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光纤激光器的精密穿孔应用

2009-04-30 11:40
野明月
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        联合攻击战斗机的喷气引擎上包括超过120万个孔,许多是薄膜冷却孔,对于引擎运行来说至关重要,在温度升高时起到减少燃料消耗的作用。对于这些孔的加工,引擎制造商非常重视孔径尺寸的重复精度。
        

 
 
 


        对重复精度的衡量是标准差(ð)。对于设计直径DO=500 µm的孔,激光冲孔的结果目前具有的直径标准差为ð≈20 µm。激光穿孔目前可达到ð≈15 µm。对于高斯误差分布和120万孔来说,表1显示出当加工孔数量为NI,直径为D时的结果在从 (DO - 1) 到 (DO + 1) 的区间内,而加工孔数量为NO,则处于该区间外,尤其是尺寸过小孔数量的关键值Nu在该区间之外。原因是高斯分布是对称的,而NU= N0。
        用于分析流体穿过小孔的Hagen-Poiseuille方程显示出流速同DO成一定比例。图1绘出了加工DO =500 µm加工薄膜的冷却流速的归一化结果, 与ð之间的关系,一个误差的区间是D≤DO - 5 ð和NU =1。在这个案例中,归一化的流量方程由以下公式定义:
        

 


        





        从图1中可知,对于ð =20 µm和NU=1, =0.41或仅达到设计薄膜冷却流的41%时。一个尺寸不足的孔的附近,缺乏冷却流可能导致过热以及毁灭性的发动机失效。对于 min=0.8来说, ð 必须少于5.42 µm。对于 min= 0.9来说, ð ≤2.61 µm。最后,如果要求 min= 0.95,那么ð ≤1.28 µm。激光钻孔标准差的足够缩减显然是很重要的。
        LFI公司对于500 µm的精密穿孔目标是:
        (1)ð ≤10 µm在2008年达到
        (2)ð ≤5 µm在2009年达到
        (3)ð ≤2 µm在2010年达到
        为了阐述这些目标的意义,当ð = 2 µm, = 0.92,或达到设计薄膜冷却流的92%时,仅仅在每个发动机上加工一个孔,将带来5×2 m=10 µm的尺寸减小。随着该单孔的流量缩减8%,这将实现完美的激光钻孔重复精度。
        
        精密激光穿孔
        LFI公司很快将安装一台精密激光穿孔系统,其中包括:一台200瓦单模式光纤激光器,一个精密穿孔头,一套机器人运动系统,一台零件上料盘和一个防护罩。接下来的分析和初始测试可获得文件系统参数和性能。
        激光钻孔能通过打孔法或旋切钻孔法得以实现。采用光纤激光系统进行穿孔的优势如下。假设我们准备穿孔得到直径为DO 圆柱体孔,和表面呈 角。我们定义四项无维度的数量:
        

 


        







        图2a和图2b显示出 =1和 =0.2时的螺旋穿孔。
        从图2的几何形态得到:
        

 


        


        表2中列出了ą = 0.1和DO =500 µm情况下的ß ,Γ和Δ的数值。
        ß =0.2得到在直径500 µm激光穿孔圆周上按可见光波长顺序得到的最大尖端高度。当降低到ß =0.1时不会导致可测量的质量改善,但会使穿孔时间加倍。
        根据LFI公司的经验,激光的峰值辉度 是激光钻孔时应当考虑的最重要的参数。
        

 


        对于单模式光纤激光,辉度分布H(r)为高斯分布。峰值由以下方程给出:
        

 


        




        表3中显示出在五种激光钻孔方式的辉度值 。最有效的方法出现在第四种——使用光纤激光器进行材料去除,这种方法将材料加热到超高温度并汽化,以高速喷射出去。出于下面讨论的原因,我们选择Ĥ ≈70MW/cm2。
        在生产工作中,通常需要在一个工件上加工多个孔,此时 的变化范围在10o - 90o;sin 的范围是0.17 - 1.00;穿孔点区域的差异参数为5.75;的范围从70MW/cm2, =90o 到约为12MW/cm2, =10o 。当选择 =70MW/cm2, =90o 使得最优的第四种穿孔优于一系列范围的偶然的角度,而无需针对每个孔来调整激光参数。这一数值还确保了在 =90o 时,有30%的安全边际能抵消等离子体吸收带来的影响。
        

 
 


        当脉冲间距相对材料熔化并凝固的时间足够小,除了最初的激光脉冲外的所有脉冲都接触到了熔化的表面。对于狭窄的穿孔边缘表面的应力使得熔化的金属以激光束为轴向形成了正态分布曲线的形状,因此产生的脉冲尽管初始角度可能小到 =10o ,仍可接触到拟正规的熔化金属表面。当进行此类穿孔时,激光穿孔点区域的差异参数可达5.75。这种重要现象解释了为何低功率光纤激光开始以锐角穿孔时会产生问题,源于不足的初始辉度。通过选择d, =70MW/cm2,整个流程保持在第四种状况。
        基于LFI的经验,最佳值为 ≈0.1。如果 太大,就需要去除更多的材料,将更多的能量传递给工件,扩大热影响区,光纤激光功率,尺寸和成本。如果Α太小,穿透的切口太狭窄,则被切下的部分在 <45o 时将留在孔中。
        
