——阿帕奇將盛裝亮相2013MWCS

2013數(shù)控機(jī)床與金屬加工展(MWCS)將于2013年11月5-9日在上海新國際博覽中心再度召開。阿帕奇將盛裝亮相2013MWCS，展示其最新技術(shù)。隨著光纖激光器技術(shù)的發(fā)展，最近航空航天工業(yè)正認(rèn)真考慮在生產(chǎn)線中引入光纖激光器。本文主要講述阿帕奇IPG光纖激光器在航空元件鉆孔的應(yīng)用。

在航空航天工業(yè)中，現(xiàn)代渦輪發(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。渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、燃燒室和復(fù)燃室都需要鉆孔，而且往往需要在 不同厚度的部件上，以各種不同角度鉆出直徑不同的孔，以便為部件提供冷卻空氣。這些部件由超合金制成，并且進(jìn)行了多次陶瓷熱障涂層(TBC)。

目前，市場上能滿足商用和軍用發(fā)動機(jī)制造商需求的鉆孔產(chǎn)品較為缺乏。燈泵浦Nd：YAG激光器是最主要的產(chǎn)品，并且其已經(jīng)主導(dǎo)了航空航天鉆孔市場長達(dá)數(shù)十年之久。隨著光纖激光器技術(shù)的發(fā)展，最近航空航天工業(yè)正認(rèn)真考慮在生產(chǎn)線中引入光纖激光器。

圓 孔可以通過兩種方法加工——沖擊鉆孔(percussion drilling)和環(huán)形切割成孔(trepanning)，其中沖擊鉆孔將激光聚焦到所需要的開孔尺寸;而環(huán)形切割成孔是用激光切割出圓孔。這些孔的直 徑范圍從0.010~0.250英寸，厚度大于0.5英寸，入射角從30°到小于10°。此外，還有一些部件(如燃燒室)需要更多的切割細(xì)節(jié)信息。

用 于沖擊鉆孔的Nd：YAG激光器通常具有200W的平均功率，而峰值功率高達(dá)20kW。當(dāng)沖擊鉆孔時(shí)，典型的激光脈沖持續(xù)時(shí)間為600μs~1ms，峰值 功率為10~20kW。一些孔需要20J的脈沖能量，這將脈沖重復(fù)頻率限制到10pps。這些激光器可以在更長的脈沖持續(xù)時(shí)間下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此脈沖更少、鉆孔 速度更快;然而重鑄層趨于增加，又使其難以滿足孔的規(guī)格要求。

當(dāng)使用沖擊鉆孔時(shí)，需要多個(gè)脈沖，并且通常需要一些額外的脈沖確�？妆淮┩负� 出口處的尺寸。所需要的脈沖數(shù)量隨著材料的厚度而變化，例如，燃燒室鉆孔需要的典型脈沖數(shù)量為5~7個(gè)。如果孔之間的距離較近，則操作必須非常謹(jǐn)慎，因?yàn)?過多的熱量積聚可能導(dǎo)致熱障涂層的分層。在實(shí)際操作中，許多孔是以極快的速度鉆出的，以盡量減少熱量產(chǎn)生，防止產(chǎn)生熱障涂層分層。

環(huán)形切割成孔是燃燒室鉆孔應(yīng)用所采用的另一種加工技術(shù)。相比之下，這種加工方式速度較慢，但是這種方法加工出的孔具有更好的一致性和更好的散熱特征。這種加工方式不需要返工，而沖擊鉆孔則可能出現(xiàn)返工的情況。

導(dǎo)向葉片和渦輪葉片通常采用沖擊鉆孔，雖然也有一些廠商更喜歡環(huán)形切割成孔方法。鉆孔過程中要防止背板受損。導(dǎo)向葉片和渦輪葉片通常充滿了各種各樣的材料，以防止激光損壞背板。在鉆孔過程完成后，填充材料可以取​​出。各發(fā)動機(jī)制造商所采用的填充材料不盡相同。

光纖激光器的競爭優(yōu)勢

光 纖激光器可以復(fù)制Nd：YAG激光器的工藝參數(shù)，并提供明顯的速度優(yōu)勢，大大降低了維護(hù)成本，并有機(jī)會改善工藝參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的20kW光纖激光器可以在 20kW的連續(xù)功率下運(yùn)行，頻率大于5000Hz。然而，這些激光器相當(dāng)昂貴，使得充分利用其高重復(fù)頻率變得較為困難。IPG已經(jīng)開發(fā)出了專門用于航空航 天鉆孔應(yīng)用的新一代光纖激光器，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、連續(xù)波(CW)工作功率900W~2kW的五種型 號的產(chǎn)品。

