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光纤激光器:航天领域激光钻孔的技术难点及对策

导读: 在工业加工领域,光纤激光器已成功吸引了许多激光器用户的目光。在激光焊接、标记和切割应用中,光纤激光器已成为标准化配置。值得关的是,光纤激光器走入应用这个过程只发生在非常短的时间内。但在涡轮发动机组件溢出冷却孔的钻孔上,光纤激光器遭遇了一些难以解决的问题。

  ——在工业加工领域,光纤激光器已成功吸引了许多激光器用户的目光。在激光焊接、标记和切割应用中,光纤激光器已成为标准化配置。值得关的是,光纤激光器走入应用这个过程只发生在非常短的时间内。但在涡轮发动机组件溢出冷却孔的钻孔上,光纤激光器遭遇了一些难以解决的问题。本文将与您一同探讨其个中缘由,并为您呈现Nd:YAG激光器在这种复杂加工工艺中的一些最新发现。

  一、Nd:YAG激光钻孔工艺

  利用Nd:YAG激光钻孔技术,可以在机器上加工出极小、极为精确且与表面成法角或极端角度的孔洞,可实现各种形状、方向加工,且适用于各种各样的材料,包括极难加工的航天合金。例如,Prima Power Laserdyne公司(Prima Power North America Inc.旗下)就已在全球范围内安装了750多台航天制造专用系统。最常使用的是高功率(200-400 W平均功率)脉冲Nd:YAG激光器。通过冲击钻孔(图1)或穿孔完成加工。在激光钻孔工艺中,高功率密度通过0.05 mm至0.75 mm的对焦光斑大小实现。

  冲击钻孔是指从激光器发出一束或多束激光脉冲,激光光束和加工部件都是固定的。是否需要多束脉冲,取决于加工的孔深。冲击钻孔的另一个变型是飞行钻孔,由固定的激光器向加工部件发出激光脉冲,同时旋转加工部件。孔定位是旋转速度和激光器脉冲频率的一个函数。如果需要多束脉冲,可使用相关软件(例如由Laserdyne开发的CylPerf软件)来同步部件运动和激光脉冲,确保多束脉冲准确射向所需的位置。通过更改激光脉冲能量,可以调整脉冲频率、镜头焦距、孔尺寸或锥度特性以满足孔设计要求。

图1. 左:泻流冷却孔的QCW光纤激光穿孔;右:利用Laserdyne BeamDirector 3

可轻松实现浅角撞击钻孔

  另一种钻孔工艺是穿孔。其中,加工部件保持静止,激光光束移动并通过切割形状来生成孔洞或特征。这种"钻孔"方式通常适用于同时进行冲击和钻孔的应用。而超精确、可重复性激光定位系统的问世,使得独特、精确的穿孔加工成为可能。

  激光器平均功率由脉冲频率、脉冲能量所决定,而功率又受激光器不出现性能下降的工作周期所限制。冲击钻孔工艺通常使用<100 W至400 W的平均功率。而脉宽的选择关系到钻孔的质量,较短的脉宽可能会限制单束脉冲可实现的最大能量;典型的脉宽范围为0.5-2 ms。

  脉冲能量是用以区分钻孔激光器与其他加工应用激光器的一项特征。脉冲能量越高,钻孔速度越快,但可能会对孔洞质量造成不利影响。大多情况下,所需的脉冲能量由实验结果、材料厚度、成分以及所需的孔直径所决定。

  对于特定的激光器装备,聚焦透镜将决定光斑大小。冲击钻孔工艺中的光斑大小与待钻的孔直径相关:对于较薄的材料(<0.5 mm),光斑大小几近等于孔尺寸;而随着金属厚度增加,可通过冲击钻孔实现的孔直径范围逐渐缩小。这时穿孔工艺(图2)就派上用场了。

图2. Laserdyne系统可提供独特孔/形状特征的穿孔性能

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