摘要：今天学习短脉冲与超短脉冲激光微钻孔技术，涉及激光烧蚀机制与钻孔质量优化，从这几个方面进行介绍：材料、机理、方法、物理场辅助&应用。

春节前最后一篇学习文章，提前祝各位新年快乐！

今天学习短脉冲与超短脉冲激光微钻孔技术，涉及激光烧蚀机制与钻孔质量优化，从这几个方面进行介绍：材料、机理、方法、物理场辅助&应用。

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应用背景

随着小型化产品需求激增，从航空航天的精密部件，到电子设备的微小元件，各行业对微孔加工的需求持续攀升。以航空航天为例，发动机叶片的冷却微孔、燃油喷射系统的精细喷嘴孔，都要求高精度、高质量的微孔制造技术。在电子领域，印刷电路板（PCB）上的微孔，随着电子产品不断向小型化、多功能化发展，其孔径越来越小、密度越来越高，传统加工方法难以满足需求。

与此同时，传统微钻孔技术面临诸多挑战。机械钻孔存在排屑困难、润滑不足的问题，难以加工深微孔；电火花加工（EDM）虽然能加工导电材料，但电极损耗大、材料去除率低，且会影响孔的质量；电化学加工（ECD）在维持电解液浓度和排出腐蚀材料方面存在困难，不适用于深微孔加工；超声加工（USM）则因磨料颗粒对工具的反复冲击导致工具磨损严重。相比之下，激光微钻孔技术具有独特优势，它能在导电和非导电材料上快速加工微孔，不受材料硬度和成分限制，加工效率高、灵活性强，使其在制造业中得到广泛应用，成为现代精密制造的关键技术之一。

*微孔加工及应用

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激光微钻孔：工艺

基本原理

激光微钻孔（LBMD）是一种非传统钻孔技术，通过聚焦透镜将激光作用于特定表面区域，利用热能去除材料，从而实现微结构加工，如微凹坑、微沟槽和微孔。

材料去除

①光热阶段：在此阶段，光子能量转化为晶格振动能，使材料熔化和蒸发。同时，产生等离子体和反冲压力，有助于材料排出并形成微孔。

②光化学阶段：也称为非热烧蚀，激光能量直接破坏原子键，而不引起温度变化。

激光波长的影响

能量特性：

根据光电效应方程及激光波长与频率的关系可知，单光子能量与激光波长成反比。紫外波长较短，单光子能量大，能直接打破化学键，以 “冷加工” 方式去除材料；红外波长较长，单光子能量小，通过分子共振使材料热运动加剧，实现热烧蚀去除。当入射光子数量足够时，紫外激光也会发生光热转换，产生热烧蚀。

加工质量与效率：

①用不同波长纳秒激光加工碳纤维增强碳化硅材料，1064nm激光烧蚀阈值小，易去除材料，但热影响区大；355nm激光加工质量好，热影响区小，但烧蚀阈值大。

②加工薄柔性玻璃时，1030nm激光有效切割速度快但质量差，343nm激光加工质量优但速度慢，515nm激光则兼具质量和效率。

*激光-材料作用机制

*激光-材料作用：脉冲宽度的影响

03

材料去除机制：短脉冲&超短脉冲

基于激光脉冲宽度不同，激光脉冲可分为长脉冲（微秒级）、短脉冲（纳秒级）、超短脉冲（皮秒和飞秒级）。

①长脉冲激光材料去除率高达27.4mm3/min，但热影响区大；

②短脉冲激光加工质量和精度优于长脉冲激光，但仍存在热影响等问题；

③超短脉冲激光能改善热影响区、重铸层和裂纹等缺陷，不过材料去除率较低，约为0.054mm3/min。

短脉冲激光烧蚀

能量吸收与传递：

金属含大量自由电子，短脉冲激光照射时，部分能量被反射，剩余能量被自由电子吸收，通过逆轫致辐射机制激发。因脉冲持续时间大于电子冷却期（约1ps），激发电子经碰撞将光子能量传递给晶格。晶格冷却慢，通常需数百ps弛豫，电子激发一般在几皮秒内弛豫，这与材料热导率和界面热阻有关。

材料去除过程：

在100-200ns之间，因等离子体羽流空间膨胀使蒸汽密度降低，等离子体羽流与材料表面分离，促使烧蚀材料排出。此外，电子的冷却时间短于脉冲持续时间，激光脉冲结束后晶格和电子达到热平衡，因此激光能量主要通过热传导进入材料。