        穿孔流程
        LFI公司将很快利用精密螺旋穿孔技术。在这里,激光脉冲频率必须和穿孔头的运动同步。使用预先编程的软件来实现需要的几何路径,使得最初和最后的激光脉冲能加工出内缘和周线,从而避免缺陷。
        我们使用辉度限制来优化得到 ≈0.1。
        最小化残余的穿孔尖端高度以实现快速穿孔时间的优化 ≈0.2。从经验上看,孔的质量在以下情况得到提高:采用M=1来进行穿孔,M=2来清理孔,约15%的周长作为导入阶段,另一个15%作为导出阶段防止出现缺陷。在M=2.3时得到出色的孔质量。
        根据我们之前的定义:
        

 


        


        激光脉冲频率F与穿孔头进行了同步。在脉冲间隔 t≡1/F,点移动的距离为 。平均速度为 ≡ / t = F = DOF;因为受到穿孔头动态参数的限制,因此U≤Umax,从而得到:
        

 


        


        用于穿孔的激光脉冲的数量为N=nM,此处n =每一轨道激光脉冲的数量,且M=每孔中轨道的数量。柱形孔周长为C= DO,因此,n=C/ = DO / DO= / ,从而得到:
        

 


        


        进行圆柱体穿孔的最优化的脉冲数量独立于孔的直径。孔的周长同DO成比例,但是 也同样和DO成比例,因此直径在方程中被消去。穿孔时间为:
        

 


        




        注意到穿孔时间也与孔直径相对独立。
        激光穿孔效率通过使A ( L, T, )保持最大值得到提高。这通过选择足够短的跨脉冲区间来确保熔化的材料不会在两个脉冲间重新固化。这使得F约为1kHz时对于大多数金属来说都达到最低边界值。F的最大边界值通过穿孔头的动态参数限制而设定。
        
        预测试结果
        光纤激光器测试在2008年1月进行,用于估计穿孔性能。在所有的案例中:
        (1)测试材料采用镍基合金(Hastelloy)X
        (2)所有的孔都采用穿孔方式
        (3)DO=457 µm
        (4)输出光纤并未通过机械臂固定
        

 
 


        二十个孔被打在0.015英寸厚的测试带上,另外二十个孔则被打在0.030英寸厚的测试带上。最后,10个测试孔被打在喷气发动机挡板上。所有的孔都在一台ROI公司出品的OMIS II光学检测系统上得到测量。一个X-Y平台以及非精密穿孔头被用于这些测试当中。
        在0.015英寸厚的Hastelloy X测试带上,孔的直径平均为468.6 µm;公差为11.6 µm。这些孔直径的标准差为 =10.2 µm,在不使用精密穿孔头的条件下几乎达到了LFI公司在2008年目标。在0.030英寸厚的Hastelloy X测试带上,平均直径的公差是7.0 µm,标准差是 =4.8 µm。这一出色的初期结果已经超越了LFI公司在2009年的目标。
        
        2008年2月,还使用GSI公司的JK 100FL光纤激光器测得附加的测试数据。首先,36个测试孔以正常的概率穿透于0.025英寸厚的Hastelloy X测试带。另外36个测试孔则打在厚度为0.050英寸的Hastelloy X测试带上。所有的72个测试孔都未采用精密穿孔头生成。
        图3显示出厚度0.025英寸的平面Hastelloy X测试带上的穿孔效果。这里, =2.37µm。这一卓越的结果几乎达到了LFI在2010年的目标。通过使用精密的穿孔头,LFI可能获得 <2 µm的结果。据我们所知,这将代表精密激光穿孔领域的一项新的世界标准。通过使用60瓦光纤激光器,以及d=25µm, =3.76µm,用于在0.050英寸厚的Hastelloy X测试带上打出36个入孔。同样使用60瓦功率, =3.68 µm用于在同一根测试带上打出36个出孔。图4显示了一个打在0.050英寸厚Hastelloy X测试带上的穿孔的截面放大图。显而易见,其效果是几乎平行的孔壁和没有任何倾角及毛边。
        
        结论
        ≈0.1是用于精密激光穿孔的最佳参数。
        =0.2最小化了残余的尖端高度,同快速穿孔相符合。
        M=2.3在最小化穿孔时间的同时提高了孔的质量。
        螺旋穿孔避免了在每个孔的周线上出现不需要的缺陷。
        光纤激光器提供了出色的光束质量,更小的焦点,更长寿命以及优秀的脉冲-脉冲稳定性,最小化维护需求,可忽略的维修成本,低能耗,简易的冷却,减少了占地面积,以及更简单的携带性。
        预测试已经显示出在无需优化穿孔头的条件下,穿孔直径的标准差可达到2.37 µm。

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