激光器在發動機鉆孔應用新進展

　　現代渦輪發動機在制造過程中需要鉆很多個孔，燃氣渦輪的各種部件的加工也需要激光鉆孔，如圖1所示燃氣渦輪噴氣發動機的部件葉片、輪葉、燃燒器以及主要用于冷卻的后燃室。每個部件需要打孔的數量從25到40000個，如表1所示。現代噴氣發動機工作的氣體溫度可能高達2000℃，這一溫度比燃燒室和渦輪葉片中鎳基高溫合金的熔點還高，而目前使噴氣發動機組件免受溫度的方法是邊界層冷卻。當冷卻空氣通過其表面形成一個冷卻薄膜保護部件表面免受高溫燃燒氣體。
　　
　　冷卻孔可以通過電火花加工（EDM），也可以通過激光加工。EDM包含一個電極在工件上兩個表面之間產生一個小的縫隙。電極和工件之間施加電壓直到電場可以擊穿電極的。火花穿過間隙放電，由于橫截面積很小引起了高電流密度，大約1000A/mm2。電極和工件之間的擊穿區域的典型溫度是5000-10000℃，EDM過程使用的是離散排放鉆孔。雖然EDM可以產生高質量的孔洞，但實際上它的速度比激光要慢，該技術存在一些缺點。　　而對于激光打孔，高峰值功率脈沖Nd：YAG激光器一直是商用鉆孔和軍用航空發動機零部件加工的優先選擇，選擇脈沖Nd：YAG激光器主要從以下幾個方面考慮：
　　
　　1、1.06μm輻射到部件的良好耦合（無論是在材料的吸收方面還是等離子體回避方面）
　　
　　2、高脈沖能量和峰值功率非常適合這種應用
　　
　　3、在各種材料中以非常高的速度實現孔洞的高縱橫比，包括熱障涂層材料
　　
　　目前在航空航天應用領域，有兩種不同的激光打孔技術，分別是打孔和沖擊鉆孔。zui流行的可能是真正的切割技術即頭部穿孔。激光束刺穿工件剛好落在孔洞的周邊，然后向外追蹤周長，然后通過旋轉工件或者激光束孔切出正確直徑，這種技術可以生產出高質量的孔洞，圓度和孔變化與數控加工出來的一樣好。孔的錐度也符合質量要求。　　第二種鉆孔方法是沖擊鉆孔，這種技術要求激光器向工件發射激光脈沖，然后通過蒸發材料變成液態熔體，再從孔周圍去除多余材料，熔體受孔內部的蒸汽壓力驅動從孔壁的兩側噴出。使用這種鉆孔技術很難控制孔的質量，只有通過嚴格控制鉆井參數才能生產出高質量的孔洞。這種鉆孔技術的優勢是工藝處理速度快。沖擊鉆孔與另外一種稱為飛行中鉆孔的技術結合會有更多的優勢。飛行中鉆孔的方法是以沖擊鉆孔的方式激光脈沖射擊打孔同時工件或激光器連續移動。
　　
　　孔質量問題是一個很重要又很主觀的問題，激光鉆孔產生的孔質量的判斷有不同的特征參數，幾何因數是孔圓度、孔錐度以及孔入口直徑變量，冶金因數是氧化和重鑄層，重鑄層是熔化材料沒有被激光脈沖產生的蒸汽壓噴出孔，重鑄層涂覆孔壁會在凝固金屬表面留下一薄層，這一薄層會產生微裂紋，進而影響母體材料。對于像勞斯萊斯這樣的航空公司，他們有一個重鑄和氧化層的zui大允許厚度，然而零部件用于發動機使用之前孔的幾何因數有zui大偏差值。其他航空公司更專注傾向于采用航空部件的流動性來判斷鉆孔質量。無論使用何種方法航空公司都在不斷努力提高鉆孔質量。
　　
　　為了滿足航空應用對激光鉆孔的要求，如孔質量、周期、新材料等，需要更、緊湊和高光束質量激光器，這也推動了高峰值功率光纖激光器（準連續波）的發展。這些激光器工作在近紅外光譜區域，具有比傳統激光器*的性能，為激光器廣泛用于航空領域開辟了新的鉆孔前景。高峰值功率光纖激光器更加緊湊堅固，在光束質量（M2<10）和zui大插座效率25%兩方面超過燈泵浦Nd：YAG激光器。這種新鉆孔機的要點可以概括如下：
　　
　　1、更好光束質量——小直徑孔
　　
　　2、光纖激光器不像Nd：YAG激光器在焦點處留有重鑄層
　　
　　3、的脈沖穩定性（脈沖能量/脈沖功率）
　　
　　4、更寬的工作范圍——工藝參數更大的靈活性
　　
　　5、高脈沖頻率，減少打孔操作過程的循環時間
　　
　　6、同時以CW和脈沖模式操作