隨著光纖激光器技術的發展,最近航空航天工業(ye) 正認真考慮在生產(chan) 線中引入光纖激光器。在航空航天工業(ye) 中,現代渦輪發動機的製造過程中通常需要鑽出數量多達成千上萬(wan) 的孔。渦輪葉片、導向葉片、燃燒室和複燃室都需要鑽孔,而且往往需要在不同厚度的部件上,以各種不同角度鑽出直徑不同的孔,以便為(wei) 部件提供冷卻空氣。這些部件由超合金製成,並且進行了多次陶瓷熱障塗層(TBC)。
目前,市場上能滿足商用和軍(jun) 用發動機製造商需求的鑽孔產(chan) 品較為(wei) 缺乏。燈泵浦Nd:YAG激光器是最主要的產(chan) 品,並且其已經主導了航空航天鑽孔市場長達數十年之久。隨著光纖激光器技術的發展,最近航空航天工業(ye) 正認真考慮在生產(chan) 線中引入光纖激光器。
圓孔可以通過兩(liang) 種方法加工——衝(chong) 擊鑽孔(percussiondrilling)和環形切割成孔(trepanning),其中衝(chong) 擊鑽孔將激光聚焦到所需要的開孔尺寸;而環形切割成孔是用激光切割出圓孔。這些孔的直徑範圍從(cong) 0.010~0.250英寸,厚度大於(yu) 0.5英寸,入射角從(cong) 30°到小於(yu) 10°。此外,還有一些部件(如燃燒室)需要更多的切割細節信息。
用於(yu) 衝(chong) 擊鑽孔的Nd:YAG激光器通常具有200W的平均功率,而峰值功率高達20kW。當衝(chong) 擊鑽孔時,典型的激光脈衝(chong) 持續時間為(wei) 600μs~1ms,峰值功率為(wei) 10~20kW。一些孔需要20J的脈衝(chong) 能量,這將脈衝(chong) 重複頻率限製到10pps。這些激光器可以在更長的脈衝(chong) 持續時間下運轉,因此脈衝(chong) 更少、鑽孔速度更快;然而重鑄層趨於(yu) 增加,又使其難以滿足孔的規格要求。
當使用衝(chong) 擊鑽孔時,需要多個(ge) 脈衝(chong) ,並且通常需要一些額外的脈衝(chong) 確保孔被穿透和出口處的尺寸。所需要的脈衝(chong) 數量隨著材料的厚度而變化,例如,燃燒室鑽孔需要的典型脈衝(chong) 數量為(wei) 5~7個(ge) 。如果孔之間的距離較近,則操作必須非常謹慎,因為(wei) 過多的熱量積聚可能導致熱障塗層的分層。在實際操作中,許多孔是以極快的速度鑽出的,以盡量減少熱量產(chan) 生,防止產(chan) 生熱障塗層分層。
環形切割成孔是燃燒室鑽孔應用所采用的另一種加工技術。相比之下,這種加工方式速度較慢,但是這種方法加工出的孔具有更好的一致性和更好的散熱特征。這種加工方式不需要返工,而衝(chong) 擊鑽孔則可能出現返工的情況。
導向葉片和渦輪葉片通常采用衝(chong) 擊鑽孔,雖然也有一些廠商更喜歡環形切割成孔方法。鑽孔過程中要防止背板受損。導向葉片和渦輪葉片通常充滿了各種各樣的材料,以防止激光損壞背板。在鑽孔過程完成後,填充材料可以取出。各發動機製造商所采用的填充材料不盡相同。
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