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激光鉆孔在航空領域的應用
來源:本站整理  作者:佚名  2010-06-20 10:41:56



本文研究了采用直接傳輸和光纖傳輸的高峰值功率脈沖(約為20kW)激光器進行連續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在超耐熱鎳基合金上加工大量的孔,并統計了加工時間、重鑄層、錐度、氧化層以及裂化等方面的相關數據。

  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時需要被冷卻,因此人們在這些部件的表面打上數以千計的孔,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,隨著打孔技術的發展,目前業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)加工出高深寬比的冷卻孔(見圖2)。


 
圖2 渦輪機的一個定子葉片(西門子發電機), 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節孔的直徑,因此能夠大大縮短零件的加工周期,尤其在加工燃燒環、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量通常并不理想。

  孔的質量問題非常關鍵。通過激光加工的孔的質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生的氣壓噴射出來,而被留在孔內,因此在孔壁留下了薄薄的一層固態金屬涂層,這層金屬涂層表面會產生微裂紋,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量。例如勞斯萊斯航空公司,他們根據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,但由于許多技術方面的原因,光纖出光系統在激光鉆孔方面的應用一直發展緩慢。這其中有兩個主要原因:一是光纖損壞閾值相對較低;另一個原因是傳輸的光束質量,光纖的直徑會導致光束質量M的惡化。但當M2 = 25或更好時,使用正確的脈沖參數也能生產出合格的孔。因此, 光纖應用系統比光束直接傳輸系統相比具有一定優勢,主要體現在:

  1.激光束傳輸系統為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量穿孔中大大縮短了加工時間,有利于提高生產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的范圍。

  1.鉆孔測試

  (1)激光器

表2 JK704 的激光參數

  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)和很好的脈沖穩定性,非常適合加工小徑孔(0.25~0.90mm)。激光器的高斯光束質量(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的航天材料時提供了更大的靈活性。

 

圖3 JK704 的光束質量

表3 JK 300D 參數表


 
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的右角度準直系統和光學聚焦鏡輸出。(2)穿孔測試

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

4 穿孔測試參數

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