（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

我國(guó)經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了數(shù)10年高速發(fā)展后，正努力從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，不能僅靠低端的制造技術(shù)以及大量的人力物力，一定要大力發(fā)展高端制造業(yè)。激光制造技術(shù)不僅能夠極大地提高生產(chǎn)效率而且綠色環(huán)保，能夠進(jìn)行大量的精密加工制造。

自從人們提出先進(jìn)制造技術(shù)以來(lái)，激光微孔加工技術(shù)發(fā)展極為迅速，一方面激光技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了超短脈沖激光在微孔加工中的應(yīng)用，如皮秒、飛秒激光器的出現(xiàn)，大大提高了激光微孔加工的精度，同時(shí)減小了激光加工后材料的熱影響區(qū)，特別是飛秒激光器技術(shù)的發(fā)展，為微孔加工提供了新的工業(yè)應(yīng)用選擇；另一方面，新型工藝技術(shù)的發(fā)展為激光微孔加工技術(shù)提供了新的思路，如激光與水射流復(fù)合去除技術(shù)即水導(dǎo)激光微細(xì)加工技術(shù)，由于具有加工后不存在熱影響區(qū)，排熔渣更干凈，加工更大的深度以及精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，被廣泛應(yīng)用在微孔的精密加工領(lǐng)域。這些精密微孔加工技術(shù)引起了各國(guó)研究者的極大關(guān)注，在不遠(yuǎn)的將來(lái)一定會(huì)在我國(guó)國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮無(wú)可替代的作用。

飛秒激光微孔加工

飛秒激光具有超快、高峰值功率的特性，幾乎可以加工所有材料[4]，飛秒激光與材料的相互作用按照材料屬性可以分為其與金屬材料的相互作用和與非金屬材料的相互作用：當(dāng)飛秒激光照射到金屬材料表面時(shí)，金屬中包含的大量自由電子在飛秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)被激光光子加熱，部分區(qū)域達(dá)到氣化溫度被氣化，但是在作用時(shí)間內(nèi)晶格的溫度來(lái)不及發(fā)生顯著變化，對(duì)周圍材料的影響極小，因此飛秒激光與金屬材料的作用屬于冷加工范疇，能夠減輕或避免長(zhǎng)脈沖激光加工帶來(lái)的加工質(zhì)量問(wèn)題（如熱影響區(qū)、微裂紋等）；當(dāng)飛秒激光照射到非金屬材料表面時(shí)，非金屬材料本身不存在大量的自由電子，但是激光超強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)使非金屬材料產(chǎn)生大量自由電子[5-7]，此后發(fā)生飛秒激光與類似金屬材料等離子體的相互作用，激發(fā)電子成“氣”后原子之間的結(jié)合力喪失，從而使材料去除。飛秒激光作用時(shí)材料內(nèi)能量傳遞如圖1所示，現(xiàn)階段飛秒激光微孔加工方式主要有空氣中直接打孔[8-9]、液體中輔助打孔[10-11]以及飛秒激光與電解腐蝕復(fù)合加工[12-13]等方法，其中激光空氣中直接打孔由于操作簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用。

關(guān)于飛秒激光微孔加工的物理機(jī)制，目前研究學(xué)者們還沒有形成廣泛的共識(shí)，但是通過(guò)雙溫模型的解析和分析已經(jīng)得到了一些研究成果。1974年，Anisimov等[14]首次提出雙溫模型方程，用于分析超短脈沖激光與金屬材料的相互作用，并指出在超短脈沖作用金屬材料時(shí)存在電子和晶格系統(tǒng)的不平衡。Jiang等[15-16]改進(jìn)了雙溫方程，在計(jì)算電子密度和分布時(shí)采用沖擊電離和光子電離的方式進(jìn)行，量化處理電子比熱及熱擴(kuò)散時(shí)間后，對(duì)材料燒蝕閾值及加工深度的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。Karim 等[17]利用激光輻照材料激發(fā)的電子熱化、電子-聲子耦合傳遞及電子熱平衡的連續(xù)模型及經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)對(duì)激光作用金屬Cr進(jìn)行了仿真模擬，揭示了飛秒激光輻照金屬Cr表面時(shí)，材料發(fā)生了熔化、再結(jié)晶、相變、爆炸破碎及噴射等一系列的微觀機(jī)制變化。

