光纤激光器在航空领域的运用

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  光纤激光器在航空领域的运用

        在曩昔几十年里,Nd:YAG脉冲激光器一向是材料加工的主力军,其中相当一部分机器的使历时间乃至已超过30年。其中,波长为1070nm的脉冲激光器应用最为广泛,比如医疗器材、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,比如峰值功率高,但平均功率低,电效果和速率不高,功率提升光阴束品质不稳定,聚焦光斑尺寸相似高斯光束,在得到稳定输出以前需要几轮脉冲预热等等。但是,纵有各种不尽如人意,这种激光器还是在相当长一段时间里发挥侧重要的作用。在航空领域,Nd:YAG脉冲激光器更是据有着主导位置,广泛用在各种器件的冷却孔加工。 

  光纤激光技术

  2009年初,从事材料加工行业的人开始将目光投向那些可以提供岑岭值功率的脉冲激光器,乃至具备较高功率程度的持续激光器,这种激光器峰值功率普遍可达到3kW,平均功率300W。技术的飞腾腾跃催生出更加高的峰值功率及平均功率。现在,峰值功率高达20kW,平均功率2kW,乃至超高功率持续激光器已问世。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果和速率及光束亮度(单模或低位操控)方面均有明显的改进,且不必预热,功率改变时,不管是平顶模式(如图1所示),还是高斯模式,光斑直径一直保持稳定如一,同时,脉冲频次更加高,参数的即时调度特性和功能也更加强。因为光纤激光器利用的是一个发射器激发,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,有了质的飞腾腾跃。

光纤激光器在航空领域的运用

  图1平顶模式

  鉴于光纤激光器的运用方法灵活多样,不仅是可以作为新机安装,也可以对现有生产线进前进级,所以正在据有愈来愈多的市场份额。以前所有使用Nd:YAG激光器的生产系统都能转换为光纤激光器。伴随着市场需求的发展,现在已有峰值功率达到20kW高功率光纤激光器可供选择(见下表)。

光纤激光器在航空领域的运用

  上述峰值功率及平均功率已可以覆盖从微加工到大型加工,从微钻孔到大型钻孔,薄厚板材切割,深雕等好多种应用需求。

  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,这些孔主要用在帮助器件在运行过程当中及时散热。孔的厚度、角度、直径、表面各不同样。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,也更具花费优势的选择。

  生产航空器件冷却孔主要有两种方法:一种是利用多重脉冲,根据所需孔径产生钻孔(脉冲钻孔);另外一种是利用小光斑,在圆形规模内移动光束产生钻孔(套孔)。总的来讲,套孔速度慢,但表面更完美。在某些应用中,只能选择套孔,这些孔普遍直径为0.015–0.030in(如图2所示)。

光纤激光器在航空领域的运用

  图2:脉冲钻孔,左边孔径为0.010in,右边孔径为0.030in

  航空领域还有一个特殊的钻孔需求,就是連接限流孔的扇形孔(如图3所示)。这些扇形孔是冷却空气的出口,目的是将同样流量的空气分流至更加大的规模,以达到更加好的冷却功效。当前,生产扇形孔的技术主要有以下几种:第一种是小光斑调Q激光器+扫描仪。扫描仪用在扫描限流孔出口处的形態。使用这种方法加工扇形孔,需要两台机器分头操控;第二种方法是缩小光斑尺寸创造锥度,而后利用CNC套形,但是这种方法比搭载扫描仪的“二步法”慢好多;第三种方法是利用EDM钻孔技术,在产生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,需要防止热障涂层的剥离,而现在绝大大多器件上都有热障涂层。

光纤激光器在航空领域的运用

  图3:連接限流孔的A.030in扇形孔

  航空领域钻孔应用——光纤激光器

  与Nd:YAG脉冲激光器相比较,光纤激光器的优势不言而喻。首先,光纤激光器的泵浦源是二极管而非闪光灯,所以可以产生完美的方波;其次,选用闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器起落较慢,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溶化,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1ms。在这一点上,光纤激光器具备绝对优势,因为它可以产生方波波形,所以使用10ms脉冲就可以满足航空器件对重铸层和裂化的规格要求。



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