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光纤激光器对航天钻孔的重要影响分析

2013-12-13 09:46
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  当代航天工业中,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。这些孔被钻成不同的形状、厚度和大小,分散在涡轮发动机的叶片、螺旋桨、汽缸、燃烧室中,从而用来给各种器件散热。这些由超耐热不锈钢制成的器件表面覆盖着若干层热障涂层(TBC)材料。如今的钻孔技术还满足不了引擎制造在商业和军事方面的需求,光纤激光器的出现弥补了这个不足且使钻孔工艺水平得到提高。

  当前的钻孔方式主要使用了灯泵浦Nd:YAG激光器,这种技术用于航空工业中钻特殊形状的孔已有数十年。通过将激光聚焦从而得到所需要的孔状(冲击钻)或者通过切屑圆孔的方式(套钻)来得到不同大小形状的孔。这些孔的直径从0.1″到0.25″,厚度超过5″,切入角从30°到小于10°。此外,一些特殊零件例如燃烧室设计需要更高的切屑要求。

  尽管灯泵浦Nd:YAG激光是主流的钻孔方式而且在航空领域应用已有数十年,但光纤激光器的出现已经在航空工业领域相关应用方面引起了足够的重视。

  冲击钻孔所用的Nd:YAG激光器一般平均功率是200W,其峰值功率可达到20kW。与此同时,激光脉冲宽度一般从600微秒到1毫秒,伴随的峰值功率为10-20kW。

  一些孔要求脉冲功率为20焦耳,这一限度的脉冲重复率为10pps。这些激光的脉冲持续时间可以更长并产生更快的钻孔速度。然而,再生层的趋势使得形成特定规格孔状变得越来越难。

  当使用冲击钻时,需要多重脉冲来钻孔,通常需要额外的脉冲用来保证穿破和孔口形状。对于钻一个燃烧器来说,脉冲变化的数量要求5-7个之间,取决于实际厚度。操作中必须注意,如果孔之间间隔太小了,热量积聚太多很容易使热障涂层分开。实际上,在动态钻孔过程中,燃烧室要求7个回转来完成钻孔,以减少加热和防止分层。套钻是另一种燃烧室钻孔方式,它比较慢,但是零件的表面会有更多呈现一致性的孔,同时流动特征非常好,又能避免像冲击钻那样出现返工的情况。在套钻过程中,激光的脉冲峰值一般定在一个较短的脉冲宽度,这样激光加工才能实现更高的重复率。

  叶片、螺旋桨的钻孔通常采用冲击钻模式,但也有些制造商青睐套钻。背侧钻击需要重点考虑其最小距离。通常填充了大量的材料物质,以阻止激光损坏后侧,因背侧钻孔过程中可移除,不同的引擎制造商所用的填充材料不一样。

  光纤激光器

  光纤激光器能够很容易的达到Nd:YAG激光器加工过程的各种参数指标,而且,光纤激光器具有高速、极大地降低维护成本的优势,并提高加工参数标准。20kW的光纤激光器在连续功率为20kW和调制频率>5000Hz时可实现运作。这种激光器价格昂贵,难以发挥高重复率的优势。专门为满足航空钻孔需要而研发的一款新型准连续QCW高脉冲能量光纤激光器应用而生。其具有极其出色的脉冲功率和能量稳定性,同时兼具高峰值功率,极佳的光束质量和优异的加工表现,这些均超过了当今航天工业钻孔的要求。此款光纤激光器提供5 种型号, 峰值功率涵盖从9kW-20kW、实际连续功率从900W-2kW。同时成本效益也远远低于传统的灯泵浦Nd:YAG激光器。

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