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光纤激光器将对航天钻孔产生重要影响
作者:IPG Photonics
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当代航天工业中,涡轮发动机的制造过程中通常需要钻出数量多达成千上万的孔。这些孔被钻成不同的形状、厚度和大小,分散在涡轮发动机的叶片、螺旋桨、汽缸、燃烧室中,从而用来给各种器件散热。这些由超耐热不锈钢制成的器件表面覆盖着若干层热障涂层(TBC)材料。如今的钻孔技术还满足不了引擎制造在商业和军事方面的需求,光纤激光器的出现弥补了这个不足且使钻孔工艺水平得到提高。

当前的钻孔方式主要使用了灯泵浦Nd:YAG激光器,这种技术用于航空工业中钻特殊形状的孔已有数十年。通过将激光聚焦从而得到所需要的孔状(冲击钻)或者通过切屑圆孔的方式(套钻)来得到不同大小形状的孔。这些孔的直径从0.1″到0.25″,厚度超过5″,切入角从30°到小于10°。此外,一些特殊零件例如燃烧室设计需要更高的切屑要求。

尽管灯泵浦Nd:YAG激光是主流的钻孔方式而且在航空领域应用已有数十年,但光纤激光器的出现已经在航空工业领域相关应用方面引起了足够的重视。

冲击钻孔所用的Nd:YAG激光器一般平均功率是200W,其峰值功率可达到20kW。与此同时,激光脉冲宽度一般从600微秒到1毫秒,伴随的峰值功率为10-20kW。

一些孔要求脉冲功率为20焦耳,这一限度的脉冲重复率为10pps。这些激光的脉冲持续时间可以更长并产生更快的钻孔速度。然而,再生层的趋势使得形成特定规格孔状变得越来越难。

当使用冲击钻时,需要多重脉冲来钻孔,通常需要额外的脉冲用来保证穿破和孔口形状。对于钻一个燃烧器来说,脉冲变化的数量要求5-7个之间,取决于实际厚度。操作中必须注意,如果孔之间间隔太小了,热量积聚太多很容易使热障涂层分开。实际上,在动态钻孔过程中,燃烧室要求7个回转来完成钻孔,以减少加热和防止分层。套钻是另一种燃烧室钻孔方式,它比较慢,但是零件的表面会有更多呈现一致性的孔,同时流动特征非常好,又能避免像冲击钻那样出现返工的情况。在套钻过程中,激光的脉冲峰值一般定在一个较短的脉冲宽度,这样激光加工才能实现更高的重复率。

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叶片、螺旋桨的钻孔通常采用冲击钻模式,但也有些制造商青睐套钻。背侧钻击需要重点考虑其最小距离。通常填充了大量的材料物质,以阻止激光损坏后侧,因背侧钻孔过程中可移除,不同的引擎制造商所用的填充材料不一样。

光纤激光器

光纤激光器能够很容易的达到Nd:YAG激光器加工过程的各种参数指标,而且,光纤激光器具有高速、极大地降低维护成本的优势,并提高加工参数标准。20kW的光纤激光器在连续功率为20kW和调制频率>5000Hz时可实现运作。这种激光器价格昂贵,难以发挥高重复率的优势。专门为满足航空钻孔需要而研发的一款新型准连续QCW高脉冲能量光纤激光器应用而生。其具有极其出色的脉冲功率和能量稳定性,同时兼具高峰值功率,极佳的光束质量和优异的加工表现,这些均超过了当今航天工业钻孔的要求。此款光纤激光器提供5 种型号, 峰值功率涵盖从9kW-20kW、实际连续功率从900W-2kW。同时成本效益也远远低于传统的灯泵浦Nd:YAG激光器。

