激光鉆孔在航空領域的應用

激光鉆孔在航空領域的應用

　本文研究了采用直接傳輸和光纖傳輸?shù)母叻逯倒β拭}沖（約為20kW）激光器進行連續(xù)鉆孔的實際應用效果，同時使用各種不同的激光和工作參數(shù)在超耐熱鎳基合金上加工大量的孔，并統(tǒng)計了加工時間、重鑄層、錐度、氧化層以及裂化等方面的相關數(shù)據(jù)。

　　航空燃氣渦輪上的葉片、噴管葉片以及燃燒室等部件在工作狀態(tài)時需要被冷卻，因此人們在這些部件的表面打上數(shù)以千計的孔，用來保證部件表面被一層薄薄的冷卻空氣覆蓋。這層冷卻空氣不僅能夠延長零件的使用壽命，還可以提高引擎的工作性能。一個典型的較先進的引擎表面會有10萬個這樣的孔，隨著打孔技術的發(fā)展，目前業(yè)界通常采用高峰值功率脈沖Nd-YAG激光器來加工，且套孔（trepanning）和脈沖鉆孔（percussion）技術已經(jīng)得到了成功的應用。

圖1 激光穿孔后的器件

　　EDM孔加工與激光鉆孔

　　目前航空領域中用于噴射引擎的氣體溫度可達到2000℃，這個溫度已經(jīng)超過了渦輪葉片和燃燒室材料，即鎳合金的熔點，于是人們一般采用邊界層冷卻的方法來解決這個問題，即在氣壓渦輪、噴管葉片和燃燒室表面加工孔（見圖1），其中每個零件上的孔從25個到4萬個不等（具體零件的參數(shù)如表1所示)，冷卻氣體可以通過零件上的小孔覆蓋整個零件的表面來隔絕外界的溫度，從而起到保護作用。

表1 冷卻孔的典型應用

　　冷卻孔可以用電火花加工（EDM），也可以使用激光加工，雖然采用EDM方法可以加工出質(zhì)量合格的小孔，但是加工效率明顯低于激光加工。

EDM還有以下三個缺點：

　　1.適合低入射角和入射角變化的場合。

　　2.要使用各種耗材，如電解液等，增加了加工成本。

　　3.為了提高耐熱性，葉片表面需涂上絕緣陶瓷，但是EDM不適合在陶瓷涂層物質(zhì)上穿孔。

　　目前使用脈沖Nd:YAG激光器已成為航空航天領域鉆孔設備的首選，主要是由于其具有以下優(yōu)點：

　　1.使用1.06μm波長對于材料的加工具有很好的效果。

　　2.具有高脈沖能量和峰值功率的特性。

　　3.能快速在各種材料表面上（包括有耐熱涂層材料在內(nèi)）加工出高深寬比的冷卻孔（見圖2）。

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圖2 渦輪機的一個定子葉片(西門子發(fā)電機), 表面等離子濺射的熱隔離涂層材料YSZ (氧化鋯)

　　激光鉆孔及其質(zhì)量控制

　　在航空領域中有兩種基本的激光鉆孔方法：套孔和激光脈沖鉆孔。套孔是用激光脈沖先在孔的中心位置鉆孔，然后激光束移動到孔的圓周或者通過零件旋轉來加工出一個孔。激光脈沖鉆孔既不需要移動激光束，也不需要移動零件，僅通過連續(xù)的激光脈沖便可加工出孔，并且在加工過程中通過控制脈沖能量的大小還可以調(diào)節(jié)孔的直徑，因此能夠大大縮短零件的加工周期，尤其在加工燃燒環(huán)、燃燒室等對稱結構的零部件時，加工時間還能被進一步被縮短。激光脈沖鉆孔已成為航空工業(yè)中非常重要的應用技術。激光的脈沖頻率與工件的轉動頻率同步，激光脈沖完全同時的以特定的排列來加工出所有的孔。然而，盡管這種“飛行鉆孔（drill on-the-fly）”技術縮短了加工時間，但是加工出來的孔的質(zhì)量通常并不理想。

