光纖激光器對航天鉆孔的重要影響分析

時間：2022-12-02

當代航天工業(yè)中，渦輪發(fā)動機的制造過程中通常需要鉆出數(shù)量多達成千上萬的孔。這些孔被鉆成不同的形狀、厚度和大小，分散在渦輪發(fā)動機的葉片、螺旋槳、汽缸、燃燒室中，從而用來給各種器件散熱。這些由**耐熱不銹鋼制成的器件表面覆蓋著若干層熱障涂層(TBC)材料。如今的鉆孔技術還滿足不了引擎制造在商業(yè)和軍事方面的需求，光纖激光器的出現(xiàn)彌補了這個不足且使鉆孔工藝水平得到提高。

當前的鉆孔方式主要使用了燈泵浦Nd：YAG激光器，這種技術用于航空工業(yè)中鉆特殊形狀的孔已有數(shù)十年。通過將激光聚焦從而得到所需要的孔狀（沖擊鉆）或者通過切屑圓孔的方式（套鉆）來得到不同大小形狀的孔。這些孔的直徑從0.1″到0.25″，厚度**過5″，切入角從30°到小于10°。此外，一些特殊零件例如燃燒室設計需要較高的切屑要求。

盡管燈泵浦Nd：YAG激光是主流的鉆孔方式而且在航空領域應用已有數(shù)十年，但光纖激光器的出現(xiàn)已經(jīng)在航空工業(yè)領域相關應用方面引起了足夠的重視。

沖擊鉆孔所用的Nd：YAG激光器一般平均功率是200W，其峰值功率可達到20kW。與此同時，激光脈沖寬度一般從600微秒到1毫秒，伴隨的峰值功率為10-20kW。

一些孔要求脈沖功率為20焦耳，這一限度的脈沖重復率為10pps。這些激光的脈沖持續(xù)時間可以較長并產生較快的鉆孔速度。然而，再生層的趨勢使得形成特定規(guī)格孔狀變得越來越難。

當使用沖擊鉆時，需要多重脈沖來鉆孔，通常需要額外的脈沖用來保證穿破和孔口形狀。對于鉆一個燃燒器來說，脈沖變化的數(shù)量要求5-7個之間，取決于實際厚度。操作中必須注意，如果孔之間間隔太小了，熱量積聚太多很容易使熱障涂層分開。實際上，在動態(tài)鉆孔過程中，燃燒室要求7個回轉來完成鉆孔，以減少加熱和防止分層。套鉆是另一種燃燒室鉆孔方式，它比較慢，但是零件的表面會有更多呈現(xiàn)一致性的孔，同時流動特征非常好，又能避免像沖擊鉆那樣出現(xiàn)返工的情況。在套鉆過程中，激光的脈沖峰值一般定在一個較短的脈沖寬度，這樣激光加工才能實現(xiàn)較高的重復率。

葉片、螺旋槳的鉆孔通常采用沖擊鉆模式，但也有些制造商青睞套鉆。背側鉆擊需要重點考慮其較小距離。通常填充了大量的材料物質，以阻止激光損壞后側，因背側鉆孔過程中可移除，不同的引擎制造商所用的填充材料不一樣。

光纖激光器

光纖激光器能夠很容易的達到Nd：YAG激光器加工過程的各種參數(shù)指標，而且，光纖激光器具有高速、較大地降低維護成本的優(yōu)勢，并提高加工參數(shù)標準。20kW的光纖激光器在連續(xù)功率為20kW和調制頻率＞5000Hz時可實現(xiàn)運作。這種激光器價格昂貴，難以發(fā)揮高重復率的優(yōu)勢。專門為滿足航空鉆孔需要而研發(fā)的一款新型準連續(xù)QCW高脈沖能量光纖激光器應用而生。其具有較其出色的脈沖功率和能量穩(wěn)定性，同時兼具高峰值功率，較佳的光束質量和優(yōu)異的加工表現(xiàn)，這些均**過了當今航天工業(yè)鉆孔的要求。此款光纖激光器提供5 種型號，峰值功率涵蓋從9kW-20kW、實際連續(xù)功率從900W-2kW。同時成本效益也遠遠**傳統(tǒng)的燈泵浦Nd：YAG激光器。

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