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激光鉆孔在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2010-05-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
本文研究了采用直接傳輸和光纖傳輸?shù)母叻逯倒β拭}沖(約為20kW)器進(jìn)行連續(xù)的實(shí)際效果,同時(shí)使用各種不同的和工作參數(shù)在超耐熱鎳基合金上加工大量的孔,并統(tǒng)計(jì)了加工時(shí)間、重鑄層、錐度、氧化層以及裂化等方面的相關(guān)數(shù)據(jù)。

  燃?xì)鉁u輪上的葉片、噴管葉片以及燃燒室等部件在工作狀態(tài)時(shí)需要被冷卻,因此人們在這些部件的表面打上數(shù)以千計(jì)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(gè)典型的較先進(jìn)的引擎表面會(huì)有10萬個(gè)這樣的孔,隨著打孔技術(shù)的發(fā)展,目前業(yè)界通常采用高峰值功率脈沖Nd-YAG器來加工,且套孔(trepanning)和脈沖(percussion)技術(shù)已經(jīng)得到了成功的

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/169285.htm

圖1 激光穿孔后的器件

  EDM孔加工與激光

  目前中用于噴射引擎的氣體溫度可達(dá)到2000℃,這個(gè)溫度已經(jīng)超過了渦輪葉片和燃燒室材料,即鎳合金的熔點(diǎn),于是人們一般采用邊界層冷卻的方法來解決這個(gè)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(gè)零件上的孔從25個(gè)到4萬個(gè)不等(具體零件的參數(shù)如表1所示),冷卻氣體可以通過零件上的小孔覆蓋整個(gè)零件的表面來隔絕外界的溫度,從而起到保護(hù)作用。

表1 冷卻孔的典型

  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(zhì)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(gè)缺點(diǎn):

  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(zhì)上穿孔。

  目前使用脈沖Nd:YAG激光器已成為航天鉆孔設(shè)備的首選,主要是由于其具有以下優(yōu)點(diǎn):

  1.使用1.06μm波長對(duì)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(nèi))加工出高深寬比的冷卻孔(見圖2)。



圖2 渦輪機(jī)的一個(gè)定子葉片(西門子發(fā)電機(jī)), 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(zhì)量控制

  在航空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(dòng)到孔的圓周或者通過零件旋轉(zhuǎn)來加工出一個(gè)孔。激光脈沖鉆孔既不需要移動(dòng)激光束,也不需要移動(dòng)零件,僅通過連續(xù)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(diào)節(jié)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(huán)、燃燒室等對(duì)稱結(jié)構(gòu)的零部件時(shí),加工時(shí)間還能被進(jìn)一步被縮短。激光脈沖鉆孔已成為航空工業(yè)中非常重要的應(yīng)用技術(shù)。激光的脈沖頻率與工件的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率同步,激光脈沖完全同時(shí)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(shù)縮短了加工時(shí)間,但是加工出來的孔的質(zhì)量通常并不理想。

  孔的質(zhì)量問題非常關(guān)鍵。通過激光加工的孔的質(zhì)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(jié)構(gòu)組織的變化來判斷。其中, 重鑄層的形成是由于熔化的金屬?zèng)]有被激光脈沖所產(chǎn)生的氣壓噴射出來,而被留在孔內(nèi),因此在孔壁留下了薄薄的一層固態(tài)金屬涂層,這層金屬涂層表面會(huì)產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)都在不斷地努力來提高孔的質(zhì)量。例如勞斯萊斯航空公司,他們根據(jù)實(shí)際情況建立了可接受的氧化層和重鑄層的最大厚度標(biāo)準(zhǔn),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(dòng)性來判斷加工孔質(zhì)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(tǒng),但由于許多技術(shù)方面的原因,光纖出光系統(tǒng)在激光鉆孔方面的應(yīng)用一直發(fā)展緩慢。這其中有兩個(gè)主要原因:一是光纖損壞閾值相對(duì)較低;另一個(gè)原因是傳輸?shù)墓馐|(zhì)量,光纖的直徑會(huì)導(dǎo)致光束質(zhì)量M的惡化。但當(dāng)M2 = 25或更好時(shí),使用正確的脈沖參數(shù)也能生產(chǎn)出合格的孔。因此, 光纖應(yīng)用系統(tǒng)比光束直接傳輸系統(tǒng)相比具有一定優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在:

  1.激光束傳輸系統(tǒng)為CNC機(jī)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(shù)在高質(zhì)量穿孔中大大縮短了加工時(shí)間,有利于提高生產(chǎn)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(dá)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(tǒng)中的脈沖穿孔應(yīng)用。我們選擇在鎳基合金上用不同的激光和參數(shù)進(jìn)行打孔,從而研究它的重鑄層、錐度、氧化層裂縫以及加工時(shí)間等參數(shù)的范圍。

  1.鉆孔測試

 ?。?)激光器

表2 JK704 的激光參數(shù)

  試驗(yàn)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(wěn)定性,非常適合加工小徑孔(0.25~0.90mm)。激光器的高斯光束質(zhì)量(見圖3)和增強(qiáng)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(nèi)的航天材料時(shí)提供了更大的靈活性。

圖3 JK704 的光束質(zhì)量

表3 JK 300D 參數(shù)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(shù)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(fā)出的光束在10m×300μm直徑的光纖中傳輸,通過160mm的右角度準(zhǔn)直系統(tǒng)和光學(xué)聚焦鏡輸出。(2)穿孔測試

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

4 穿孔測試參數(shù)


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