　　孔的質(zhì)量問題非常關鍵。通過激光加工的孔的質(zhì)量好壞可以通過不同的特性來判斷。從幾何要素考慮，可以通過孔的圓度、錐度以及入口直徑的變化來判斷。從金相方面考慮，可以通過重鑄層和氧化層等結構組織的變化來判斷。其中，重鑄層的形成是由于熔化的金屬沒有被激光脈沖所產(chǎn)生的氣壓噴射出來，而被留在孔內(nèi)，因此在孔壁留下了薄薄的一層固態(tài)金屬涂層，這層金屬涂層表面會產(chǎn)生微裂紋，以致直接蔓延到本體。一直以來，航空公司所使用的標準都在不斷地努力來提高孔的質(zhì)量。例如勞斯萊斯航空公司，他們根據(jù)實際情況建立了可接受的氧化層和重鑄層的最大厚度標準，使工件在使用之前，工件上的孔的幾何尺寸具有可接受最大的偏移值范圍。而其他航空公司則是通過零件的氣體流動性來判斷加工孔質(zhì)量的好壞。

　　目前，加工航空零部件的鉆孔大都采用直接光束傳輸系統(tǒng)，但由于許多技術方面的原因，光纖出光系統(tǒng)在激光鉆孔方面的應用一直發(fā)展緩慢。這其中有兩個主要原因：一是光纖損壞閾值相對較低；另一個原因是傳輸?shù)墓馐|(zhì)量，光纖的直徑會導致光束質(zhì)量M的惡化。但當M2 = 25或更好時，使用正確的脈沖參數(shù)也能生產(chǎn)出合格的孔。因此，光纖應用系統(tǒng)比光束直接傳輸系統(tǒng)相比具有一定優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

　　1.激光束傳輸系統(tǒng)為CNC機床上的激光傳輸提供了選擇。

　　2.使能量均化帶來Top hat的特性，改善了孔的圓度和一致性。

　　3.傳輸脈沖鉆孔技術在高質(zhì)量穿孔中大大縮短了加工時間，有利于提高生產(chǎn)效率和減少加工成本。

　　脈沖穿孔

　　以下主要討論使用高峰值功率(可達到20kW)的脈沖Nd:YAG激光器分別在直接光束傳輸和光纖傳輸系統(tǒng)中的脈沖穿孔應用。我們選擇在鎳基合金上用不同的激光和參數(shù)進行打孔，從而研究它的重鑄層、錐度、氧化層裂縫以及加工時間等參數(shù)的范圍。

　　1.鉆孔測試

　　（1）激光器

表2 JK704 的激光參數(shù)

　　試驗選用JK704激光器做直接傳輸光束鉆孔。這種激光器可提供很高的峰值功率（見表2）和很好的脈沖穩(wěn)定性，非常適合加工小徑孔（0.25～0.90mm）。激光器的高斯光束質(zhì)量（見圖3）和增強的控制和脈沖整形特性為加工包括具有隔熱涂層材料在內(nèi)的航天材料時提供了更大的靈活性。

圖3 JK704 的光束質(zhì)量

表3 JK 300D 參數(shù)表

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圖4 JK300D 激光器的Top hat 光束特性

　　此光纖傳輸鉆孔測試將用GSI 最新的高峰值功率脈沖激光器JK300D來完成（參數(shù)見表3）。這種激光器有很高的峰值功率和Top hat特性（見圖4），適合航空合金材料脈沖穿孔。激光器發(fā)出的光束在10m×300μm直徑的光纖中傳輸，通過160mm的右角度準直系統(tǒng)和光學聚焦鏡輸出。（2）穿孔測試

　　我們用兩種激光系統(tǒng)分別采用各種激光和工作參數(shù)來進行鉆孔測試（見表4）。并通過這些參數(shù)來比較兩種激光系統(tǒng)分別在航空鎳基合金上鉆孔的表現(xiàn)。

4 穿孔測試參數(shù)

　　（3）結果與討論

　　由于零件的設計者首先考慮的是充分的氣流量通過冷卻孔來達到合適的冷卻作用，而氣流大小主要由零件表面的孔的大小和形狀來決定，所以要嚴格控制孔的尺寸、圓度和錐度。還有其他的一些因素要考慮，因為孔和孔之間位置相對來說比較接近，所以任何孔的尺寸的偏差都有可能影響到該區(qū)域上的其他孔，從而導致零件的局部偏差。除了重鑄層和熱機影響區(qū)外，錐度過大和表面凸槽是不允許的。

