當(dāng)代航天工業(yè)中，渦輪發(fā)動機(jī)的制造過程中通常需要鉆出數(shù)量多達(dá)成千上萬的孔。這些孔被鉆成不同的形狀、厚度和大小，分散在渦輪發(fā)動機(jī)的葉片、螺旋槳、汽缸、燃燒室中，從而用來給各種器件散熱。這些由超耐熱不銹鋼制成的器件表面覆蓋著若干層熱障涂層(TBC)材料。如今的鉆孔技術(shù)還滿足不了引擎制造在商業(yè)和軍事方面的需求，光纖激光器的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這個(gè)不足且使鉆孔工藝水平得到提高。
當(dāng)前的鉆孔方式主要使用了燈泵浦Nd：YAG激光器，這種技術(shù)用于航空工業(yè)中鉆特殊形狀的孔已有數(shù)十年。通過將激光聚焦從而得到所需要的孔狀（沖擊鉆）或者通過切屑圓孔的方式（套鉆）來得到不同大小形狀的孔。這些孔的直徑從0.1″到0.25″，厚度超過5″，切入角從30°到小于10°。此外，一些特殊零件例如燃燒室設(shè)計(jì)需要更高的切屑要求。
盡管燈泵浦Nd：YAG激光是主流的鉆孔方式而且在航空領(lǐng)域應(yīng)用已有數(shù)十年，但光纖激光器的出現(xiàn)已經(jīng)在航空工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用方面引起了足夠的重視。
沖擊鉆孔所用的Nd：YAG激光器一般平均功率是200W，其峰值功率可達(dá)到20kW。與此同時(shí)，激光脈沖寬度一般從600微秒到1毫秒，伴隨的峰值功率為10-20kW。
一些孔要求脈沖功率為20焦耳，這一限度的脈沖重復(fù)率為10pps。這些激光的脈沖持續(xù)時(shí)間可以更長并產(chǎn)生更快的鉆孔速度。然而，再生層的趨勢使得形成特定規(guī)格孔狀變得越來越難。
當(dāng)使用沖擊鉆時(shí)，需要多重脈沖來鉆孔，通常需要額外的脈沖用來保證穿破和孔口形狀。對于鉆一個(gè)燃燒器來說，脈沖變化的數(shù)量要求5-7個(gè)之間，取決于實(shí)際厚度。操作中必須注意，如果孔之間間隔太小了，熱量積聚太多很容易使熱障涂層分開。實(shí)際上，在動態(tài)鉆孔過程中，燃燒室要求7個(gè)回轉(zhuǎn)來完成鉆孔，以減少加熱和防止分層。套鉆是另一種燃燒室鉆孔方式，它比較慢，但是零件的表面會有更多呈現(xiàn)一致性的孔，同時(shí)流動特征非常好，又能避免像沖擊鉆那樣出現(xiàn)返工的情況。在套鉆過程中，激光的脈沖峰值一般定在一個(gè)較短的脈沖寬度，這樣激光加工才能實(shí)現(xiàn)更高的重復(fù)率。
葉片、螺旋槳的鉆孔通常采用沖擊鉆模式，但也有些制造商青睞套鉆。背側(cè)鉆擊需要重點(diǎn)考慮其最小距離。通常填充了大量的材料物質(zhì)，以阻止激光損壞后側(cè)，因背側(cè)鉆孔過程中可移除，不同的引擎制造商所用的填充材料不一樣。
光纖激光器
光纖激光器能夠很容易的達(dá)到Nd：YAG激光器加工過程的各種參數(shù)指標(biāo)，而且，光纖激光器具有高速、極大地降低維護(hù)成本的優(yōu)勢，并提高加工參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。20kW的光纖激光器在連續(xù)功率為20kW和調(diào)制頻率＞5000Hz時(shí)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)作。這種激光器價(jià)格昂貴，難以發(fā)揮高重復(fù)率的優(yōu)勢。專門為滿足航空鉆孔需要而研發(fā)的一款新型準(zhǔn)連續(xù)QCW高脈沖能量光纖激光器應(yīng)用而生。其具有極其出色的脈沖功率和能量穩(wěn)定性，同時(shí)兼具高峰值功率，極佳的光束質(zhì)量和優(yōu)異的加工表現(xiàn)，這些均超過了當(dāng)今航天工業(yè)鉆孔的要求。此款光纖激光器提供5 種型號， 峰值功率涵蓋從9kW-20kW、實(shí)際連續(xù)功率從900W-2kW。同時(shí)成本效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的燈泵浦Nd：YAG激光器。
在航空公司進(jìn)行的大量的應(yīng)用試驗(yàn)已經(jīng)證明了光纖激光器具有的重大優(yōu)勢。不同于Nd：YAG激光器，光纖激光器的脈沖寬度可被提高來以一個(gè)脈沖生成符合航空規(guī)格的孔，每秒可鉆50->100個(gè)孔。脈沖寬度從3-10毫秒，但仍然符合重鑄和微裂要求，這如果用Nd：YAG激光器，需要多重脈沖才能完成。由于光纖激光器輸出脈沖是矩形波，保持的峰值功率貫穿了脈沖，這些都是脈沖Nd：YAG激光器不具備的。
