本文研究了采用直接傳(chuan) 輸和光纖傳(chuan) 輸的高峰值功率脈衝(chong) （約為(wei) 20kW）激光器進行連續鑽孔的實際應用效果，同時使用各種不同的激光和工作參數在超耐熱鎳基合金上加工大量的孔，並統計了加工時間、重鑄層、錐度、氧化層以及裂化等方麵的相關(guan) 數據。

　　航空燃氣渦輪上的葉片、噴管葉片以及燃燒室等部件在工作狀態時需要被冷卻，因此人們(men) 在這些部件的表麵打上數以千計的孔，用來保證部件表麵被一層薄薄的冷卻空氣覆蓋。這層冷卻空氣不僅(jin) 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(ge) 典型的較先進的引擎表麵會(hui) 有10萬(wan) 個(ge) 這樣的孔，隨著打孔技術的發展，目前業(ye) 界通常采用高峰值功率脈衝(chong) Nd-YAG激光器來加工，且套孔（trepanning）和脈衝(chong) 鑽孔（percussion）技術已經得到了成功的應用。

圖1 激光穿孔後的器件

　　EDM孔加工與(yu) 激光鑽孔

　　目前航空領域中用於(yu) 噴射引擎的氣體(ti) 溫度可達到2000℃，這個(ge) 溫度已經超過了渦輪葉片和燃燒室材料，即鎳合金的熔點，於(yu) 是人們(men) 一般采用邊界層冷卻的方法來解決(jue) 這個(ge) 問題，即在氣壓渦輪、噴管葉片和燃燒室表麵加工孔（見圖1），其中每個(ge) 零件上的孔從(cong) 25個(ge) 到4萬(wan) 個(ge) 不等（具體(ti) 零件的參數如表1所示)，冷卻氣體(ti) 可以通過零件上的小孔覆蓋整個(ge) 零件的表麵來隔絕外界的溫度，從(cong) 而起到保護作用。

表1 冷卻孔的典型應用

　　冷卻孔可以用電火花加工（EDM），也可以使用激光加工(laser oem)，雖然采用EDM方法可以加工出質量合格的小孔，但是加工效率明顯低於(yu) 激光加工(laser oem)。

EDM還有以下三個(ge) 缺點：

　　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(wei) 了提高耐熱性，葉片表麵需塗上絕緣陶瓷，但是EDM不適合在陶瓷塗層物質上穿孔。

　　目前使用脈衝(chong) Nd:YAG激光器已成為(wei) 航空航天領域鑽孔設備的首選，主要是由於(yu) 其具有以下優(you) 點：

　　1.使用1.06μm波長對於(yu) 材料的加工具有很好的效果。

　　2.具有高脈衝(chong) 能量和峰值功率的特性。

　　3.能快速在各種材料表麵上（包括有耐熱塗層材料在內(nei) ）加工出高深寬比的冷卻孔（見圖2）。

 
圖2 渦輪機的一個(ge) 定子葉片(西門子發電機), 表麵等離子濺射的熱隔離塗層材料YSZ (氧化鋯)

　　激光鑽孔及其質量控製

　　在航空領域中有兩(liang) 種基本的激光鑽孔方法：套孔和激光脈衝(chong) 鑽孔。套孔是用激光脈衝(chong) 先在孔的中心位置鑽孔，然後激光束移動到孔的圓周或者通過零件旋轉來加工出一個(ge) 孔。激光脈衝(chong) 鑽孔既不需要移動激光束，也不需要移動零件，僅(jin) 通過連續的激光脈衝(chong) 便可加工出孔，並且在加工過程中通過控製脈衝(chong) 能量的大小還可以調節孔的直徑，因此能夠大大縮短零件的加工周期，尤其在加工燃燒環、燃燒室等對稱結構的零部件時，加工時間還能被進一步被縮短。激光脈衝(chong) 鑽孔已成為(wei) 航空工業(ye) 中非常重要的應用技術。激光的脈衝(chong) 頻率與(yu) 工件的轉動頻率同步，激光脈衝(chong) 完全同時的以特定的排列來加工出所有的孔。然而，盡管這種“飛行鑽孔（drill on-the-fly）”技術縮短了加工時間，但是加工出來的孔的質量通常並不理想。

　　孔的質量問題非常關(guan) 鍵。通過激光加工(laser oem)的孔的質量好壞可以通過不同的特性來判斷。從(cong) 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(cong) 金相方麵考慮，可以通過重鑄層和氧化層等結構組織的變化來判斷。其中， 重鑄層的形成是由於(yu) 熔化的金屬沒有被激光脈衝(chong) 所產(chan) 生的氣壓噴射出來，而被留在孔內(nei) ，因此在孔壁留下了薄薄的一層固態金屬塗層，這層金屬塗層表麵會(hui) 產(chan) 生微裂紋，以致直接蔓延到本體(ti) 。一直以來，航空公司所使用的標準都在不斷地努力來提高孔的質量。例如勞斯萊斯航空公司，他們(men) 根據實際情況建立了可接受的氧化層和重鑄層的最大厚度標準，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範圍。而其他航空公司則是通過零件的氣體(ti) 流動性來判斷加工孔質量的好壞。