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圖5 不同脈沖寬度時的鉆孔時間 (與表面成20角，JK300D，O2 輔助)

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圖6 不同脈沖寬度時的鉆孔時間 (與表面成10角，300μm光斑，O2 輔助)

圖7 不同脈沖寬度時的鉆孔時間 (與表面成20角，JK704LD1，O2 輔助)

　　2.鉆孔時間

　　兩種激光器在2mm厚的材料上加工一個垂直孔的時間均不超過0.5s。圖5～8顯示了用光纖傳輸系統(tǒng)在表面加工10和20的孔的時間。可以看出用160mm長焦距和直徑300μm的光斑更好的聚焦深度比120mm焦距的光束加工時間要短。同樣圖表也顯示了脈沖寬度和加工時間的相關性。長脈沖寬度和因此的更高脈沖能量的激光打孔要比短脈沖寬度和因此的低脈沖能量的加工速度快。我們用JK704 LD1激光器來演示這個實驗，因為他的激光束質(zhì)量為M2=8要好于JK300D的M2=16，從而使加工時間變得更短。高質(zhì)量的光束可以達到更長的焦距（200～250mm），同時還能保證快速鉆孔的能量密度要求。使用長焦距激光的主要優(yōu)點在于可以減少加工過程中由于飛濺導致的損傷，從而延長保護鏡片的壽命。除此之外，高質(zhì)量的光束可以提供很好的焦深，從而提供各種工件或運動系統(tǒng)的更大的誤差范圍。

圖8 不同脈沖寬度時的鉆孔時間 (與表面成10角，JK704LD1，O2 輔助)

　　3.錐度

　　圖9和圖10 表示了兩種激光器分別在2mm厚的材料上加工不同角度孔的典型錐度。雖然兩種系統(tǒng)產(chǎn)生的錐度非常相似，但是可以看出，使用光纖傳輸系統(tǒng)加工出孔的圓度要比使用光束傳輸系統(tǒng)加工出的要好，因為光纖能使激光分布更均勻。圖11展示了用兩種激光器加工出的孔的截面，可以看出，用兩種激光加工出的垂直孔的錐度在深度方向并不一樣，尤其是在孔的中心位置變化很大，圖示反饋給我們的由于激光參數(shù)導致的錐度差異，激光峰值功率密度對孔形狀的影響。如今的研究表明，表面凸度的產(chǎn)生，主要是在孔的中心部位，而且更多的是發(fā)生在高能量密度的情況下。由此推測，可能是因為等離子體的形成明顯地減少了在孔成形的過程中蒸發(fā)帶走物質(zhì)的作用。在表面上加工一個銳角的孔時沒有表面凸起產(chǎn)生，可能是因為光斑在一個角度被拉長，而使能量密度減弱的緣故。

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圖9 錐度%與峰值功率 (JK300D)

圖10 錐度%與峰值功率 (JK704LD1)

　　4.重鑄層

　　除了氧化層，重鑄層是激光鉆孔在金相方面的主要特點，并且已經(jīng)在光纖系統(tǒng)中經(jīng)過全面的研究。結果表明在表面加工90的孔時，光纖傳輸激光系統(tǒng)重鑄層的典型厚度大概為25～35μm。這個重鑄層與光束直接傳輸激光系統(tǒng)非常類似。而氧化層大概在10～15μm，兩種激光器得出的測試結果都在此范圍內(nèi)。如果在表面上加工一個銳角的孔，那么重鑄層厚度隨位置變化非常顯著。在入口處會有更厚的重鑄層，可能是由于在脈沖鉆孔過程中大量地熔化了的材料從這個地方噴出而遺留下來的。同時我們也可以預測出，在低能量和低峰值功率的情況下重鑄層的厚度會增加。

　　結語

　　GSI 集團自從20世紀80年代以來就致力于為航空工業(yè)生產(chǎn)激光鉆孔機，并且JK704激光器已經(jīng)在工業(yè)激光鉆孔領域確立了標準。新的高功率的光纖傳輸激光器與直接光束傳輸系統(tǒng)相比具有更多的優(yōu)點（鉆孔效果如圖11所示）：