當(dāng)使用光纖激光器時(shí)，不同的脈沖寬度會形成一種新的控制特征。不同于在穿透之后采用額外脈沖排列孔的大小，以提高對背側(cè)鉆擊的關(guān)注，現(xiàn)在，一個(gè)新的脈沖寬度參數(shù)可被編程并限制背側(cè)的損壞。截面分析表明，當(dāng)使用多重脈沖激光來鉆孔時(shí)，如果激光在盲孔底部鉆透前停止了，那么其形狀將呈現(xiàn)頂蓋輪廓。在類似實(shí)驗(yàn)中采用Nd：YAG激光器，底部的孔輪廓呈現(xiàn)一個(gè)高斯型熱中心，這種曲線很難形成更大直徑的孔，不過仍然滿足當(dāng)前需要的要求。而光纖激光器在鉆透時(shí)其孔大小恰好滿足特定規(guī)格要求。
光纖激光器鉆孔的優(yōu)勢：
因光纖芯徑形狀如圖中所示，可以獲得更圓更一致的孔；
聚焦的頂蓋模式可以使熱影響區(qū)最小化；
矩形脈沖可以維持峰值功率的脈寬；
可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光斑大小、功率和脈寬以產(chǎn)生新的加工參數(shù)；
卓越的光束質(zhì)量可以允許長焦距的使用到達(dá)難以進(jìn)入的區(qū)域；
光斑大小保持不變成為功率或能量的一個(gè)函數(shù)；
避免了燈泵的更換和諧振腔校準(zhǔn)；
大大降低了加工過程的運(yùn)作成本；
共用一個(gè)共振器可以完成切割、鉆孔、焊接等加工操作?！」饫w激光器可以輕而易舉的達(dá)到甚至超過Nd：YAG激光加工過程的參數(shù)，由于頂蓋模式的光束和矩形波脈沖結(jié)合，光纖激光器運(yùn)作中重復(fù)率更高而單脈沖能量更低。光纖激光器可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖而燈泵浦則不可能做到。例如：激光可以以一個(gè)較低的脈沖功率和較短的脈沖寬度滲透TBC層，增加功率和脈沖寬度，然后在鉆透前最小化背側(cè)鉆擊。由于動態(tài)的性能和單發(fā)射器泵浦二極管的靈活性，這些激光參數(shù)是可以隨時(shí)調(diào)制的。
當(dāng)使用套鉆模式進(jìn)行航空燃燒室加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，光纖激光器被證實(shí)其加工產(chǎn)出量是Nd：YAG激光器的10倍。這點(diǎn)很重要，鑒于光纖激光器產(chǎn)出套鉆的孔具有更高的一致性以及更快的速度，制造商可以選擇套鉆而不是沖擊鉆。
許多大的航空零件需要進(jìn)行更大的細(xì)節(jié)切割，光纖激光器可以隨時(shí)切換成CW模式，在2KW高能量下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高速度的切割，而這些都是Nd：YAG激光所不能及的。
另一個(gè)優(yōu)勢是矩形傳輸光纖的使用。初步研究實(shí)驗(yàn)顯示，在一個(gè)脈沖內(nèi)，聚焦可生成一個(gè)大的矩形孔入口孔和一個(gè)圓的出口孔。從方孔到圓孔的系數(shù)是可以進(jìn)行光學(xué)調(diào)整的。在其它一些實(shí)驗(yàn)中是很容易鉆取橢圓孔。這是可能的，因?yàn)楣饫w激光器的長脈沖鉆孔結(jié)合高旋轉(zhuǎn)速度作用于圓形零件，同時(shí)重復(fù)率很高。這些過程需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)，很可能會產(chǎn)生一種引擎制造商需要的更快的塑孔方式。
系統(tǒng)
從機(jī)械領(lǐng)域的觀點(diǎn)來看，光纖激光器的應(yīng)用開創(chuàng)了一個(gè)新的紀(jì)元，由于其輸出功率和快速轉(zhuǎn)換能力，使其變得更具吸引力。不同于傳統(tǒng)激光器通過鏡片進(jìn)行精密準(zhǔn)直，光纖激光器通過一根柔性集成的光纖傳輸能量，可以與機(jī)器人進(jìn)行完美集成?，F(xiàn)代機(jī)器人進(jìn)入了編程和精確要求的時(shí)代，這些都是未來航空鉆孔平臺所需要的。
結(jié)論
這種新型準(zhǔn)連續(xù)QCW高脈沖能量光纖激光器可提供較好的成本效益，替代當(dāng)前的Nd：YAG激光器。這款光纖激光器被證實(shí)可以達(dá)到或超越當(dāng)今航空部件鉆孔要求的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也為航空工業(yè)提供了一種提高當(dāng)前生產(chǎn)效率的機(jī)遇選擇，同時(shí)也能提供更高質(zhì)量的鉆孔，不斷地探尋新的工藝和加工參數(shù)。
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