吳雪峰[18]等基于超短脈沖與材料作用的一維雙溫模型，并利用有限差分方法進(jìn)行分析，得到材料表層電子與晶格溫度隨時(shí)間變化規(guī)律，并從溫度角度分析飛秒激光加工彈簧鋼65Mn與K24高溫合金非熱熔性本質(zhì)，并探討了飛秒激光的燒蝕閾值和液相爆破理論。Povarnitsyn等[19]分別利用耦合雙溫模型的流體力學(xué)模型和分子動(dòng)力學(xué)模型對(duì)飛秒激光燒蝕金屬材料過(guò)程進(jìn)行仿真，指出分子動(dòng)力學(xué)仿真能夠精確地描繪燒蝕時(shí)亞穩(wěn)態(tài)液體金屬內(nèi)成核現(xiàn)象及氣液混合的動(dòng)態(tài)生成過(guò)程，為理解飛秒激光燒蝕金屬材料提供有效的模擬仿真。劉璇等[20]利用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)飛秒激光燒蝕金屬Ni進(jìn)行模擬仿真，研究了飛秒激光輻照下金屬Ni的熔化及蝕除動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

激光加工工藝參數(shù)對(duì)于加工質(zhì)量、效率、成本等有重要的影響。因此，各國(guó)學(xué)者對(duì)加工工藝參數(shù)展開了深入的研究，并且取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。研究的工藝參數(shù)主要有激光脈寬[21]、激光波長(zhǎng)[22-23]、激光能量[24-25]、脈沖個(gè)數(shù)[26-27]等。其中脈沖能量、脈沖個(gè)數(shù)、打孔方式以及材料特性等條件直接影響加工微孔的尺寸精度以及形狀精度。

此外，脈寬決定了單個(gè)脈沖與材料作用的時(shí)間，也是影響微孔加工的重要因素。隨著微孔質(zhì)量要求的不斷提高，將激光進(jìn)行時(shí)域整形以提高微孔的深徑比，已成為了學(xué)者們研究重點(diǎn)。通常隨著脈沖寬度降低，熱效應(yīng)減小，加工精度被極大提高。但隨著脈寬的進(jìn)一步減小，飛秒激光的非線性效應(yīng)也給微孔加工帶來(lái)了一定的負(fù)面效果，一定程度上制約了微孔的加工。

不僅激光加工工藝參數(shù)對(duì)于激光微孔加工有重要影響，激光加工微孔方式也會(huì)對(duì)加工微孔的類型、尺寸有很大影響。激光加工微孔方式[28]主要分為單脈沖加工、多脈沖加工、環(huán)切加工和螺旋打孔4類。單脈沖加工是飛秒激光發(fā)射單個(gè)脈沖打在加工材料，直接形成所需微孔，這種微孔加工方法效率極高，每秒可形成上千個(gè)孔[29]。但單個(gè)脈沖去除量有限，適合加工較薄材料或深度較小的盲孔。對(duì)于深度較大孔或是反射率較大的加工材料，利用單脈沖激光難以加工出質(zhì)量可靠的微孔。因此，需要多個(gè)脈沖的連續(xù)作用才能使得微孔深度不斷增加，即所謂的多脈沖加工[30-31]。將微孔加工與激光線切割結(jié)合[32-33]后形成環(huán)切加工。另外，螺旋打孔是將環(huán)切加工與深度方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，能夠加工出直徑較大的深孔。飛秒激光脈沖序列也被證明可以有效地加工非金屬材料的高深徑比微孔。

圖1 不同脈寬激光作用時(shí)材料內(nèi)能量傳遞示意圖Fig.1 Diagram of energy flow in materials under different pulse width laser

