能量为30J的YAG激光器在厚度分别为6mm和10mm的硬质合金工件上加工中心孔和通孔，直径分别为0.3mm、0.6mm和1.0mm。由于中心孔的孔形较复杂，须分两步进行加工，先加工锥形导入孔部分，然后加工直孔部分。加工参数为：脉冲能量20～25J；聚焦透镜焦距70～80mm；脉冲跟踪频率0.5～1Hz；加工中心孔导入加工区的脉冲重复率为8～13Hz，加工通孔的脉冲重复率为16～20Hz。中心孔加工时间为5～20s，通孔加工时间为20～30s。

（2）纳秒激光束加工圆锥形孔 图4.2-20所示为纳秒激光束加工圆锥形孔，工件材料为钢；入口直径为70μm；出口为140μm；孔深为1mm；标尺长为25μm。

（3）激光打群孔 图4.2-21所示采用DMG公司生产的5轴激光钻孔机，在汽轮机叶片上加工冷却空气孔，它主要用于航空燃气机轮构件内的膜冷却空气孔的加工，要求精确，高效，适应性强。

图4.2-20 纳秒激光束加工圆锥形孔

图4.2-21 在汽轮机叶片上加工冷却空气孔

表4.2-3、表4.2-4所示为一些金属材料激光打孔的参数和结果。

表4.2-3 一些金属材料激光打孔的参数和结果

表4.2-4 几种材料激光打孔的参数和结果

2.非金属材料

大部分非金属材料（如有机玻璃、塑料、木材、橡胶、石英玻璃等）对波长为10.6μm的激光有较好的吸收效果。CO₂激光器具有转换效率高、输出激光时波长为10.6μm等特点，因此被广泛地应用于对非金属材料的激光打孔中。下面介绍一些非金属材料的激光打孔实例和数据。

（1）玻璃打孔 用500W的CO₂激光器，配装回转透镜装置，在厚度为2.54mm的玻璃板上加工孔径为12.7mm的孔，加工时间为6s。对于热冲击敏感的钠玻璃进行激光加工，须先将其预热到400℃，以避免温度突变造成对材料的破坏。

使用1000W的CO₂激光器，并配合采用压缩空气吹加工区的辅助工艺，可以在1～2mm厚的以玻璃纤维加环氧树脂（玻璃钢）为材料的电子电路板上进行激光高速打孔。

（2）塑料打孔 用输出功率为250W，脉冲宽度为5～15ms的CO₂激光器，配装一套特殊的光学系统，在聚氯乙烯塑料制成的灌溉用管上打孔，孔径为0.5mm，年加工量达3亿米，并且质量优于传统的机械加工工艺。

用输出功率为50W的CO₂激光器，采用数控装置在异丁烯制造的接触透镜上打孔，1.5s能加工5～15个ϕ0.1mm的小孔，打出的孔不产生毛刺。

用输出功率6W的CO₂激光器，对亲水性的苯系高分子聚合物制成的接触透镜和对聚醛酯制造的烟雾阀进行打孔。孔径为0.1～0.2mm，精度为±0.038mm，5～80ms可打一个孔，每分钟可打300个阀孔。

表4.2-5列出了一些塑料件激光打孔的参数和结果。

表4.2-5 CO₂激光器在塑料件上打孔的参数和结果

（续）

（3）橡胶打孔CO₂激光器适用于橡胶打孔。用峰值功率为1kW，脉冲宽度为60μs，脉冲重复率为25Hz的CO₂激光器，在厚度为0.15mm，直径为100mm的橡胶上打4000个孔径为0.09mm的小孔，全部用时仅为8min。

用100W的CO₂激光器，在壁厚为0.5～1.25mm的汽车流量控制阀的橡胶隔膜上打25个直径为0.64mm同心孔，加工时间仅用8s，而且不产生毛刺。

（4）纸打孔 武汉华工激光工程有限责任公司研究开发的HGL-T系列双盘水松纸激光打孔机，如图4.2-22所示。采用射频激励CO₂激光器在香烟过滤嘴的两侧打两排小孔，一台激光器输出的光束经光分配器可被分成8路独立的脉冲激光，可以同时打8路孔。该系列激光打孔机的主要技术参数见表4.2-6。

表4.2-6 HGL-T系列双盘水松纸激光打孔机技术参数

图4.2-22 HGL-T系列双盘水松纸激光打孔机及打孔实例

a）HGL-T系列双盘水松纸激光打孔机 b）加工实例

3.陶瓷材料

随着科学技术的发展，陶瓷材料将得到越来越广泛的应用，特别是陶瓷材料的力学物理性能的不断提高，传统的机械加工方法越来越难以满足发展的要求。而对于激光来说陶瓷材料是易加工材料，激光打孔对其具有加工能力强、质量好、效率高等特点。氧化铝、碳化硅、氮化硅和氧化锆等各类陶瓷都可以用激光进行打孔，并可获得较大的深径比，最高可达25∶1。在陶瓷上用普通机械方法钻孔或用超声波打孔，只能得到2∶1～4∶1的深径比，远不及激光打孔。用于陶瓷打孔的设备主要有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石和CO₂激光打孔机，针对不同性质的陶瓷材料，选择相应的激光器及参数可以有效地防止微小裂纹及其他缺陷的产生。例如：

