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激光钻孔技术在航空领域的应用与发展

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航空燃气涡轮上的叶片、喷管叶片、燃烧室等部位都需要冷却，所以这些部件的表面要被打上数以千计的孔来保证这些部件的表面被一层薄薄的冷却空气覆盖。这层冷却空气不仅能增加零件的使用寿命，而且可以提高引擎的工作性能。目前使用的喷射引擎的气体温度可以达到2000°C，这个温度已经超过了涡轮叶片和燃烧室材料的熔点，现在用边界层冷却方法解决这个问题。通常每个航空零件上孔的数量从25个～4万个不等，冷却气体可以通过零件上的小孔覆盖整个零件表面来隔绝外界温度，从而达到保护作用。冷却孔可以用EDM加工，也可以用激光加工。虽然EDM方式可以加工出质量合格的小孔，但是加工效率明显低于激光加工方式，此外EDM还有一些其他缺点。脉冲Nd:YAG激光器是目前航空航天领域钻孔应用的首选，主要是基于以下几点考虑： 1.06µm的波长对于材料有很好的作用效果。高脉冲能量和峰值功率的特性非常适合这种应用。能快速在各种材料表面上（包括有耐热涂层的材料）加工出高深宽比的冷却孔。在航空领域中有两种基本的激光打孔方法：套孔和脉冲钻孔。套孔是用激光脉冲先在孔的中心位置钻孔，然后激光束移动到孔的圆周或者零件旋转来加工出一个孔；而激光脉冲钻孔既不需要移动激光束，也不需要旋转零件，只是靠连续的激光脉冲来加工出孔。孔的直径可以在加工时通过能量大小来控制。激光脉冲钻孔是航空工业中非常重要的应用技术，它大大缩短了零件加工的周期时间。在加工对称结构的零部件（如燃烧环、燃烧室等）时，加工时间还能再进一步缩短。激光的脉冲频率与工件的转动频率同步，激光脉冲完全同步地以特定排列来加工出所有的孔。这种“飞行钻孔”（drill on-the-fly）技术缩短了加工时间，但是加工出的孔的质量通常并不理想。孔的质量至关重要。激光加工的孔的质量可以通过多个指标来判断。首先，从几何要素方面考虑，有孔的圆度、锥度和入口直径的变动。从金相方面考虑，则有重铸层和氧化层等。重铸层是指熔化的金属没有由于激光脉冲产生的气压而喷射出来，而是留在了孔内，最后在孔壁留下了薄薄的一层固态金属涂层，这层金属表面会产生微裂纹，并直接蔓延到本体。劳斯莱斯航空公司为氧化层和重铸层设定了可接受的最大厚度，在工件使用之前，工件上的孔的几何尺寸具有可接受的最大偏移值范围。其他航空公司更多地是关注通过零件的气体流动性，进而判断孔的质量。各个航空公司所使用的标准都在在不断改进，以提高孔的质量。目前，所有加工航空零部件的钻孔方法大都采用直接光束传输系统，由于许多技术方面的原因，光纤出光系统在激光钻孔方面的应用发展非常缓慢。其中有两个主要问题，一个是相对低的光纤损坏阈值，另一个是传输的光束质量，光纤直径会导致光束质量恶化。当M2= 25或更好时，使用正确的脉冲参数就能生产出合格的孔。光纤应用系统比光束直接传输系统有以下优点：光纤激光束传输系统为CNC机床上的激光传输提供了选择；光纤使能量均化带来“顶帽”（top hat）特性，改善孔的圆度和一致性；光纤传输脉冲钻孔技术在高质量穿孔中大大缩短加工时间，有利于提高生产效率，降低加工成本。钻孔测试下面将讨论使用高峰值功率（可达20kW）脉冲Nd:YAG激光器分别在直接光束传输和光纤传输系统中的脉冲穿孔应用，分别在镍基合金上用不同的激光和激光参数打孔，从而研究其重铸层、锥度、氧化层裂缝、加工时间等参数范围。激光器用JK704激光器来做直接传输光束钻孔测试。JK704激光器可提供很高的峰值功率（见表1）和很好的脉冲稳定性，非常适合加工小径孔（0.25～0.90mm）。这台激光器的高斯光束质量（见图1）、增强的控制和脉冲整形特性，为加工包括具有隔热涂层材料在内的航天材料提供了更大的灵活性。（图片）图1：JK704 的光束质量表 1：JK704 的激光参数（图片）光纤传输钻孔测试将用GSI 最新的高峰值功率脉冲激光器JK300D来完成。这台激光器有很高的峰值功率和top hat特性（见图2），是脉冲钻孔航空合金材料的理想选择。（图片）图2：JK300D的Top hat 光束特性 JK300D激光器发出的光束在芯径300μm、长10m的光纤中传输，通过160mm的右角度准直系统和光学聚焦镜输出。激光参数见表2。