ipg光纤激光器在航空领域的钻孔应用

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1、IPG光纤激光器在航空领域的钻孔应用BillShinerIPG光子公司收稿日期：20171024Received：20171024在过去几十年里，Nd:YAG脉冲激光器一直是材料加工的主力军，其中相当一部分机器的使用时间甚至已经超过30年。其屮，波长为1070™的脉冲激光器应用最为广泛，比如医疗器械、航空和电子等。尽管如此，在某些方面，这种激光器仍有待改进，比如峰值功率高，但平均功率低，电效率不高，功率提升时光朿质量不稳定，聚焦光斑尺、?近似高斯光朿，在获得稳定输出之前需要几轮脉冲预热等。然而，纵冇种种不尽如人意，这种激光器还是在相当长一段吋间里发挥着重要的作用。

2、在航空领域，Nd:YAG脉冲激光器更是占据着主导地位，广泛用于各种器件的冷却孔加工。1.为何选择光纤激光器2009年初，从事材料加工行业的人们开始将0光投向那些能够提供高峰值功率的脉冲激光器，以及具有较高功率水平的连续激光器，这类激光器峰值功率一般可达到3kW，平均功率300W。技术的飞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。超高功率连续激光器己经问世。功率的不断更新换代，将光纤激光器推上了航空器件加工的舞台。相较于传统的Nd:YAG激光器，光纤激光器在电光转换效率及光束亮度（单模或低位操作）方面均有显著的改善，且无需预热，功

3、率改变时，无论是平顶模式（见阁1）,还是高斯模式，光斑直径始终保持稳定如一。同吋，脉冲频率更高，参数的实时调节性能也更强。由于光纤激光器利用的是单个发射器激发，所以在可靠性、功率稳定性及灵活性方面较闪光灯泵浦激光器而言，有了质的飞跃。鉴于光纤激光器的应用方式灵活多样，不仅可以作为新机安装，也可以对现有生产线进行升级，所以正在占据越来越多的市场份额。之前所有使用Nd:YAG激光器的生产系统都能转换为光纤激光器。随着市场需求的发展，现在已有峰值功率达到20kW的高功率光纤激光器可供选择（见附表）。图1平顶模式下载原图上述峰值功率及平均功率已经可以覆盖从微加工到大型加工

4、、从微钻孔到大型钻孔、薄厚板材切割及深雕等多种应用需求。1.航空领域的钻孔需求航空领域无疑是又一个因光纤激光器而获益匪浅的行业。在现代航空业中，一个涡轮发动机可能会有多达数百万计个孔，这些孔主要用于帮助器件在运转过程中及时散热。孔的厚度、角度、直径和形状各不相同。在航空领域钻孔应用中，新型光纤激光器是一种更快、更灵活、更稳定，也更具成本优势的选择。生产航空器件冷却孔主要有两种方式:一种是利用多重脉冲，依据所需孔径形成钻孔（脉冲钻孔）一种是利用小光斑，在圆形范围内移动光束形成钻孔（套孔）。总的来说，套孔速度慢，但形状更完美。在某些应用中，只能选择套孔，这些孔通常直径

5、为0.015〜0.030in（lin=0.0254m）,如图2所示。航空领域还有一个特殊的钻孔需求，就是连接限流孔的扇形孔（见图3）。这些扇形孔是冷却空气的出门，目的是将同等流量的空气分流至更大的范围，以达到更好的冷却效果。目前，生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。使用这种方法加工扇形孔，需要两台机器分头操作;第二种方法是缩小光斑尺十创造锥度，然后利用CNC套形，但是这种方法比搭载扫描仪的“二步法”慢得多;第三种方法是利用EDM钻孔技术，在形成限流孔后再增加一个扇形孔。有一点很重要，就是在钻扇形孔时，

6、需耍避免热障涂层的剥离，而现在绝大多数器件上都有热障涂层。光纤激光器功率表下载原表2.光纤激光器在航空领域的钻孔应用与Nd:YAG脉冲激光器相比，光纤激光器的优势显而易见。首先，光纤激光器的泵浦源是二极管而非闪光灯，所以能够形成完美的方波;其次，釆用闪光灯泵浦的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，这部分能量会使材料熔化，导致热障涂层剥离。要达到重铸层的规格要求,脉冲周期必须小于lms。在这一点上，光纤激光器拥有绝对优势，因为它能够产生方波波形，所以使用10ms脉冲就能满足航空器件对于重铸层和裂化的规格要求。图2脉冲钻孔下载原图

7、图3连接限流孔的直径0.030in扇形孔下载原图以燃烧室来举例说明。使用脉冲钻孔时，燃烧室会在钻孔的过程屮同步旋转数圈,在这种情况下，钻透需要5个脉冲，另外再用2个脉冲形成扇形孔。通常这种激光器最大的重复频率是10脉冲/s。而光纤激光器用1个长脉冲就能形成扇形孔，如果采用与Nd:YAG激光器相同的脉冲周期和脉冲能量，则速度可以达到原来的10倍。无论是单个或两个长脉冲，还是多重脉冲，都能获得相同的钻孔质量。另外，光纤激光器还能调节钻透时与钻透后的脉冲周期，而不是一直使用多重脉冲，这样有利于避免损坏本体。光纤激光器的特点是可以以平顶模式输出，而Nd:YAG激光器则为近

8、似高斯模式