光纤激光器：航天领域激光钻孔的技术难点及对策

2013-07-27 08:48

　　激光钻孔技术应用于航空器及陆地（发电）应用的涡轮发动机组件上已有近45年的历史了，而对于汽车工程师、过滤设计师以及医疗设备制造商而言，激光钻孔技术已是其部件制造流程中不可或缺的一部分。

　　二、光纤激光钻孔技术初期研究成果

　　镱(Yb)光纤激光器是最常用于材料加工的光纤激光器类型。最初它们是作为连续波(CW)激光器开发出来的，后来虽然增加了脉冲功能，但其峰值功率仍与CW平均功率一样。这对切割和焊接应用非常有效，但却限制了钻孔效率。常用的Nd：YAG钻孔激光器的峰值为50 kW，而许多应用均使用20-35 kW脉冲的峰值功率。

　　位于马萨诸塞州牛津市的IPG Photonics应用实验室安装了Laserdyne 795系统后，Yb光纤激光器的使用重新引发了人们的兴趣。实验证明，利用20 kW CW光纤激光器可以通过冲击钻孔和穿孔工艺得出非常完美的孔质量。这一成果为Laserdyne Champlin应用实验室安装专门用于钻孔研究的15 kW CW Yb光纤激光器奠定了基础。

　　这一研究旨在获取额外的实用钻孔数据，以及确定下一阶段所需的激光器尺寸。但将Yb光纤激光器用于钻孔应用还存在一个重要的问题，即激光器成本。与光纤激光器的所有种种优势相比，其成本要高出5倍多；这在制造操作中可能行不通。

　　还有一种备选方案，就是制造与Nd：YAG激光器一样售价成本的准连续波(QCW)激光器。所需的QCW激光器尺寸范围将通过一连串测试决定。

　　三、研究结论

　　目前这一阶段的研究得出了以下结论：

　　1. 利用与Nd：YAG激光器参数最为相近的光纤激光器可完成钻孔，还可以通过一系列参数选项来提高产量和/或孔质量。

　　2. 利用光纤激光器提高光束质量并最终提高功率密度和降低光斑大小，对冶金学结果有极大影响。

　　3. 带热障涂层(TBC)材料的钻孔结果显示了分层性能得到极大改善。

　　4. 穿孔比冲击钻孔更为"实惠"，且前者的几何学、冶金学结果要优于后者。但是，质量提高是以产量下降为代价的，因为冲击钻孔的产量是1孔/秒，而钻同样一个孔穿孔工艺需要3秒，即时钻孔技术却可以以3孔/秒的速度实现同样的质量结果。

　　5. 存在一种可能性，即利用非常规的钻孔参数可以取得可接受的结果。例如，在1.45 mm厚TBC涂层材料上钻取直径为0.5 mm、与表面成30°角的孔。利用8ms的单束"长"脉冲，能够以0.10秒的速率完成钻孔。