激光鉆孔在航空領域的應用

　?。?）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。

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

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?？梢钥闯鲇?60mm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，因為他的激光束質量為M2=8要好于JK300D的M2=16，從而使加工時間變得更短。高質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。

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）：

圖11 兩種系統(tǒng)的鉆孔

　　1.簡潔、低成本且高功率的光纖傳輸激光鉆孔機。

　　2.在航空領域有一定范圍的脈沖鉆孔應用，通?？字睆綖?.4～0.8mm，厚度大于6mm。

　　3.加工的孔能達到非常理想的圓度。

　　4.高質量的光束，可經(jīng)300mm的光纖傳輸。典型的焦距范圍是120～160mm，并具有以下優(yōu)點：

　　（1）高速的材料切除率；
　　（2）可以加工出淺角度的孔；
　?。?）很好的焦深；
　?。?）在加工過程中有效減少了因濺射產(chǎn)生的光學器件損耗。

　　5.能加工與表面最小成10的孔。

　　6.簡單的激光集成運動系統(tǒng)，使機器人具有傳輸和多路分時加工的功能。

　　7.飛行鉆孔技術。