*短脉冲激光烧蚀

超短脉冲激光烧蚀

激光与材料相互作用：

超短脉冲激光与材料表面作用时间极短（小于电子冷却时间），能量密度高，材料去除机制与短脉冲激光不同。

激光脉冲作用于金属表面时，自由电子通过逆轫致辐射机制吸收能量，瞬间被加热到很高温度，随后大量自由电子在约0.1皮秒内逐渐热化。约1ps时，加热的电子通过与金属离子碰撞将能量传递给晶格，此时加热的电子因静电吸引从晶格结构中引出金属离子，导致固-汽转变，即烧蚀过程。

*超短脉冲激光烧蚀机制

由于离子和电子质量差异大，电子-晶格碰撞传递的热能较少，晶格温度低，因此超短脉冲烧蚀也被称为“冷烧蚀”。

在超短脉冲烧蚀中，电子和晶格温度不平衡，材料特性（如热导率和电子-晶格耦合）在材料去除中起关键作用。

*超短脉冲激光烧蚀

材料烧蚀差异：

在脉冲能量为10µJ的超短脉冲激光烧蚀过程中，不同材料表现出不同的烧蚀效果。

例如不锈钢和TC4钛合金，烧蚀深度分别为90nm和1000nm。不锈钢的电子热导率为80.2W/m.k，电子-晶格耦合系数为1.3*1018；而TC4钛合金分别为 6.7W/m.k和4*1017，导致不锈钢在相同烧蚀条件下形成更浅的凹坑。

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烧蚀阈值

烧蚀阈值

指烧蚀材料所需的最小激光能量密度或激光通量。

为实现有效去除，所提供的激光通量必须等于或高于烧蚀阈值。Liu等人开发了一个经验模型，通过激光通量与烧蚀直径之间的线性关系来评估烧蚀阈值。烧蚀阈值计算公式为 ：

其中，Eth为材料的烧蚀阈值，w0为光斑半径，D为烧蚀孔直径，E为峰值激光通量。

峰值激光通量（E）计算公式如下：

其中，Ep为激光脉冲能量。

其中，P为平均激光功率，f为脉冲频率。

对D2和ln(Ep)进行对数拟合，以获得烧蚀阈值。当D2=0时，可得到单脉冲烧蚀阈值。

*D2与峰值激光通量对数的关系

不同激光通量下材料表面形态变化

激光通量是影响钻孔质量的关键参数。激光通量影响钻孔质量，不同阈值通量下材料表面形态不同。

亚阈值通量时，初始激光脉冲使材料亚表面形成纳米空洞，随脉冲增加空洞长大，最终形成纳米孔，脉冲数增多还会形成火山口状凹坑；近阈值通量时，压力波导致剥落或机械烧蚀，形成细长空洞，后续脉冲使空洞打开剥落，凹坑内粗糙度较大；超阈值通量时，单个脉冲温度高于材料熔点，10-20个脉冲照射后，凹坑内形成波纹状微观结构。

*不同激光通量和脉冲数下超短激光辐照情况

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激光微钻孔：方法

激光微钻孔的常见工艺有两种：轮廓迂回法和复制法。

复制法

即激光头与工件都保持不动，通过调节激光头和工件的距离寻找到最小的光斑或最好的焦点位置后，在此距离使用连续的激光照射加工区域。

在工业应用中，激光有单脉冲叩击法和多脉冲叩击法两种形式。因多脉冲叩击法的打孔效果更好，所以在工业加工领域更为常见。

轮廓迂回法

即工件保持不动，通过光学系统控制激光束在工件表面进行移动。轮廓迂回法可分为旋切法和螺旋扫描法两种。

①旋切法加工时，激光头会根据设定好的路径进行移动，从而获得圆整度较高的小孔或诸如正方形、三角形、多边形的异形孔。而在加工高深径比的微孔时，使用螺旋扫描法更为有效。