近年來(lái)，隨著飛秒激光加工微孔研究的深入，各國(guó)研究者發(fā)現(xiàn)飛秒激光加工環(huán)境（如真空、氣體、液體、化學(xué)環(huán)境等）對(duì)于微孔加工質(zhì)量、效率等有較大影響。2008年，Wynne分別在真空環(huán)境及空氣環(huán)境中進(jìn)行飛秒激光對(duì)銅材料的打孔試驗(yàn)，結(jié)果表明真空環(huán)境能有效提高加工質(zhì)量，加工效果如圖2所示，在真空環(huán)境下，孔周圍無(wú)明顯殘?jiān)蜔嵊绊憛^(qū)[34-36]。但是Kamlage等[37]在使用飛秒激光加工微細(xì)孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使不需要真空環(huán)境及后處理，仍能加工出高質(zhì)量的微孔。圖3即為他們研究團(tuán)隊(duì)在厚為1mm的不銹鋼板加工的通孔結(jié)構(gòu)。

圖2 150fs激光微孔入口顯微照片F(xiàn)ig.2 Entrance micrograph of a laser drilling with a pulse length of 150fs

圖3 飛秒激光深孔加工1mm厚不銹鋼薄片F(xiàn)ig.3 Femtosecond laser drilling 1mm thick stainless steel sheet

Rodden等[38]在金屬鈦上加工微孔，并對(duì)其中氣體輔助作用進(jìn)行了分析，研究表明，氣體對(duì)微孔形貌的影響十分重要，尤其盲孔和通孔之間的差別更大。2004年，Hwang等[39]在液體輔助的基礎(chǔ)上，利用超聲輔助方式，加速燒蝕產(chǎn)物從微孔內(nèi)部排出的效率。該方法可大大提高所加工微孔的質(zhì)量，同時(shí)提高加工效率達(dá)30μm/s。

此外，飛秒激光通過(guò)微爆炸可在透明介質(zhì)中形成空腔結(jié)構(gòu)[40-41]，與常規(guī)微孔結(jié)構(gòu)不同，這是一種通過(guò)擠壓成形且不涉及排屑的微孔方法。利用在介質(zhì)材料中“緊聚焦”激光出現(xiàn)的球差現(xiàn)象[42]，Kongsuwan等[43]在石英玻璃上獲得了空腔結(jié)構(gòu)。與利用球差形成空腔結(jié)構(gòu)不同，Toratani等[44]發(fā)現(xiàn)飛秒激光自聚焦現(xiàn)象在空腔狀微孔結(jié)構(gòu)的形成中起到了重要作用，加工出200nm的空腔結(jié)構(gòu)。

激光與水射流復(fù)合打孔技術(shù)

激光與水射流復(fù)合去除技術(shù)是激光與微細(xì)水射流的有益結(jié)合，簡(jiǎn)稱水導(dǎo)激光微細(xì)加工技術(shù)，原理如圖4所示，它是將高能激光束耦合進(jìn)微細(xì)水射流，水射流作為光纖使激光在水束內(nèi)形成全反射，實(shí)現(xiàn)在水射流的傳播，并由水射流將激光引導(dǎo)到工件表面而對(duì)工件進(jìn)行加工蝕除。該復(fù)合去除技術(shù)與干激光去除相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如切割后材料不存在熱影響區(qū)，熔渣排除更干凈，切割更深，切割精度高，具有很高的重復(fù)性，加工成本低等。

1993年，瑞士Richerzhagen[45]深入研究液束流導(dǎo)光現(xiàn)象并將這種技術(shù)成功用于材料加工，并在瑞士洛桑成立Synova公司，致力于水導(dǎo)激光切割系統(tǒng)的研發(fā)制造，目前研發(fā)的系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于Si、GaAs、InP、微細(xì)加工等領(lǐng)域。此后其他國(guó)家開始關(guān)注并相繼開展了水導(dǎo)激光加工技術(shù)的探索，目前除瑞士外，主要有美、中、德、英等國(guó)家對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。在國(guó)內(nèi)關(guān)于水導(dǎo)激光加工技術(shù)的研究起步較晚，2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Li等[46]率先成功地開展了該方向的研究，對(duì)相關(guān)理論和加工工藝進(jìn)行了深入的分析，圖5為初期試驗(yàn)裝置，耦合裝置直接與激光頭連接。不久，廈門大學(xué)詹才娟[47]和江蘇大學(xué)也針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了不同程度的探索?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的研究尚處于試驗(yàn)性階段，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備都有待完善。

