在曩昔几十年里,Nd:YAG脉冲激光器一直是资料加工的主力军,其中适当一部分机器的运用时间甚至现已超越30年。其中,波长为1070nm的脉冲激光器运用最为广泛,比方医疗器械、航空、电子等等。尽管如此,在某些方面,这种激光器仍有待改进,比方峰值功率高,但平均功率低,电功率不高,功率提高时光束质量不安稳,聚集光斑尺度近似高斯光束,在取得安稳输出之前需求几轮脉冲预热等等。可是,纵有种种不尽如人意,这种激光器仍是在适当长一段时间里发挥着重要的作用。在航空范畴,Nd:YAG脉冲激光器更是占有着主导地位,广泛用于各种器材的冷却孔加工。
光纤激光工艺
2009年初,从事资料加工职业的人开端将目光投向那些可以提供高峰值功率的脉冲激光器,以及具有较高功率水平的接连激光器,这类激光器峰值功率一般可到达3kW,平均功率300W。技能的腾跃催生出更高的峰值功率及平均功率。如今,峰值功率高达20kW,平均功率2kW,以及超高功率接连激光器现已问世。功率的不断更新换代,将光纤激光器推上了航空器材加工的舞台。
相较于传统的Nd:YAG激光器,光纤激光器在电光转化功率及光束亮度(单模或低位操作)方面均有明显的改进,且无需预热,功率改动时,无论是平顶形式(如图1所示),仍是高斯形式,光斑直径始终保持安稳如一,同时,脉冲频率更高,参数的实时调理性能也更强。因为光纤激光器运用的是单个发射器激起,所以在可靠性、功率安稳性及灵敏性方面较闪光灯泵浦激光器而言,有了质的腾跃。
图1平顶形式
鉴于光纤激光器的运用办法灵敏多样,不仅可以作为新机装置,也可以对现有出产线进行升级,所以正在占有越来越多的市场份额。之前一切运用Nd:YAG激光器的出产体系都能转化为光纤激光器。跟着市场需求的开展,现在已有峰值功率到达20kW高功率光纤激光器可供挑选(见下表)。
上述峰值功率及平均功率现已可以掩盖从微加工到大型加工,从微钻孔到大型钻孔,薄厚板材切开,深雕等多种运用需求。
航空范畴的钻孔需求
航空范畴无疑是又一个因光纤激光器而获益匪浅的职业。在现在航空业中,一个涡轮引擎可能会有多达数百万计个孔,这些孔主要用于协助器材在运转过程中及时散热。孔的厚度、角度、直径、形状各不相同。在航空范畴钻孔运用中,新型光纤激光器是一种更快,更灵敏、更安稳,也更具本钱优势的挑选。
出产航空器材冷却孔主要有两种办法:一种是运用多重脉冲,依据所需孔径构成钻孔(脉冲钻孔);另一种是运用小光斑,在圆形规模内移动光束构成钻孔(套孔)。总的来说,套孔速度慢,但形状更完美。在某些运用中,只能挑选套孔,这些孔一般直径为0.015–0.030in(如图2所示)。
图2:脉冲钻孔,左侧孔径为0.010in,右侧孔径为0.030in
航空范畴还有一个特别的钻孔需求,便是衔接限流孔的扇形孔(如图3所示)。这些扇形孔是冷却空气的出口,目的是将同等流量的空气分流至更大的规模,以到达更好的冷却作用。目前,出产扇形孔的工艺主要有以下几种:第一种是小光斑调Q激光器+扫描仪。扫描仪用于扫描限流孔出口处的形态。运用这种办法加工扇形孔,需求两台机器分头操作;第二种办法是缩小光斑尺度创造锥度,然后运用CNC套形,可是这种办法比搭载扫描仪的“二步法”慢得多;第三种办法是运用EDM钻孔技能,在构成限流孔后再增加一个扇形孔。有一点很重要,便是在钻扇形孔时,需求防止热障涂层的剥离,而现在绝大多数器材上都有热障涂层。
图3:衔接限流孔的A.030in扇形孔
航空范畴钻孔运用——光纤激光器
