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光纤激光器应用于航空元件钻孔

2013-09-11 09:01
Minor昔年
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  ——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Nd:YAG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Nd:YAG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Nd:YAG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Nd:YAG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Nd:YAG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Nd:YAG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Nd:YAG激光器则有这种情况发生。

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