　　目前，加工航空零部件的鑽孔大都采用直接光束傳(chuan) 輸係統，但由於(yu) 許多技術方麵的原因，光纖出光係統在激光鑽孔方麵的應用一直發展緩慢。這其中有兩(liang) 個(ge) 主要原因：一是光纖損壞閾值相對較低；另一個(ge) 原因是傳(chuan) 輸的光束質量，光纖的直徑會(hui) 導致光束質量M的惡化。但當M2 = 25或更好時，使用正確的脈衝(chong) 參數也能生產(chan) 出合格的孔。因此， 光纖應用係統比光束直接傳(chuan) 輸係統相比具有一定優(you) 勢，主要體(ti) 現在：

　　1.激光束傳(chuan) 輸係統為(wei) CNC機床上的激光傳(chuan) 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(chuan) 輸脈衝(chong) 鑽孔技術在高質量穿孔中大大縮短了加工時間，有利於(yu) 提高生產(chan) 效率和減少加工成本。

　　脈衝(chong) 穿孔

　　以下主要討論使用高峰值功率(可達到20kW)的脈衝(chong) Nd:YAG激光器分別在直接光束傳(chuan) 輸和光纖傳(chuan) 輸係統中的脈衝(chong) 穿孔應用。我們(men) 選擇在鎳基合金上用不同的激光和參數進行打孔，從(cong) 而研究它的重鑄層、錐度、氧化層裂縫以及加工時間等參數的範圍。

　　1.鑽孔測試

　　（1）激光器

表2 JK704 的激光參數

　　試驗選用JK704激光器做直接傳(chuan) 輸光束鑽孔。這種激光器可提供很高的峰值功率（見表2）和很好的脈衝(chong) 穩定性，非常適合加工小徑孔（0.25～0.90mm）。激光器的高斯光束質量（見圖3）和增強的控製和脈衝(chong) 整形特性為(wei) 加工包括具有隔熱塗層材料在內(nei) 的航天材料時提供了更大的靈活性。

圖3 JK704 的光束質量

表3 JK 300D 參數表

 
圖4 JK300D 激光器的Top hat 光束特性

　　此光纖傳(chuan) 輸鑽孔測試將用GSI 最新的高峰值功率脈衝(chong) 激光器JK300D來完成（參數見表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衝(chong) 穿孔。激光器發出的光束在10m×300μm直徑的光纖中傳(chuan) 輸，通過160mm的右角度準直係統和光學聚焦鏡輸出。（2）穿孔測試

　　我們(men) 用兩(liang) 種激光係統分別采用各種激光和工作參數來進行鑽孔測試（見表4）。並通過這些參數來比較兩(liang) 種激光係統分別在航空鎳基合金上鑽孔的表現。

        表4 穿孔測試參數

（3）結果與(yu) 討論

　　由於(yu) 零件的設計者首先考慮的是充分的氣流量通過冷卻孔來達到合適的冷卻作用，而氣流大小主要由零件表麵的孔的大小和形狀來決(jue) 定，所以要嚴(yan) 格控製孔的尺寸、圓度和錐度。還有其他的一些因素要考慮，因為(wei) 孔和孔之間位置相對來說比較接近，所以任何孔的尺寸的偏差都有可能影響到該區域上的其他孔，從(cong) 而導致零件的局部偏差。除了重鑄層和熱機影響區外，錐度過大和表麵凸槽是不允許的。

 
圖5 不同脈衝(chong) 寬度時的鑽孔時間 (與(yu) 表麵成20角，JK300D，O2 輔助)

 
圖6 不同脈衝(chong) 寬度時的鑽孔時間 (與(yu) 表麵成10角，300μm光斑，O2 輔助)

圖7 不同脈衝(chong) 寬度時的鑽孔時間 (與(yu) 表麵成20角，JK704LD1，O2 輔助)