与Nd:YAG脉冲激光器相比,光纤激光器的优势清楚明了。首先,光纤激光器的泵浦源是二极管而非闪光灯,所以可以构成完美的方波;其次,选用闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器升降较慢,所以总有一部分激光能量低于目标区域的蒸发阈值,这部分能量会使资料熔化,导致热障涂层剥离。要到达重铸层的标准要求,脉冲周期有必要小于1ms。在这一点上,光纤激光器拥有绝对优势,因为它可以发作方波波形,所以运用10ms脉冲就能满意航空器材关于重铸层和裂化的标准要求。
咱们用燃烧室来举例说明。运用脉冲钻孔时,燃烧室会在钻孔的过程中同步旋转数圈,在这种情况下,钻透需求5个脉冲,别的再用2个脉冲构成扇形孔。一般这种激光器最大的重复频率是10脉冲/秒。而光纤激光器用1个长脉冲就能构成扇形孔,如果选用与Nd:YAG激光器相同的脉冲周期和脉冲能量,则速度可以到达本来的10倍。无论是单个或两个长脉冲,仍是多重脉冲,都能取得相同的钻孔质量。别的,光纤激光器还能调理钻透时与钻透后的脉冲周期,而不是一直运用多重脉冲,这样有利于防止损坏本体。
光纤激光器的特点是可以以平顶形式输出,而Nd:YAG激光器则为近似高斯形式。所以,得益于平顶形式,前者悉数能量均超越蒸发阈值,而后者则有适当一部分在阈值之下。研讨显现,在相同条件下到达相同钻孔作用,光纤激光器所需消耗的能量更少,究其原因,便是方波+平顶形式。也正是因为这个特性,光纤激光器在钻孔时功率更高,热损害更少。热损害少了,涂层剥离及重铸层均会随之改进。
Nd:YAG激光器之所以从前备受重视,其原因之一便是共同的光束发散属性,其光斑尺度能跟着功率的升高或下降改动,只需经过从头调焦,就能到达所需孔径。有的Nd:YAG激光器集成了内调焦望远镜,用于改动光束的发散角,可是这种调整需求操作人员具有极高的专业度,耗时,还要有正确的参数,所以很多人不看好这种办法。在这一点上,光纤激光器正好相反,因为其聚集形状为完美的圆形,所以在功率升高或下降时均不会发作改动,而且,如果在体系中置入一个可缩放的望远镜,就可以在飞翔钻孔时直接改动聚集光斑的巨细。规模一般为3-1。
光纤激光器的灵敏性远在Nd:YAG激光器之上,这主要是因为前者的高应对二极管可以在飞翔钻孔时改动脉冲周期和功率巨细,使操作人员可以运用不同的功率巨细及脉冲周期,创建所需的脉冲序列。比方,在开端钻孔时用低功率、短脉冲,然后根据特定的钻孔需求,按照序列提高功率和脉冲。因为光纤激光器可以在提供千瓦级高峰值功率的同时,调整光斑尺度及脉冲周期(低至10μs),所以只用一台机器就够了。
运用套孔技能时,光纤激光器的加工速度能到达灯泵浦Nd:YAG脉冲激光器的10倍。不仅如此,飞翔钻孔时,光纤激光器还能转化为功率高达2kW的接连输出,完成高速切开。关于某些燃烧室规划而言,这一数据还能进一步提高。综上所述,脉冲光纤激光器是切开较厚板材以及高速钻孔运用的理想挑选。
航空范畴钻孔运用——出产体系
光纤激光器的另一个明显优势便是易于与现有机器或是机器人体系整合。光纤激光器的能量传输是通过光缆完成的,所以无论是现有体系升级,仍是全新装置,都很简单。衔接光纤激光器的工业机器人可以通过编程完成精准操控,这样人们就可以树立一种新的钻孔体系,用较少的本钱投入,取得机器人体系的高度灵敏性。此外,将机器人与六轴体系相结合,也能满意航空器材工业钻孔对精确度的需求。直到今天,一些大型企业仍在不断深入研讨,包括多轴机器及机器人体系的开发,现有出产线的升级等等。
长脉冲光纤激光器可以明显改进冷却孔的参数,因而取得了航空范畴的广泛重视。运用光纤激光器钻孔,速度更快,质量更高,孔的性状更统一,操作本钱更低,还能构成一些曩昔无法构成的几何形状或作用。引擎出产商现已充沛意识到长脉冲光纤激光器的种种优势,并将其引进不同引擎器材的出产体系中,而这种需求也必将推动着光纤激光工艺进一步开展。