圖4 水導(dǎo)激光加工技術(shù)原理圖Fig.4 Schematic diagram of water-jet guided laser machining

圖5 激光與水射流復(fù)合加工系統(tǒng)和加工狀態(tài)Fig.5 System of water-jet guided laser and the drilling process

激光與水束光纖的耦合是水導(dǎo)激光加工最為關(guān)鍵的部分，現(xiàn)階段較成熟的激光束處理方案是瑞士Synova公司提出的用光纖將激光束從激光器中引出，再經(jīng)雙透鏡聚焦進(jìn)行耦合，適用于多種場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)哈工大的試驗(yàn)裝置是將高斯激光準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)聚焦凸透鏡直接耦合進(jìn)射流腔體的噴孔位置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并實(shí)用[48]。廈門大學(xué)葉瑞芳等[49]用軸棱錐鏡對(duì)高斯激光進(jìn)行聚焦，實(shí)現(xiàn)無(wú)衍射光束與水射流的耦合。此外，激光在水中的散射也會(huì)導(dǎo)致激光強(qiáng)度的改變，當(dāng)激光功率高于相應(yīng)閾值時(shí)，會(huì)相繼發(fā)生受激布里淵散射、受激拉曼散射和受激熱散射等非線性光學(xué)過(guò)程，繼而影響激光與水束的耦合加工。Kray等[50]對(duì)激光耦合進(jìn)入水束后的非線性受激拉曼散射現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大功率密度的激光非線性受激拉曼散射現(xiàn)象明顯高于小功率密度的激光，且水束光纖的受激拉曼散射閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通光纖。瑞士的Richerzhagen[51]等針對(duì)溫度變化引起的水折射率改變，研究了靜水中的激光傳播熱散焦現(xiàn)象，建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

關(guān)于水導(dǎo)激光加工理論方面的研究較少。2002年，Yang等[52]對(duì)水導(dǎo)激光刻蝕硅片進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，綜合考慮了激光能量輸入、水射流的冷卻以及材料熔化和去除。與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Wang等[53-54]對(duì)水導(dǎo)激光加工進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并用ANSYS有限元軟件對(duì)不同材料打孔進(jìn)行了仿真分析，數(shù)值仿真和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比取得了很好的一致性。2011年，江蘇大學(xué)詹才娟等[55]用有限體積法對(duì)水導(dǎo)激光加工硅材料的過(guò)程建立了傳熱模型，對(duì)打孔過(guò)程中材料熔池內(nèi)部的液體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，通過(guò)數(shù)值模擬提出水導(dǎo)激光雙脈沖打孔工藝。

各國(guó)學(xué)者對(duì)于水導(dǎo)激光加工微孔的試驗(yàn)方面進(jìn)行了大量的研究，并且取得了很好的研究成果。2004年，Yang等[56]用水導(dǎo)激光加工方法對(duì)硅晶圓片進(jìn)行切割和打孔試驗(yàn)，避免了傳統(tǒng)加工在邊緣產(chǎn)生的微裂紋、碎屑和毛刺，而高的切割效率和切割形狀的靈活性更突出了水導(dǎo)激光加工的優(yōu)勢(shì)。哈工大王揚(yáng)等[57]對(duì)TC4薄板進(jìn)行了水導(dǎo)激光打孔工藝試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水導(dǎo)激光打孔的入口和出口邊緣熔渣堆積很少，沒有明顯的燒傷的痕跡，孔的圓度和通透性都較理想，如圖6示。Wagner等[58]分別用水導(dǎo)激光與傳統(tǒng)激光對(duì)150μm厚的不銹鋼進(jìn)行微孔加工，結(jié)果表明，相同加工效率下，水導(dǎo)激光加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)更小，加工后孔邊緣沒有毛刺且沒有燒傷痕跡，質(zhì)量明顯好于傳統(tǒng)激光加工出的微孔。