表2：JK 300D 的激光参数（图片）钻孔测试参数用两种激光系统分别采用各种激光和工作参数（见表3）进行钻孔测试，并通过这些参数来比较两种激光系统分别在航空镍基合金上钻孔的表现。表 3：钻孔测试参数（图片）结果与讨论由于零件设计者首先考虑的是要有充分的气流量通过冷却孔、以达到冷却作用，而气流大小主要由零件表面上孔的大小和形状决定，因此要严格控制孔的尺寸、圆度和锥度。此外还要考虑一些其他因素，因为孔和孔之间位置相对较近，任何孔的尺寸偏差都有可能影响到该区域上的其他孔，从而导致零件局部偏差。除了重铸层和热机影响区外，也不允许出现过分的锥孔和表面凸起。钻孔时间两种激光器在2mm厚的材料上加工一个垂直孔的时间均不超过0.5s。图3和分别图4显示了用光纤传输系统加工与表面成10o和20o孔的时间。从图中可以看出，用160mm长焦距和直径300µm的光斑，比120mm焦距的光束加工时间要短。图中也显示了脉冲宽度和加工时间的相关性。长脉冲宽度和脉冲能量更高的激光打孔，要比短脉冲宽度和脉冲能量较低的激光打孔速度快。（图片）图 3：不同脉冲宽度时的钻孔时间 (与表面成20 度角, JK300D, O2 辅助) （图片）图4：不同脉冲宽度时的钻孔时间 (与表面成10 度角, JK300D, 300µm光斑，O2 辅助)。再用JK704 LD1激光器来演示这个实验，实验结果见图5、图6。JK704 LD1的光束质量（M2=8）要好于JK300D的（M2=16）光束质量，其加工时间会更短。高质量的光束可以达到更长的焦距（200～250mm），并能保证快速钻孔的能量密度要求。使用长焦距激光的主要优点在于可以减少加工过程中产生飞溅损伤，从而延长保护镜片的寿命。除此之外，高质量的光束还可以提供更好的焦深，从而为各种工件或运动系统提供更大的误差范围。（图片）图 5：不同脉冲宽度时的钻孔时间 (与表面成20 度角, JK704LD1, O2 辅助)。（图片）图6：不同脉冲宽度时的钻孔时间 (与表面成10 度角, JK704LD1, O2 辅助)。锥度图7和图8展示了用JK300D和JK704LD1两种激光器分别在2mm厚的材料上加工不同角度的孔的典型锥度。虽然两种系统产生的锥度非常相似，但是可以看出，使用光纤传输系统加工出的孔的圆度要比使用光束传输系统加工出的好，因为光纤能使激光分布更均匀。图9展示了用两种激光器加工出的孔的截面图。从图9中可以看出，用两种激光加工出的垂直孔的锥度在深度方向上并不一样，尤其是孔的中心位置变化很大，激光参数不同引起了锥度差异，激光峰值功率密度也对孔的形状产生了影响。研究表明，表面凸起的产生，主要是在孔的中心部位，而且更多是发生在高能量密度的情况下。由此推测，可能是因为等离子体的形成明显减少了在孔成型过程中蒸发带走物质的作用。在表面上加工一个锐角孔时没有表面凸起产生，这可能是因为光斑在一个角度被拉长、而使能量密度减弱的缘故。（图片）图7：锥度与峰值功率 (JK300D) （图片）率 (JK704LD1)。（图片）图 9：两种系统的钻孔比较重铸层除了氧化层，重铸层是激光钻孔在金相方面的主要特点。用光纤传输系统在加工与表面成90o的孔时，重铸层的典型厚度约为25～35µm。这个厚度与用直接光束传输系统加工的情况非常类似。此外，用两种激光器加工时，氧化层的厚度都在10～15µm的范围内。如果在表面上加工一个锐角孔，那么重铸层的厚度会随位置变化而显著变化。在入口处会有更厚的重铸层，这可能是由于在脉冲钻孔过程中大量熔化了的材料从这个地方喷出时遗留下来的。小结 GSI 公司自从上世纪80年代以来就致力于为航空工业生产激光钻孔机，并且JK704激光器已经在工业激光钻孔领域确立了标准。此外，其新的高功率光纤传输激光器比直接光束传输系统又提供了更多优点： ·结构简洁、低成本、功率高。 ·满足航空领域的钻孔（直径0.4～0.8mm、厚度大于6mm）需求。 ·能实现理想的加工圆度。 ·光束质量高，可通过300mm光纤传输。典型的焦距范围在120～160mm，具有高速材料切除率、加工浅角度孔、焦深好、加工过程中有效减少因溅射产生的光学器件损耗等优点。 ·能加工与表面最小成10o的孔。 ·激光集成简单，可以机器人传输，采用多路分时技术。 ·飞行钻孔技术。 11/7/2009


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