②螺旋扫描法，即使用多脉冲叩击法的同时，激光源沿设定好的螺旋路径和速度移动。可以通过调节速度和螺旋路径来改变微孔的深度以及锥度。

*激光微钻孔方法

基于激光脉冲持续时间和孔尺寸，可进一步分为：

①微钻孔：采用微秒和纳秒短脉冲，加工直径小于1mm的孔；

②纳米钻孔：采用短于1ps的激光脉冲，加工直径200-600nm的孔；

③精密钻孔：采用飞秒激光脉冲，用于高质量钻孔。

激光扫描方法

利用振镜控制激光扫描路径，不同扫描路径对钻孔质量影响不同。

*振镜扫描系统示意图

连续扫描路径：如同心圆、锯齿形、线性连续和线性不连续，通过逐层去除材料来提高钻孔质量。

同心圆：激光束先聚焦于预设孔中心，再以圆形路径扫描，能提高孔的圆度和降低表面粗糙度。

锯齿形：因额外移动的路径，材料去除率高、锥度小，与同心圆扫描路径相比，生成通孔的钻孔时间可减少51.8%。

线性连续：激光束双向线性移动，可改善孔圆度，但会导致台阶效应和表面粗糙度增大。

线性不连续：激光束单向扫描，路径不连续，材料去除量少，钻孔时间比其他路径长。

*不同激光扫描路径示意图

双旋转切割法

激光束连续围绕孔周移动并同时旋转自身，由于热传导到周围材料中，可减小热影响区，减少相互作用区的热沉积。

*双旋转激光切割法

交错扫描法

是另一种形式的顺序同心圆扫描方法，通过周期性改变扫描顺序，减少热积累，减小热影响区。

*激光切割示意图：a)激光钻孔方法 b)顺序扫描法-扫描顺序无变化 c)交错扫描法-扫描顺序改变

双光束反向错位扫描法

对于较厚的材料钻孔，如孔径大于10mm，可采用双光束反向错位技术。该技术使用两个激光束从工件两侧钻孔，相比单光束激光钻孔，能使钻孔时间缩短50%。

*双光束反向错位扫描法

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激光微钻孔：表面及孔形缺陷

*激光钻孔几何特征及表面缺陷

鼓包和孔锥度

鼓包：是由于材料从孔腔中喷出，导致孔壁材料侵蚀而产生的。

孔锥度：则是因为激光钻孔时汽化和熔化材料的喷出，使得孔的入口和出口直径不同。

①使用Nd:YAG激光对Inconel镍基合金和钛合金进行激光微钻孔时，随着脉冲频率增加，锥度角呈下降趋势；

②对Hastelloy合金进行实验时，增加占空比可减小锥度角。

孔圆度

圆度是评估激光钻孔质量的重要参数，它反映了孔的形状与完美圆形的接近程度。激光钻孔过程中，由于材料的不均匀熔化和汽化，会导致孔的形状不规则。

研究表明，增加重复率和脉冲持续时间可提高激光钻孔的圆度。

孔圆度计算公式：

孔圆度

*测量孔圆度的示意图

飞溅和重铸层

飞溅和重铸层是激光微钻孔中常见的表面缺陷。

飞溅：是指激光钻孔时，未完全从孔腔中喷出的汽化或熔化材料重新凝固并沉积在孔入口附近。

重铸层：由于熔化材料未正确喷出而附着在孔内壁表面形成的一层与母材机械性能不同的脆硬材料，含有氧化物夹杂和微裂纹。

①使用毫秒激光对钛合金进行激光微钻孔时，随着激光功率和脉冲宽度增加，飞溅沉积先增加后减少。

②使用纳秒激光在1mm厚的铜片上钻孔时，较高激光强度下会形成更多重铸层。

*激光钻孔：TC4钛合金孔入口侧附近沉积了飞溅物

*激光钻孔：镍基高温合金孔壁内形成重铸层

飞溅和重铸层的后处理：

酸洗可以去除铜箔激光烧蚀产生的飞溅和重铸层。将材料浸入浓度为37%的HCl中，采用超声波清洗5分钟，酸洗后用水冲洗样品并风干。

*酸洗前和酸洗后

微裂纹

微裂纹是由于钻孔表面与基材之间的温度梯度变化引起的。

微裂纹的存在会降低钻孔部件的使用寿命，因其可能从重铸层扩展到基材中。研究发现，将介质从空气改为水可降低温度梯度，从而减少微裂纹的形成 。

热影响区

热影响区是指在激光加工过程中，靠近钻孔或加工表面的区域，该区域在加工过程中未熔化，但由于强烈加热和冷却导致微观组织发生变化，其物理、化学和机械性能也会有所不同。

①对低碳钢进行激光切割时，随着激光功率增加，热影响区面积增大；增加扫描速度则会减小热影响区。

②脉冲频率增加时，热影响区厚度会减小。

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激光微钻孔：物理场辅助

水基超声辅助

盲孔加工阶段，在超声振动的作用下，熔融材料获得更大的动能，因而从微孔中排出。孔内的水会使微孔出口封闭，导致大量飞溅物从入口排出。同时，由于水的冷却作用，会形成更大的熔滴，并在超声振动和水流产生的反冲压力作用下从微孔出口排出。

提高材料去除率：主要利用超声振动改变孔内压力，以促进更多熔融材料的排出。由于水层较薄且加工速度快，水射流钻孔产生的反作用力对材料去除的影响极小。

此外，超声波提高了材料去除效率以及不同方向上钻孔成型的均匀性，从而减小了圆度偏差，微孔入口处的圆度偏差降低约21.9%，出口处降低约33.5%，同时还能降低其他方面的缺陷。