　　2.鑽孔時間

　　兩(liang) 種激光器在2mm厚的材料上加工一個(ge) 垂直孔的時間均不超過0.5s。圖5～8顯示了用光纖傳(chuan) 輸係統在表麵加工10和20的孔的時間。可以看出用160mm長焦距和直徑300μm的光斑更好的聚焦深度比120mm焦距的光束加工時間要短。同樣圖表也顯示了脈衝(chong) 寬度和加工時間的相關(guan) 性。長脈衝(chong) 寬度和因此的更高脈衝(chong) 能量的激光打孔要比短脈衝(chong) 寬度和因此的低脈衝(chong) 能量的加工速度快。我們(men) 用JK704 LD1激光器來演示這個(ge) 實驗，因為(wei) 他的激光束質量為(wei) M2=8要好於(yu) #p#分頁標題#e#JK300D的M2=16，從(cong) 而使加工時間變得更短。高質量的光束可以達到更長的焦距（200～250mm），同時還能保證快速鑽孔的能量密度要求。使用長焦距激光的主要優(you) 點在於(yu) 可以減少加工過程中由於(yu) 飛濺導致的損傷(shang) ，從(cong) 而延長保護鏡片的壽命。除此之外，高質量的光束可以提供很好的焦深，從(cong) 而提供各種工件或運動係統的更大的誤差範圍。

圖8 不同脈衝(chong) 寬度時的鑽孔時間 (與(yu) 表麵成10角，JK704LD1，O2 輔助)

　　3.錐度

　　圖9和圖10 表示了兩(liang) 種激光器分別在2mm厚的材料上加工不同角度孔的典型錐度。雖然兩(liang) 種係統產(chan) 生的錐度非常相似，但是可以看出，使用光纖傳(chuan) 輸係統加工出孔的圓度要比使用光束傳(chuan) 輸係統加工出的要好，因為(wei) 光纖能使激光分布更均勻。圖11展示了用兩(liang) 種激光器加工出的孔的截麵，可以看出，用兩(liang) 種激光加工(laser oem)出的垂直孔的錐度在深度方向並不一樣，尤其是在孔的中心位置變化很大，圖示反饋給我們(men) 的由於(yu) 激光參數導致的錐度差異，激光峰值功率密度對孔形狀的影響。如今的研究表明，表麵凸度的產(chan) 生，主要是在孔的中心部位，而且更多的是發生在高能量密度的情況下。由此推測，可能是因為(wei) 等離子體(ti) 的形成明顯地減少了在孔成形的過程中蒸發帶走物質的作用。在表麵上加工一個(ge) 銳角的孔時沒有表麵凸起產(chan) 生，可能是因為(wei) 光斑在一個(ge) 角度被拉長，而使能量密度減弱的緣故。

 
圖9 錐度%與(yu) 峰值功率 (JK300D)

圖10 錐度%與(yu) 峰值功率 (JK704LD1)

　　4.重鑄層

　　除了氧化層，重鑄層是激光鑽孔在金相方麵的主要特點，並且已經在光纖係統中經過全麵的研究。結果表明在表麵加工90的孔時，光纖傳(chuan) 輸激光係統重鑄層的典型厚度大概為(wei) 25～35μm。這個(ge) 重鑄層與(yu) 光束直接傳(chuan) 輸激光係統非常類似。而氧化層大概在10～15μm，兩(liang) 種激光器得出的測試結果都在此範圍內(nei) 。如果在表麵上加工一個(ge) 銳角的孔，那麽(me) 重鑄層厚度隨位置變化非常顯著。在入口處會(hui) 有更厚的重鑄層，可能是由於(yu) 在脈衝(chong) 鑽孔過程中大量地熔化了的材料從(cong) 這個(ge) 地方噴出而遺留下來的。同時我們(men) 也可以預測出，在低能量和低峰值功率的情況下重鑄層的厚度會(hui) 增加。

　　結語

　　GSI 集團自從(cong) 20世紀80年代以來就致力於(yu) 為(wei) 航空工業(ye) 生產(chan) 激光鑽孔機，並且JK704激光器已經在工業(ye) 激光鑽孔領域確立了標準。新的高功率的光纖傳(chuan) 輸激光器與(yu) 直接光束傳(chuan) 輸係統相比具有更多的優(you) 點（鑽孔效果如圖11所示）：

圖11 兩(liang) 種係統的鑽孔

　　1.簡潔、低成本且高功率的光纖傳(chuan) 輸激光鑽孔機。

　　2.在航空領域有一定範圍的脈衝(chong) 鑽孔應用，通常孔直徑為(wei) 0.4～0.8mm，厚度大於(yu) 6mm。

　　3.加工的孔能達到非常理想的圓度。

　　4.高質量的光束，可經300mm的光纖傳(chuan) 輸。典型的焦距範圍是120～160mm，並具有以下優(you) 點：

　　（1）高速的材料切除率；
（2）可以加工出淺角度的孔；
（3）很好的焦深；
（4）在加工過程中有效減少了因濺射產(chan) 生的光學器件損耗。

　　5.能加工與(yu) 表麵最小成10的孔。

　　6.簡單的激光集成運動係統，使機器人具有傳(chuan) 輸和多路分時加工的功能。

　　7.飛行鑽孔技術。