飛秒激光與激光水射流復(fù)合加工在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)制造中的明珠”，其性能的好壞主要受制于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的質(zhì)量，而渦輪葉片需要長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫的環(huán)境中，為了延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，必須對(duì)葉片進(jìn)行冷卻，葉片冷卻一般需要大量的氣膜孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這些氣?？卓讖胶苄?，位置精度要求很高[59]，且多為斜孔和不規(guī)則孔[60]，給加工制造帶來(lái)了很大的困難。

目前，葉片氣膜孔的加工方法主要有傳統(tǒng)的納秒激光加工和電火花加工。傳統(tǒng)納秒激光打孔效率高，打孔費(fèi)用低，但加工后不可避免地會(huì)產(chǎn)生再鑄層甚至微裂紋，小孔下方端口有熔瘤堆積，磨粒流難以去除。電火花加工的缺點(diǎn)是電極制作和修復(fù)困難，生產(chǎn)效率低，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生再鑄層。電火花與電解復(fù)合加工雖能夠去除熱影響區(qū)，但存在加工效率較低，加工精度不容易控制等問(wèn)題。

隨著飛秒激光技術(shù)的快速發(fā)展，飛秒激光加工葉片氣膜孔正逐步替代納秒和電火花加工氣膜孔，如圖7所示，為哈工大楊立軍等利用飛秒激光在鎳基高溫合金K24加工出的微孔，微孔的出口入口處不僅圓度高，而且孔壁無(wú)熱影響區(qū)。2008年，美國(guó)空軍將飛秒激光加工的方法應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的加工，尤其是應(yīng)用飛秒激光加工氣膜孔，這一新技術(shù)大大提高了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能并延長(zhǎng)了使用壽命。此后，德國(guó)、新加坡、日本、中國(guó)等國(guó)都認(rèn)識(shí)到了這一技術(shù)在未來(lái)超精細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景，相繼出臺(tái)了支持該技術(shù)發(fā)展的相關(guān)舉措。激光復(fù)合水射流加工技術(shù)目前大量應(yīng)用在微細(xì)加工中，在機(jī)械方面主要針對(duì)PCD、CBN、陶瓷、鈦合金等難加工材料的加工。圖8為哈工大王揚(yáng)、楊立軍等利用激光水射流加工TC4薄板打孔陣列和微納溝槽結(jié)構(gòu)，加工出的微孔入口和出口不僅熔渣少，而且沒有熱影響區(qū)，在電子方面主要應(yīng)用在加工半導(dǎo)體材料，如 Si、GaAs、InP 等，在不遠(yuǎn)的將來(lái)有望應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的精密加工等領(lǐng)域。

圖7 飛秒激光加工K24高溫合金進(jìn)出口及進(jìn)口局部形貌Fig.7 Entrance and exit topography of femtosecond laser drilling super alloy K24

圖8 激光水射流復(fù)合加工的TC4薄板微孔陣列Fig.8 Drilling array for TC4 sheet using water-jet guided laser

結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)外先進(jìn)制造領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們對(duì)微細(xì)孔加工技術(shù)的要求越來(lái)越高。飛秒激光與激光水射流復(fù)合加工技術(shù)在材料的精密微細(xì)加工上有著巨大的優(yōu)勢(shì)，能夠加工出沒有熱影響區(qū)、精度高、深徑比大的微細(xì)孔。因此飛秒激光加工與激光水射流復(fù)合加工被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等零件的微孔加工。當(dāng)前，飛秒激光與激光水射流復(fù)合加工仍面臨諸多挑戰(zhàn)，學(xué)者們圍繞著激光與材料相互作用的物理機(jī)制、數(shù)學(xué)模型，激光與水射流耦合機(jī)理，加工工藝參數(shù)優(yōu)化及激光設(shè)備集成化、小型化等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，在不遠(yuǎn)的將來(lái)飛秒激光加工與激光水射流復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

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