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光纤激光器为航空元件钻孔提供新选择
材料来源:激光世界           录入时间:2013/9/2 13:29:40

在航空航天工业中,现代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。涡轮叶片、导向叶片、燃烧室和复燃室都需要钻孔,而且往往需要在不同厚度的部件上,以各种不同角度钻出直径不同的孔,以便为部件提供冷却空气。这些部件由超合金制成,并且进行了多次陶瓷热障涂层(TBC)。

 

目前,市场上能满足商用和军用发动机制造商需求的钻孔产品较为缺乏。灯泵浦NdYAG激光器是最主要的产品,并且其已经主导了航空航天钻孔市场长达数十年之久。随着光纤激光器技术的发展,最近航空航天工业正认真考虑在生产线中引入光纤激光器。

 

圆孔可以通过两种方法加工——冲击钻孔(percussion drilling)和环形切割成孔(trepanning),其中冲击钻孔将激光聚焦到所需要的开孔尺寸;而环形切割成孔是用激光切割出圆孔。这些孔的直径范围从0.010~0.250英寸,厚度大于0.5英寸,入射角从30°到小于10°。此外,还有一些部件(如燃烧室)需要更多的切割细节信息。

 

用于冲击钻孔的NdYAG激光器通常具有200W的平均功率,而峰值功率高达20kW。当冲击钻孔时,典型的激光脉冲持续时间为600μs~1ms,峰值功率为10~20kW。一些孔需要20J的脉冲能量,这将脉冲重复频率限制到10pps。这些激光器可以在更长的脉冲持续时间下运转,因此脉冲更少、钻孔速度更快;然而重铸层趋于增加,又使其难以满足孔的规格要求。

 

当使用冲击钻孔时,需要多个脉冲,并且通常需要一些额外的脉冲确保孔被穿透和出口处的尺寸。所需要的脉冲数量随着材料的厚度而变化,例如,燃烧室钻孔需要的典型脉冲数量为5~7个。如果孔之间的距离较近,则操作必须非常谨慎,因为过多的热量积聚可能导致热障涂层的分层。在实际操作中,许多孔是以极快的速度钻出的,以尽量减少热量产生,防止产生热障涂层分层。

 

环形切割成孔是燃烧室钻孔应用所采用的另一种加工技术。相比之下,这种加工方式速度较慢,但是这种方法加工出的孔具有更好的一致性和更好的散热特征。这种加工方式不需要返工,而冲击钻孔则可能出现返工的情况。

 

导向叶片和涡轮叶片通常采用冲击钻孔,虽然也有一些厂商更喜欢环形切割成孔方法。钻孔过程中要防止背板受损。导向叶片和涡轮叶片通常充满了各种各样的材料,以防止激光损坏背板。在钻孔过程完成后,填充材料可以取​​出。各发动机制造商所采用的填充材料不尽相同。

   
光纤激光器的竞争优势
    光纤激光器可以复制NdYAG激光器的工艺参数,并提供明显的速度优势,大大降低了维护成本,并有机会改善工艺参数。标准的20kW光纤激光器可以在20kW的连续功率下运行,频率大于5000Hz。然而,这些激光器相当昂贵,使得充分利用其高重复频率变得较为困难。IPG已经开发出了专门用于航空航天钻孔应用的新一代光纤激光器,提供高峰值功率和低平均功率。目前,IPG可提供峰值功率9~20kW、连续波(CW)工作功率900W~2kW的五种型号的产品。

    
来自航空航天公司的众多应用试验,已经展示了光纤激光器的重要优势。不同于NdYAG激光器,光纤激光器的脉冲持续时间可以增加,以用单个脉冲钻孔,满足航空航天领域要求的每秒钻出50~100个孔的目标。光纤激光器的脉冲持续时间范围3~10ms,并且仍然满足重铸和微裂纹规范要求,而利用NdYAG激光器,则需要多个脉冲完成。之所以能获得这样的结果,是因为光纤激光器的输出脉冲是一个保持峰值功率的方波,没有拖尾形成重铸,而这是脉冲NdYAG激光器无法实现的。光纤激光器还在焦点处提供了顶帽轮廓,不会形成重铸,而使用NdYAG激光器则有这种情况发生。

