学术研究报告：超短脉冲激光在厚金属零件零锥度快速钻孔中的新方法

作者及发表信息
本研究由法国阿尔法诺夫光学与激光技术中心（Alphanov, Technological Centre for Optics and Lasers）的G. Mincuzzi、M. Faucon和R. Kling合作完成，发表于2019年的期刊《Optics and Lasers in Engineering》第118卷，页码52-57。

学术背景
本研究属于激光精密加工领域，聚焦于超短脉冲激光（ultra-short pulse laser）在高厚度金属零件钻孔中的应用挑战。传统激光钻孔在高厚度（>1 mm）材料中面临锥度（tapering）控制困难、深径比（aspect ratio, AR）受限等问题。尽管超短脉冲激光结合螺旋切割头（trepanning head）技术已能实现零锥度或负锥度钻孔（AR>10），但在厚度超过1 mm的材料中仍存在效率下降和加工质量劣化的问题。本研究旨在提出一种混合钻孔工艺（hybrid drilling process），通过优化光束倾角、焦点位置等参数，在2 mm厚不锈钢（316L）上实现零锥度、高深径比（AR=10）的高质量钻孔，并分析加工过程中的热效应和碎屑影响。

研究流程与方法
1. 实验设计与设备
- 激光系统：采用Amplitude公司生产的Tangerine飞秒激光器（波长1030 nm，脉冲宽度350 fs，重复频率200 kHz，最大平均功率20 W），脉冲能量设定为65 μJ（部分实验为2–30 μJ）。
- 螺旋切割头：配备光束旋转（20,000 rpm）和倾角调节功能（β=±200 mrad），焦点直径25–28 μm，能量密度11 J/cm²。
- 材料与厚度：不锈钢316L样品，厚度分别为0.9 mm、1.2 mm、1.5 mm和2 mm。

1. 混合钻孔工艺开发

   • 工艺序列：结合冲击钻孔（percussion）、螺旋扩孔（spiraling）和环切（trepanning）三步骤（表1）。
     
     • 冲击钻孔（0.5 s）：初始穿孔，深度约350 μm。
       
     • 螺旋扩孔（分三步，每步4 s）：逐步扩大孔径至目标直径（250 μm）。
       
     • 环切（1 s）：精修孔壁，确保几何精度。
       
   • 焦点动态调整：针对厚度>1 mm的样品，采用自上而下（top-down）策略，分阶段将焦点下移（400 μm、800 μm、1200 μm），以改善深孔加工效率。
     

2. 关键参数优化

   • 光束倾角β：通过调节β（0–150 mrad）控制锥度，β=135 mrad时实现零锥度（图1）。
     
   • 脉冲能量：低能量（2 μJ）导致浅层烧蚀，高能量（30 μJ）引发底部不规则（图4），最终选择65 μJ平衡效率与质量。
     

3. 数据分析与表征

   • 几何测量：光学显微镜测量入口（d_in）和出口直径（d_out），计算锥度角θ。
     
   • SEM分析：观察孔内壁的周期性表面结构（LIPSS）和热影响区（HAZ），发现多孔层和微通道（图5）。
     
   • FFT分析：LIPSS周期为851±22 nm（图6），表明偏振分量残留效应。
     

主要结果
1. 薄板（0.9 mm）钻孔：单次混合工艺（13.5 s）可实现零锥度（θ=0.1°），AR=4.5（图1）。
2. 厚板（1.2–2 mm）挑战：
- 单次工艺导致出口不规则（δ=28 μm），需重复工艺（n=5）改善，但耗时增加至>60 s（图2）。
- 焦点下移策略显著提升质量：2 mm样品中，AR=10、θ=0.5°的孔仅需32 s（图9）。
3. 碎屑与热效应：
- 深孔中碎屑堆积引发等离子体丝化（plasma filamentation），导致微通道（图5d）。
- 热影响区（HAZ）局限于入口500 μm内，晶粒尺寸数微米（图10）。

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了超短脉冲激光在厚板钻孔中的碎屑滞留效应与热积累规律。
- 提出动态焦点调整和混合工艺序列，为高深径比钻孔提供了可复用的参数框架。
2. 工业应用：
- 在32 s内完成2 mm厚不锈钢零锥度钻孔（AR=10），效率优于电火花加工（EDM）等传统技术。
- 适用于航空航天、微流体器件等高精度领域。

研究亮点
1. 创新工艺：首次将螺旋切割头与动态焦点策略结合，解决厚板钻孔的锥度控制难题。
2. 跨厚度适用性：同一工艺适配0.9–2 mm厚度，无需更换设备。
3. 微观机制解析：通过SEM和FFT明确了LIPSS形成机制与热影响边界。

其他发现
- 低脉冲能量（2 μJ）下烧蚀深度浅，但高能量（30 μJ）导致出口质量下降（图4），说明能量选择需权衡效率与精度。
- 多孔层的发现（图5b）为后续研究激光-材料相互作用提供了新方向。

（注：专业术语如trepanning head、LIPSS等首次出现时标注英文，后续使用中文译名。）