來自航空航天公司的眾多應(yīng)用試驗(yàn)，已經(jīng)展示了光纖激光器的重要優(yōu)勢。不同于Nd：YAG激光器，光纖激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間可以增 加，以用單個(gè)脈沖鉆孔，滿足航空航天領(lǐng)域要求的每秒鉆出50~100個(gè)孔的目標(biāo)。光纖激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間范圍3~10ms，并且仍然滿足重鑄和微裂紋規(guī) 范要求，而利用Nd：YAG激光器，則需要多個(gè)脈沖完成。之所以能獲得這樣的結(jié)果，是因?yàn)楣饫w激光器的輸出脈沖是一個(gè)保持峰值功率的方波，沒有拖尾形成重 鑄，而這是脈沖Nd：YAG激光器無法實(shí)現(xiàn)的。光纖激光器還在焦點(diǎn)處提供了頂帽輪廓，不會形成重鑄，而使用Nd：YAG激光器則有這種情況發(fā)生。

光 纖激光器可變的脈沖持續(xù)時(shí)間，開辟了一種新的控制方式。使用光纖激光器鉆孔，可以對脈沖持續(xù)時(shí)間的參數(shù)進(jìn)行編程，限制背板受損;而不需要在孔鉆出后利用額 外的脈沖精修(這將引發(fā)背板受損的擔(dān)憂)。橫截面分析表明，當(dāng)使用多個(gè)激光脈沖鉆孔時(shí)，如果激光束在穿透材料之前停止，在盲孔的底部具有一個(gè)頂帽輪廓。在 用Nd：YAG激光器進(jìn)行的類似測試中，孔的底部輪廓更趨于高斯分布，具有一個(gè)熱中心部分，因此難以實(shí)現(xiàn)直徑較大、并且仍滿足出口處規(guī)格要求的孔。光纖激 光器能夠鉆出滿足規(guī)范要求的通孔，無需再使用額外的脈沖。

光纖激光器還可以產(chǎn)生脈沖串，而這是燈泵浦Nd：YAG激光器所不能實(shí)現(xiàn)的。例 如，光纖激光器可以通過編程，以較低的脈沖能量和更短的脈沖持續(xù)時(shí)間穿透熱障涂層;而當(dāng)激光脈沖穿透材料的過程，可以增加功率和脈沖持續(xù)時(shí)間;隨后在鉆出 通孔前再次對其編程，以最小化對背板的沖擊。光纖激光器的這些參數(shù)之所以能快速改變，均源于單發(fā)射體泵浦二極管的動態(tài)性能。

在航空航天燃燒室鉆孔試驗(yàn)中，采用環(huán)形切割成孔方法，光纖激光器的鉆孔速度是Nd：YAG激光器的10倍以上。光纖激光器能夠以更高的速度鉆出更加高度一致的孔，這樣制造商便可以利用環(huán)形切割成孔方法鉆孔，而不再采用沖擊鉆孔(見圖1)。

圖1 在航空航天燃燒室鉆孔的試驗(yàn)中，采用環(huán)形切割成孔方法，光纖激光器的鉆孔速度是Nd：YAG激光器的10倍以上。有了高速環(huán)形切割成孔方法，制造商就不必再使用沖擊鉆孔方式了。

許多航空航天組件還需要切割更大的特征。使用光纖激光器，可以快速轉(zhuǎn)換到CW運(yùn)行模式，提供高達(dá)2kW的連續(xù)輸出功率，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高速切割，而這是利用脈沖Nd：YAG激光器所無法實(shí)現(xiàn)的。

光纖激光器鉆孔的其他優(yōu)勢

另一個(gè)感興趣的領(lǐng)域是使用光纖激光器的方波輸出。初步的研究已經(jīng)顯示，利用單個(gè)脈沖，可以在焦點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)較大的方形入口孔以及一個(gè)圓形出口孔(見圖2)。 方形孔與圓形孔的比例可以通過光學(xué)調(diào)整(見圖3)。在其他試驗(yàn)中，光纖激光器也能夠很容易地鉆出橢圓孔。在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的圓形部件中，有可能實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻 率的長脈沖鉆孔。當(dāng)然，這些過程尚需要進(jìn)一步的研究測試，有可能會實(shí)現(xiàn)引擎設(shè)計(jì)者所需要的更快的鉆孔方法。

圖2 在航空部件鉆孔測試中，來自一個(gè)正方形輸出的光纖激光器產(chǎn)生的10ms的單脈沖，可以在焦點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)大的方形入口孔。

圖3 利用方波輸出的光纖激光器，初步研究顯示，利用單個(gè)脈沖，可以在焦點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)較大的方形入口孔以及一個(gè)圓形出口孔(見圖2)。方形孔與圓形孔的比例可以通過光學(xué)調(diào)整(比較a和b)。

從機(jī)械的角度來看，光纖激光器的使用引發(fā)了一些重要的考慮因素。由于光纖激光器的吞吐量和快速切換能力，使得用同一個(gè)光纖激光器驅(qū)動多個(gè)工作站更加具有吸引 力。光纖激光器采用光纖傳輸，消除了旋轉(zhuǎn)的光學(xué)元件，免去了很多繁瑣的準(zhǔn)直工作，這將為某些航空航天應(yīng)用開辟使用機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的考慮。目前，機(jī)器人技術(shù) 已經(jīng)在編程和準(zhǔn)確性方面取得了重大進(jìn)展，其有望應(yīng)用到未來的航空航天鉆孔平臺中。