在航空公司进行的大量的应用试验已经证明了光纤激光器具有的重大优势。不同于Nd:YAG激光器,光纤激光器的脉冲宽度可被提高来以一个脉冲生成符合航空规格的孔,每秒可钻50->100个孔。脉冲宽度从3-10毫秒,但仍然符合重铸和微裂要求,这如果用Nd:YAG激光器,需要多重脉冲才能完成。由于光纤激光器输出脉冲是矩形波,保持的峰值功率贯穿了脉冲,这些都是脉冲Nd:YAG激光器不具备的。

当使用光纤激光器时,不同的脉冲宽度会形成一种新的控制特征。不同于在穿透之后采用额外脉冲排列孔的大小,以提高对背侧钻击的关注,现在,一个新的脉冲宽度参数可被编程并限制背侧的损坏。截面分析表明,当使用多重脉冲激光来钻孔时,如果激光在盲孔底部钻透前停止了,那么其形状将呈现顶盖轮廓。在类似实验中采用Nd:YAG激光器,底部的孔轮廓呈现一个高斯型热中心,这种曲线很难形成更大直径的孔,不过仍然满足当前需要的要求。而光纤激光器在钻透时其孔大小恰好满足特定规格要求。

光纤激光器钻孔的优势:

因光纤芯径形状如图中所示,可以获得更圆更一致的孔;
聚焦的顶盖模式可以使热影响区最小化;
矩形脉冲可以维持峰值功率的脉宽;
可以实时调节光斑大小、功率和脉宽以产生新的加工参数;
卓越的光束质量可以允许长焦距的使用到达难以进入的区域;
光斑大小保持不变成为功率或能量的一个函数;
避免了灯泵的更换和谐振腔校准;
大大降低了加工过程的运作成本;
共用一个共振器可以完成切割、钻孔、焊接等加工操作。

光纤激光器可以轻而易举的达到甚至超过Nd:YAG激光加工过程的参数,由于顶盖模式的光束和矩形波脉冲结合,光纤激光器运作中重复率更高而单脉冲能量更低。光纤激光器可以产生连续脉冲而灯泵浦则不可能做到。例如:激光可以以一个较低的脉冲功率和较短的脉冲宽度渗透TBC层,增加功率和脉冲宽度,然后在钻透前最小化背侧钻击。由于动态的性能和单发射器泵浦二极管的灵活性,这些激光参数是可以随时调制的。

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当使用套钻模式进行航空燃烧室加工实验时,光纤激光器被证实其加工产出量是Nd:YAG激光器的10倍。这点很重要,鉴于光纤激光器产出套钻的孔具有更高的一致性以及更快的速度,制造商可以选择套钻而不是冲击钻。

许多大的航空零件需要进行更大的细节切割,光纤激光器可以随时切换成CW模式,在2KW高能量下实现高质量高速度的切割,而这些都是Nd:YAG激光所不能及的。

另一个优势是矩形传输光纤的使用。初步研究实验显示,在一个脉冲内,聚焦可生成一个大的矩形孔入口孔和一个圆的出口孔。从方孔到圆孔的系数是可以进行光学调整的。在其它一些实验中是很容易钻取椭圆孔。这是可能的,因为光纤激光器的长脉冲钻孔结合高旋转速度作用于圆形零件,同时重复率很高。这些过程需要进一步的研究和实验,很可能会产生一种引擎制造商需要的更快的塑孔方式。

系统

从机械领域的观点来看,光纤激光器的应用开创了一个新的纪元,由于其输出功率和快速转换能力,使其变得更具吸引力。不同于传统激光器通过镜片进行精密准直,光纤激光器通过一根柔性集成的光纤传输能量,可以与机器人进行完美集成。现代机器人进入了编程和精确要求的时代,这些都是未来航空钻孔平台所需要的。

结论

这种新型准连续QCW高脉冲能量光纤激光器可提供较好的成本效益,替代当前的Nd:YAG激光器。这款光纤激光器被证实可以达到或超越当今航空部件钻孔要求的标准,同时也为航空工业提供了一种提高当前生产效率的机遇选择,同时也能提供更高质量的钻孔。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (4/15/2014)
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