如今，光纖激光器已經(jīng)成功吸引了眾多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)激光器用戶的注意。在焊接、標(biāo)記和切割應(yīng)用中，光纖激光器成為標(biāo)準(zhǔn)化配置，并且值得我們注意的是，這一過程發(fā)生在很短的時間內(nèi)。不過在渦輪發(fā)動機(jī)組件溢出冷卻孔的鉆孔應(yīng)用上，光纖激光器遇到了難題。本文將探討其中的原因，并且更重要的是為讀者介紹Nd：YAG激光器在這一復(fù)雜加工工藝中的最新應(yīng)用，相信可以令激光器用戶耳目一新。 

Nd:YAG激光器鉆孔工藝 

Nd:YAG激光鉆孔可以加工出非常小而且非常精密的孔，這些孔可以與表面成法角或極端角度，可以是各種形狀、各種方向，并且適用材料的范圍也很廣泛，包括難以加工的航天合金。例如，Prima Power 北美公司旗下的Prima Power Laserdyne公司在全球范圍內(nèi)安裝了超過750臺航天制造專用激光系統(tǒng)。通常使用的是高功率（平均功率為200~400瓦）脈沖Nd:YAG激光器，通過沖擊打孔（圖1）或旋切打孔來完成加工。在激光鉆孔工藝中，高功率密度通過0.05 毫米至0.75 毫米的聚焦光斑尺寸實現(xiàn)。

沖擊打孔是指激光器發(fā)出一束或多束激光脈沖，同時激光光束和加工部件保持固定。是否需要多束脈沖，這由要加工的孔的深度來決定。沖擊打孔的另一個類型是飛行鉆孔，它是用固定的激光器向加工部件發(fā)出激光脈沖，同時旋轉(zhuǎn)加工部件�？椎奈恢糜尚�轉(zhuǎn)速度和激光脈沖頻率決定，它們成函數(shù)關(guān)系。如果要求多束脈沖，可使用相關(guān)軟件（例如由Laserdyne公司的CylPerf軟件）來使部件的運(yùn)動和激光脈沖保持一致，并確保每一束脈沖都準(zhǔn)確地作用在要求的位置上。通過改變激光脈沖能量可以來調(diào)整脈沖頻率、鏡頭焦距、鉆孔的尺寸和錐度來滿足所需要的孔的設(shè)計要求。 

另一種鉆孔工藝是旋切打孔。在旋切打孔時，加工部件保持固定，同時激光光束移動并通過切割形狀來形成孔洞。這種“鉆孔”方式通常用于同時進(jìn)行沖擊和鉆孔的應(yīng)用。而超精密、可重復(fù)激光定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得我們可以進(jìn)行這種獨(dú)特、精準(zhǔn)的旋切打孔。 

激光器的平均功率由脈沖頻率和脈沖能量來決定，而功率又受到激光器的工作周期所限制，在這一工作周期中激光器的性能不會下降。沖擊打孔通常使用<100 瓦至400 瓦的平均功率。而選擇好脈寬可以優(yōu)化鉆孔的質(zhì)量。較短的脈寬可能會限制單束脈沖可實現(xiàn)的最大能量；典型的脈寬范圍為0.5~2 ms。 

脈沖能量可以來區(qū)分鉆孔激光器與應(yīng)用在其他加工類型的激光器。較高的脈沖能量會使得鉆孔速度更快，但可能會對孔的質(zhì)量帶來負(fù)面影響。一般而言，所需的脈沖能量由實驗結(jié)果、材料厚度、組成成分以及所需要的孔的直徑來決定。 

對于某一特定的激光器，聚焦透鏡將決定光斑大小。在沖擊打孔中，光斑大小與要鉆的孔的直徑有關(guān)：對于較薄的材料（<0.5 毫米），光斑大小基本等于孔的直徑；而隨著金屬厚度增加，沖擊打孔可以鉆的孔的直徑范圍逐漸縮小。此時，就輪到旋切打孔粉墨登場了。

在加工應(yīng)用于航空器及陸地上（發(fā)電）的渦輪發(fā)動機(jī)組件中使用激光鉆孔技術(shù)已有差不多45年的歷史了。對汽車工程師、過濾設(shè)計師以及醫(yī)療設(shè)備制造商而言，激光鉆孔已經(jīng)成為其加工部件時不可或缺的重要技術(shù)。 

光纖激光鉆孔的初期研究成果 

Yb光纖激光器是最常用于材料加工應(yīng)用的一種光纖激光器。最初它們是作為連續(xù)波(CW)激光器而被開發(fā)出來的，后來雖然增加了脈沖功能，但是峰值功率仍與CW平均功率保持一致。這有利于切割和焊接應(yīng)用，但是卻限制了激光鉆孔的效率。常用的Nd:YAG激光鉆孔的峰值功率可達(dá)50 千瓦，而許多應(yīng)用的脈沖峰值功率一般為20~35 千瓦。