    光纤激光器可变的脉冲持续时间,开辟了一种新的控制方式。使用光纤激光器钻孔,可以对脉冲持续时间的参数进行编程,限制背板受损;而不需要在孔钻出后利用额外的脉冲精修(这将引发背板受损的担忧)。横截面分析表明,当使用多个激光脉冲钻孔时,如果激光束在穿透材料之前停止,在盲孔的底部具有一个顶帽轮廓。在用NdYAG激光器进行的类似测试中,孔的底部轮廓更趋于高斯分布,具有一个热中心部分,因此难以实现直径较大、并且仍满足出口处规格要求的孔。光纤激光器能够钻出满足规范要求的通孔,无需再使用额外的脉冲。

    光纤激光器还可以产生脉冲串,而这是灯泵浦NdYAG激光器所不能实现的。例如,光纤激光器可以通过编程,以较低的脉冲能量和更短的脉冲持续时间穿透热障涂层;而当激光脉冲穿透材料的过程,可以增加功率和脉冲持续时间;随后在钻出通孔前再次对其编程,以最小化对背板的冲击。光纤激光器的这些参数之所以能快速改变,均源于单发射体泵浦二极管的动态性能。

    在航空航天燃烧室钻孔试验中,采用环形切割成孔方法,光纤激光器的钻孔速度是NdYAG激光器的10倍以上。光纤激光器能够以更高的速度钻出更加高度一致的孔,这样制造商便可以利用环形切割成孔方法钻孔,而不再采用冲击钻孔(见图1)。

        
    图1:在航空航天燃烧室钻孔的试验中,采用环形切割成孔方法,光纤激光器的钻孔速度是NdYAG激光器的10倍以上。有了高速环形切割成孔方法,制造商就不必再使用冲击钻孔方式了。


    许多航空航天组件还需要切割更大的特征。使用光纤激光器,可以快速转换到CW运行模式,提供高达2kW的连续输出功率,能够实现高质量、高速切割,而这是利用脉冲NdYAG激光器所无法实现的。

    光纤激光器钻孔的其他优势
    另一个感兴趣的领域是使用光纤激光器的方波输出。初步的研究已经显示,利用单个脉冲,可以在焦点处产生一个较大的方形入口孔以及一个圆形出口孔(见图2)。方形孔与圆形孔的比例可以通过光学调整(见图3)。在其他试验中,光纤激光器也能够很容易地钻出椭圆孔。在一个高速旋转的圆形部件中,有可能实现高重复频率的长脉冲钻孔。当然,这些过程尚需要进一步的研究测试,有可能会实现引擎设计者所需要的更快的钻孔方法。
        


     图2:在航空部件钻孔测试中,来自一个正方形输出的光纤激光器产生的10ms的单脉冲,可以在焦点处产生一个大的方形入口孔。
         


     图3:利用方波输出的光纤激光器,初步研究显示,利用单个脉冲,可以在焦点处产生一个较大的方形入口孔以及一个圆形出口孔(见图2)。方形孔与圆形孔的比例可以通过光学调整(比较ab)。

     从机械的角度来看,光纤激光器的使用引发了一些重要的考虑因素。由于光纤激光器的吞吐量和快速切换能力,使得用同一个光纤激光器驱动多个工作站更加具有吸引力。光纤激光器采用光纤传输,消除了旋转的光学元件,免去了很多繁琐的准直工作,这将为某些航空航天应用开辟使用机器人运动系统的考虑。目前,机器人技术已经在编程和准确性方面取得了重大进展,其有望应用到未来的航空航天钻孔平台中。



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