激光束钻孔（LBD）是一种高精度的先进加工技术，广泛应用于航空工业（叶片的薄膜冷却孔）[1]、电力电子领域（电镀层的铜箔）[2]和汽车工业（燃油喷射器喷嘴）[3]。这些行业对孔的规格要求非常严格，包括直径（100–800微米）、锥度（零锥度或负锥度）、圆度（误差不超过0.02毫米）和长宽比（10:1）[4]、[5]、[6]。所使用的材料通常是难以加工的材料，如镍基超级合金和钛合金[7]、[8]、[9]，使用传统方法实现高精度钻孔存在挑战。
传统的钻孔方法[10]、[11]、[12]通常存在一些缺点，如钻孔精度较低（包括圆度[13]和几何误差[14]、[15]）、由于机械-热耦合损伤导致表面质量不佳[16]、[17]和残余应力[18]、材料去除率较低[19]、刀具形状影响钻孔几何形状[20]以及刀具磨损严重[21]。相比之下，激光束钻孔（LBD）提供了一种非接触式钻孔方式，可以减少工件应力、消除刀具磨损并减少加工缺陷[22]、[23]。此外，LBD特别适合制造具有高精度要求的小孔或具有特定几何形状或长宽比要求的孔[24]。
为了在LBD过程中实现精确的孔几何形状，选择合适的激光发生器工作模式是一个关键因素[25]、[26]（图1）。激光发生器可以分为不同的工作模式，如连续波（CW）激光、准连续波（QCW）激光（毫秒级脉冲持续时间）和短脉冲激光（纳秒、皮秒、飞秒级脉冲持续时间）[27]。CW激光常用于加工难以加工的材料，如C/SiC、CFRP和高温合金[28]、[29]、[30]，因为它们的平均功率较高。CW激光钻孔的主要机械机制是从激光光斑中心喷射熔化材料[31]、[32]、[33]，这会导致钻孔表面出现重新固化的液滴（飞溅物）或烧蚀颗粒的沉积[34]，可能需要高压气体喷射[35]或超声波振动[35]、[36]来辅助。QCW激光通常具有毫秒或微秒级脉冲持续时间，提供极高的功率密度，能够高质量快速钻孔陶瓷材料[37]。QCW激光钻孔过程可能涉及两种不同的钻孔机制：高功率初始脉冲引起的绝热蒸发和低功率能量沉积导致的熔化[38]、[39]。与脉冲激光钻孔相比，连续激光或准连续激光钻孔具有更高的材料去除率和平均功率[40]。然而，钻孔过程中的强烈热效应可能会影响孔的几何精度和表面质量[41]，因此脉冲激光钻孔更适合对孔几何形状有严格要求的应用[42]。
不同脉冲激光钻孔过程的加工机制和效果主要由脉冲持续时间决定[43]、[44]。具体来说，纳秒激光通过熔化物质和能量吸收动态实现钻孔[45]，这是一种热烧蚀过程，与CW和QCW激光相比，产生的热影响区（HAZ）较小[46]。此外，研究人员已经开发出模型来预测和补偿纳秒激光钻孔过程中的HAZ区域[47]、[48]。Wang等人[49]基于热传递和几何数学开发了一个简化模型，通过实验验证，其误差范围在坑尺寸和再铸层深度上为2.56%至18.91%。该模型有助于预测激光烧蚀金属表面并优化工艺参数。Chen等人[50]开发了一个进化模型，用于预测铝合金在纳秒激光烧蚀下的微坑轮廓，重点关注正常蒸发和相爆炸现象，为高精度钻孔工艺补偿提供了理论支持。与纳秒激光钻孔相比，飞秒激光烧蚀通过快速能量传递到电子系统[51]实现，导致非热过程和多种材料去除方式，包括剥落、成核、破碎和蒸发[52]、[53]、[54]。飞秒激光广泛用于纳米级微结构制造以及LIPSS（激光诱导周期性表面结构）制造[55]、[56]、[57]。然而，由于飞秒激光成本较高且材料去除率较低[58]，并且先前的研究表明使用纳秒激光可以改善钻孔表面质量[59]、[60]，因此本研究选择了纳秒激光。
获得理想孔几何形状的另一个关键因素是选择合适的激光束钻孔方法，该方法可以根据钻孔过程中激光束的运动方式（固定或移动）进行分类。对于固定激光束钻孔，典型的例子有单脉冲激光钻孔（SPD）和冲击激光钻孔（PLD）。SPD在加工薄部件或具有特定尺寸的孔时效率较高[61]、[62]、[63]，但由于再铸层、飞溅物和锥度效应等问题，难以实现高精度[43]、[64]、[65]。Chen等人的研究[66]表明，高功率密度的长脉冲激光可以导致材料熔化和喷射，从而形成再铸层，但由于其厚度和锥度角的限制，应用潜力有限。另一方面，脉冲激光钻孔（PLD）通过一系列激光脉冲去除材料，从而形成具有不同锥度角的孔[67]、[68]、[69]、[70]、[71]。Jiao等人的研究[72]指出了PLD中的固有锥度效应，使得精确控制锥度变得困难，从而影响孔几何形状的控制。
对于移动激光钻孔技术，激光环钻（LT）和螺旋钻孔（LHD）更适合获得精确的孔几何形状。在LT过程中，激光束沿工件呈螺旋轨迹运动，逐层从表面向内部去除材料[73]。LT能够有效切割孔而不仅仅是钻孔，从而形成具有可控锥度的高质量孔[74]，特别是在需要较大直径时。相反，已有大量研究证明了移动激光束钻孔的优越性。Zhang等人[75]介绍了一种利用振镜技术的激光环钻系统，该系统能够制造直径在0.2至0.6毫米之间、锥度为4°的孔。然而，保持聚焦激光束在精确位置的一致方向仍然是振镜钻孔的一个关键挑战，导致孔锥度存在位置依赖性。Han等人[2]优化了激光加工参数以减少振镜钻孔中的锥度，但仍然存在最小的2.55°锥度。此外，在钻孔微小直径的孔时，长时间的小角度运动会累积控制电机中的误差，可能影响整体加工精度。
为了提高对孔几何形状的控制，研究人员研究了新的光机械系统设计。Foehl等人[76]开发了一种基于四楔形的光学系统，可以在0.2毫米至0.6毫米的范围内调整孔直径，从而生产出高质量微孔，且再铸层厚度显著减少（95%）。Li等人[77]报告了另一种使用两步钻孔方法的平行板配置，以提高孔质量。然而，控制锥度（尤其是负锥度）仍然具有挑战性。为了进一步改进旋转系统，Fornaroli等人[78]提出了一种基于Dove棱镜的LHD系统，能够制造直径在50至300微米之间、锥度在-15°至+15°之间的孔。Dove棱镜作为唯一的旋转部件，使激光束旋转速度提高了两倍，使其成为本文讨论的配置的合适选择。
基于以上内容，目前激光环钻钻孔的主要焦点是通过实验验证移动激光钻孔设备。然而，研究人员在建立通用模型以分析激光轨迹和预测孔几何形状方面关注较少。此外，现有的光机械系统缺乏考虑HAZ对孔几何形状预测影响的补偿方法。因此，本文旨在提供一个新的通用分析模型，用于确定光机械系统内的激光传播轨迹。所提出的模型可以指导光机械系统的配置设计，实现可控的激光倾斜方向和位移距离，并获得更广泛范围内的孔几何形状。
