不同類型激光鉆孔在航空領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)行連續(xù)鉆孔的實(shí)際應(yīng)用效果，同時(shí)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(jì)了加工時(shí)間、重鑄層、錐度、氧化層以及裂化等方面的相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　航空燃?xì)鉁u輪上的葉片、噴管葉片以及燃燒室等部件在工作狀態(tài)時(shí)需要被冷卻，因此人們在這些部件的表面打上數(shù)以千計(jì)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(jìn)的引擎表面會有10萬個這樣的孔，隨著打孔技術(shù)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(shù)已經(jīng)得到了成功的應(yīng)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(lǐng)域中用于噴射引擎的氣體溫度可達(dá)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(diǎn)，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(hù)作用。

表1 冷卻孔的典型應(yīng)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(diǎn)：

　　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(lǐng)域鉆孔設(shè)備的首選，主要是由于其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　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）。

圖2 渦輪機(jī)的一個定子葉片(西門子發(fā)電機(jī)), 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(lǐng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的零部件時(shí)，加工時(shí)間還能被進(jìn)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(yīng)用技術(shù)。激光的脈沖頻率與工件的轉(zhuǎn)動頻率同步，激光脈沖完全同時(shí)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(shù)縮短了加工時(shí)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(guān)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)際情況建立了可接受的氧化層和重鑄層的最大厚度標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)方面的原因，光纖出光系統(tǒng)在激光鉆孔方面的應(yīng)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(dǎo)致光束質(zhì)量M的惡化。但當(dāng)M2 = 25或更好時(shí)，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(yīng)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(jī)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(shù)在高質(zhì)量穿孔中大大縮短了加工時(shí)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(dá)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(yīng)用。我們選擇在鎳基合金上用不同的激光和參數(shù)進(jìn)行打孔，從而研究它的重鑄層、錐度、氧化層裂縫以及加工時(shí)間等參數(shù)的范圍。

　　1.鉆孔測試

　?。?）激光器

表2 JK704 的激光參數(shù)

　　試驗(yàn)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(qiáng)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(shí)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

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(zhǔn)直系統(tǒng)和光學(xué)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(jìn)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)