1）氧化铝对YAG激光的吸收率较低，但其热性能好，属于高脆材料。所以，当激光能量过大时，会因热变形而产生裂纹，因此适合用脉冲宽度小的Q开关脉冲激光进行打孔。

2）氧化硅激光打孔时，在加工表面容易出现裂纹。为防止裂纹的产生，应使用低的Q开关频率进行激光加工。

3）在太阳能电池的硅片上打孔，硅片厚度为0.3mm，加工孔径为0.2mm。必须使用窄脉冲宽度、低能量进行激光加工，才可避免产生裂纹。

此外，还应选择合适的加工方法。例如，对陶瓷等脆性材料进行激光加工时，如果加大单次激光的输出能量，则会因热变形造成陶瓷材料的被加工表面出现裂纹，因此，应减小单次激光照射的能量而采用多次重复打孔的方法，以免产生裂纹。表4.2-7列出一些激光器对陶瓷材料打孔的工艺参数和结果。

表4.2-7 陶瓷材料激光打孔的工艺参数和结果

4.金刚石拉丝模

利用激光加工金刚石拉丝模，早在20世纪70年代就已经在国内发展起来了，最先应用的是红宝石激光器。用红宝石激光器在金刚石拉丝模上打孔不仅效率高，而且锥形边比较平滑，模具正反面的锥形同心度好。

图4.2-23 激光加工中心的原理方框图

目前，对于加工金刚石拉丝模，较多地采用具有高度自动化程度的YAG脉冲激光加工中心进行打孔，其加工效果更佳，有更好的孔形精度和表面质量。图4.2-23为激光加工中心的原理方框图。

加工过程如下：通过遥控调节系统1将电参数输入电源2，由电源2发出超声电信号和激光电信号，分别传输给Q-开关3和激光发生器4，经Q-开关3调制激光发生器4将电信号转换成具有一定频率和能量的激光束，输送到激光工作头5经聚焦后照射在被加工工件10上进行激光打孔。根据被加工的模具孔形及定径尺寸，编制加工程序，通过操作系统6将运行轨迹数据输入计算机控制系统7，经机械系统8控制承载工件的工作台9和发射激光束的激光头5按输入程序的轨迹运行，从而实现对工件10进行激光打孔。

下面介绍金刚石激光打孔实例。

（1）微孔金刚石拉丝模的激光打孔 一般把孔径ϕ≤0.03mm的金刚石拉丝模统称为微孔模。这类模具通常用天然金刚石（ND）或大颗粒人造单晶金刚石（MCD）材料制作。目前所采用的裸料加工方法是20世纪50年代从前苏联引进的一项专作微孔模的特殊工艺。国内大多数加工微孔模的工厂仍延续使用这一工艺。具体的做法是：在激光加工前，将金刚石晶体按其解理面（111）磨出两个相互平行的定位面，作为拉丝模的上下面，再磨出一个与定位面垂直的平面作为窗口，通过窗口可以对激光打孔的情况进行观察随时修正加工程序。加工时，不用夹具预先固定金刚石坯料，以便在加工过程中检验成孔的情况。图4.2-24所示为金刚石微孔模制作过程示意图。

图4.2-24 金刚石微孔模制作过程示意图

a）金刚石原粒 b）磨平面 c）激光加工入口面 d）激光加工出口面 e）超声连通、整形 f）精制 g）镶装金属套

在激光加工微孔模时应注意以下事项：

1）调整激光器，令其以基模（TEM₀₀）的模式输出，确保激光束的质量。

2）激光打孔不能将孔穿透。因为激光打孔仅是微孔模加工中的一道工序，起到使模具成形的作用，其后道工序还须利用超声波或精密机械研磨的方式将微孔模最后完成，如果激光将孔穿透则只能加工出孔径为0.05mm以上的模具，所以应当控制激光参数和加工程序进行不通孔加工。

3）开始用激光加工之前，要在金刚石表面待加工部位涂抹白色涂改液，以避免出现金刚石碎裂的现象。

（2）聚晶金刚石拉丝模的激光打孔 聚晶金刚石（PCD）一般采取分层去除的方法，金刚石拉丝模的孔形由入口区、润滑区、压缩区（工作区）、定径区、倒锥区、出口区六个不同角度的区域组成，各区域间连接部分要求圆滑过渡。对于这种形状复杂的孔进行激光打孔加工，需要采用轮廓成形法将其完成。将拉丝模孔形正面分成四个区，如图4.2-25所示。

图4.2-25 激光分层加工拉丝模示意图

在打孔过程中，可将模具以横截面分为若干层，每一层的加工都由数控系统按工件的孔形变化控制工作台的运行轨迹和旋转轴的转速，使其配合激光脉冲重复率来保证激光束照射在加工部位上的激光斑点随位移连续地彼此叠加，加工出的凹坑形成连续的孔形轮廓，由此逐层连续的加工，最终完成完整、精确的孔形。