*不同阶段示意图：a)熔化并产生羽流 b)形成喷射 c)盲孔形成 d)通孔形成 e)水基超声振动辅助激光钻孔

水基磁场辅助

①对镁合金钻孔时，水层厚为2mm时，磁场辅助会使微孔深度变小、直径变大。

②在高磁通密度下，等离子体屏蔽效应减弱，加工效率提高，孔出口扩大，入口减小，锥度降低约24.63%，侧壁粗糙度降低约38.38%。

*不同环境下激光微钻孔截面

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激光微钻孔：不同材料

有色金属

铜：铜因高反射率导致激光钻孔困难且成本高。

①激光能量在铜表面多次反射和发散会导致锥度角增大，且激光强度增加时，孔的平均深度增加，入口侧重铸层高度降低。

②对基板施加直流电可改善孔质量。

③使用高峰值功率脉冲可减少重铸层和微裂纹。

*纳秒激光照射铜的 SEM 显微照片

*直流电对激光钻孔的影响：a)不加直流电 b)加直流电

铝：铝及其合金在诸多行业应用广泛，但高反射率和热导率使其激光加工颇具挑战。

①脉冲激光钻厚铝板可减少热影响区，降低激光功率、增加脉冲持续时间和降低脉冲频率可减小孔锥度。

②脉冲频率和持续时间会显著影响孔直径和孔锥度。

*铝板：a-b)空气中钻孔 c-d)水中钻孔

黑色金属

钢：

激光脉冲钻孔不锈钢时，材料去除机制主要包括加热、熔化和汽化，较高的激光脉冲强度可提高材料去除率。

激光参数对孔圆度、孔锥度、飞溅和热影响区有显著影响。如脉冲持续时间和峰值功率显著影响低碳钢孔的圆度和锥度角，而脉冲频率对不锈钢孔圆度和孔锥度影响较大。此外，水下钻孔及多物理场辅助加工技术可提高孔质量。

*低碳钢&不锈钢：孔锥度与圆度影响因素

*不锈钢空气中激光钻孔：a)入口 b)出口

*不锈钢激光钻孔+喷射电化学加工：a)入口 b)出口

难切削材料

镍基高温合金：激光微钻孔应用于镍基高温合金时，存在孔锥度、重铸层和飞溅沉积等缺陷。采用高频率和高功率可减少此类缺陷，控制焦点位置能控制孔直径，不同辅助气体对飞溅形成有不同影响，高温涂层可减少微裂纹和分层。

钛合金：钛合金机械钻孔较为困难，激光微钻孔是加工钛合金的潜在技术。

*激光切割钛板

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激光微钻孔：应用

汽车发动机喷油嘴制造

汽车发动机喷油嘴的孔质量会影响燃油雾化和喷射模式，进而影响发动机效率和排放。激光微钻孔可加工出圆度好、锥度低、碎屑少且内壁光滑的微孔，其钻孔时间为0.8-2s（孔径0.15-0.2mm，厚度0.25-0.35mm），比电火花加工快十倍 ，是汽车行业生产喷油嘴的可行选择。

医疗领域

在心脏支架制造方面，美国每年约有200万个支架植入患者体内。激光切割因灵活性高、产量大、加工时间短，成为制造复杂设计支架的首选，超短脉冲激光可实现高质量微切割，无需后处理。

电子领域

在喷墨打印机喷嘴制造中，惠普部分型号打印机采用激光钻孔技术，如Deskjet 800C和Desk Jet 1600C使用28µm直径的激光钻孔喷嘴，分辨率达600dpi，优于传统电铸方法。

在印刷电路板（PCB）制造中，激光钻孔可加工微盲孔，满足产品小型化需求，如皮秒激光能加工直径4µm、孔间距8µm的微盲孔，比20µm尺寸的纳秒激光钻孔提升6.7倍。

*皮秒激光在PCB上钻孔

其他领域

在微流控装置制造中，激光钻孔可在玻璃等材料上加工无碎屑、无热损伤的微端口。

在涡轮叶片气膜孔加工方面，激光微钻孔是在镍基高温合金叶片上加工冷却孔的常用技术，长脉冲激光加工速度快但有缺陷，超快激光能减少热影响区和重铸层。

在废水处理的微滤器制造中，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发的激光钻孔微型塑料过滤器，含有5900万个直径10µm的微孔，其采用多光束工艺，用超短脉冲激光系统实现同时钻孔。

*涡轮叶片气膜孔加工：a)叶片表面 b)气膜冷却 c)集成冷却

【文献信息】

热忱欢迎参加我们在2025年5-27-29日举办的两机展和激光在两机（飞机发动机和燃气轮机）中的应用大会。

来源：江苏激光联盟