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?cè)谶@些部件的表面打上數(shù)以千計(jì)的孔，用來(lái)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(zhǎng)零件的使用壽命，還可以提高引擎的工作性能。一個(gè)典型的較先進(jìn)的引擎表面會(huì)有10萬(wàn)個(gè)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(lái)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(gè)溫度已經(jīng)超過(guò)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(gè)零件上的孔從25個(gè)到4萬(wàn)個(gè)不等（具體零件的參數(shù)如表1所示)，冷卻氣體可以通過(guò)零件上的小孔覆蓋整個(gè)零件的表面來(lái)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(gè)缺點(diǎn)：

　　1.適合低入射角和入射角變化的場(chǎng)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(zhǎng)對(duì)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(gè)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(dòng)到孔的圓周或者通過(guò)零件旋轉(zhuǎn)來(lái)加工出一個(gè)孔。激光脈沖鉆孔既不需要移動(dòng)激光束，也不需要移動(dòng)零件，僅通過(guò)連續(xù)的激光脈沖便可加工出孔，并且在加工過(guò)程中通過(guò)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(duì)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(dòng)頻率同步，激光脈沖完全同時(shí)的以特定的排列來(lái)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(lái)的孔的質(zhì)量通常并不理想。

　　孔的質(zhì)量問(wèn)題非常關(guān)鍵。通過(guò)激光加工的孔的質(zhì)量好壞可以通過(guò)不同的特性來(lái)判斷。從幾何要素考慮，可以通過(guò)孔的圓度、錐度以及入口直徑的變化來(lái)判斷。從金相方面考慮，可以通過(guò)重鑄層和氧化層等結(jié)構(gòu)組織的變化來(lái)判斷。其中， 重鑄層的形成是由于熔化的金屬?zèng)]有被激光脈沖所產(chǎn)生的氣壓噴射出來(lái)，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(huì)產(chǎn)生微裂紋，以致直接蔓延到本體。一直以來(lái)，航空公司所使用的標(biāo)準(zhǔn)都在不斷地努力來(lái)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(guò)零件的氣體流動(dòng)性來(lái)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(gè)主要原因：一是光纖損壞閾值相對(duì)較低；另一個(gè)原因是傳輸?shù)墓馐|(zhì)量，光纖的直徑會(huì)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(shì)，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(lái)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(cè)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(cè)試將用GSI 最新的高峰值功率脈沖激光器JK300D來(lái)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(guò)160mm的右角度準(zhǔn)直系統(tǒng)和光學(xué)聚焦鏡輸出。（2）穿孔測(cè)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(lái)進(jìn)行鉆孔測(cè)試（見表4）。并通過(guò)這些參數(shù)來(lái)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(cè)試參數(shù)