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光學工程
光纖激光鉆孔在航天領域的應用

如今,光纖激光器已經成功吸引了眾多工業領域內激光器用戶的注意。在焊接、標記和切割應用中,光纖激光器成為標準化配置,并且值得我們注意的是,這一過程發生在很短的時間內。不過在渦輪發動機組件溢出冷卻孔的鉆孔應用上,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激光器在這一復雜加工工藝中的最新應用,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公司在全球范圍內安裝了超過750臺航天制造專用激光系統。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。

沖擊打孔是指激光器發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出激光脈沖,同時旋轉加工部件。孔的位置由旋轉速度和激光脈沖頻率決定,它們成函數關系。如果要求多束脈沖,可使用相關軟件(例如由Laserdyne公司的CylPerf軟件)來使部件的運動和激光脈沖保持一致,并確保每一束脈沖都準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行沖擊和鉆孔的應用。而超精密、可重復激光定位系統的出現,使得我們可以進行這種獨特、精準的旋切打孔。 

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化鉆孔的質量。較短的脈寬可能會限制單束脈沖可實現的最大能量;典型的脈寬范圍為0.5~2 ms。 

脈沖能量可以來區分鉆孔激光器與應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,但可能會對孔的質量帶來負面影響。一般而言,所需的脈沖能量由實驗結果、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: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。

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

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用的一種光纖激光器。最初它們是作為連續波(CW)激光器而被開發出來的,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50 千瓦,而許多應用的脈沖峰值功率一般為20~35 千瓦。

 位于馬薩諸塞州牛津市的IPG Photonics應用實驗室安裝了Laserdyne 795系統后,人們重新燃起了對Yb光纖激光器應用的興趣。實驗證明,用20 千瓦的CW光纖激光器進行沖擊打孔和旋切打孔,可以得到質量很理想的孔。這一初步成功使得Laserdyne Champlin應用實驗室又安裝了15 千瓦CW Yb光纖激光器,來專門用于鉆孔研究。 

他們的研究旨在獲取實際鉆孔應用中的額外數據,并且確定下一步所需要的激光器的尺寸。但是Yb光纖激光鉆孔應用還存在一個重要的問題——激光器的成本。雖然光纖激光器能帶來很多好處,但是它的成本要高出5倍多;所以在實際生產加工領域中這一技術可能行不通。 

另一種備選方案是用準連續波(QCW)激光器來加工,它的售價成本與Nd:YAG激光器一樣。所需的QCW激光器尺寸范圍可以通過一系列測試來決定。 

研究結論 

目前這一階段的研究的最終結論如下: 

可以利用與Nd:YAG激光器參數最為接近的其他光纖激光器進行鉆孔,并通過一系列參數選項來提高產量和/或孔的質量。 

提高光纖激光器的光束質量,可以提高功率密度和降低光斑大小,從而可以極大地影響冶金結果。 

對帶有熱障涂層(TBC)的材料進行鉆孔,結果顯示分層性能得到極大改善。 

旋切打孔比沖擊打孔更為經濟,而且旋切打孔的幾何學、冶金學結果要比后者更好。不過,質量雖然提高了,可是產量卻會下降。沖擊打孔的速度是1孔/秒,而用旋切打孔來鉆同樣的孔卻需要3秒,飛行鉆孔的速度可以達到3孔/秒,同時還能保持同樣的孔的質量。 

有這樣一種可能:用非常規的鉆孔參數可以得到不錯的結果。例如,在1.45毫米厚的TBC涂層材料上鉆直徑為0.5毫米且與表面成30°角的孔,利用8ms的單束“長”脈沖來鉆孔可以實現0.10秒的速度。 

使用9~12 千瓦范圍內的QCW激光器可以提高鉆孔的效率。事實上,當公布這一研究成果后,有一些有激光鉆孔需求的公司對此進行了深入研究。這些研究最終讓美國和歐洲的許多公司訂購這一激光系統。 

雖然研究結果是振奮人心的,但仍有一些尚待解決的問題。其中最重要的一個問題就是,在進行沖擊打孔和飛行鉆孔時,如何控制好孔的尺寸。這將是下一輪研究和測試所關注的一個部分。 

對這一項目感興趣的可以閱讀完整的報告。初始研究結果在以下地址:http://www.primapowerinterface.com/fldp/index.html,其中還包括作者的音頻。研究結果促使Laserdyne應用實驗室購買了一臺12千瓦QCW激光器以進行持續的應用研究。這些實驗尚在進行中,并將會以類似的方式進行報告。

 


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