當代航天工業(ye) 中，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。這些孔被鑽成不同的形狀、厚度和大小，分散在渦輪發動機的葉片、螺旋槳、汽缸、燃燒室中，從(cong) 而用來給各種器件散熱。這些由超耐熱不鏽鋼製成的器件表麵覆蓋著若幹層熱障塗層(TBC)材料。如今的鑽孔技術還滿足不了引擎製造在商業(ye) 和軍(jun) 事方麵的需求，光纖激光器的出現彌補了這個(ge) 不足且使鑽孔工藝水平得到提高。

　　當前的鑽孔方式主要使用了燈泵浦Nd：YAG激光器，這種技術用於(yu) 航空工業(ye) 中鑽特殊形狀的孔已有數十年。通過將激光聚焦從(cong) 而得到所需要的孔狀（衝(chong) 擊鑽）或者通過切屑圓孔的方式（套鑽）來得到不同大小形狀的孔。這些孔的直徑從(cong) 0.1″到0.25″，厚度超過5″，切入角從(cong) 30°到小於(yu) 10°。此外，一些特殊零件例如燃燒室設計需要更高的切屑要求。

　　盡管燈泵浦Nd：YAG激光是主流的鑽孔方式而且在航空領域應用已有數十年，但光纖激光器的出現已經在航空工業(ye) 領域相關(guan) 應用方麵引起了足夠的重視。

　　衝(chong) 擊鑽孔所用的Nd：YAG激光器一般平均功率是200W，其峰值功率可達到20kW。與(yu) 此同時，激光脈衝(chong) 寬度一般從(cong) 600微秒到1毫秒，伴隨的峰值功率為(wei) 10-20kW。

　　一些孔要求脈衝(chong) 功率為(wei) 20焦耳，這一限度的脈衝(chong) 重複率為(wei) 10pps。這些激光的脈衝(chong) 持續時間可以更長並產(chan) 生更快的鑽孔速度。然而，再生層的趨勢使得形成特定規格孔狀變得越來越難。

　　當使用衝(chong) 擊鑽時，需要多重脈衝(chong) 來鑽孔，通常需要額外的脈衝(chong) 用來保證穿破和孔口形狀。對於(yu) 鑽一個(ge) 燃燒器來說，脈衝(chong) 變化的數量要求5-7個(ge) 之間，取決(jue) 於(yu) 實際厚度。操作中必須注意，如果孔之間間隔太小了，熱量積聚太多很容易使熱障塗層分開。實際上，在動態鑽孔過程中，燃燒室要求7個(ge) 回轉來完成鑽孔，以減少加熱和防止分層。套鑽是另一種燃燒室鑽孔方式，它比較慢，但是零件的表麵會(hui) 有更多呈現一致性的孔，同時流動特征非常好，又能避免像衝(chong) 擊鑽那樣出現返工的情況。在套鑽過程中，激光的脈衝(chong) 峰值一般定在一個(ge) 較短的脈衝(chong) 寬度，這樣激光加工才能實現更高的重複率。

　　葉片、螺旋槳的鑽孔通常采用衝(chong) 擊鑽模式，但也有些製造商青睞套鑽。背側(ce) 鑽擊需要重點考慮其最小距離。通常填充了大量的材料物質，以阻止激光損壞後側(ce) ，因背側(ce) 鑽孔過程中可移除，不同的引擎製造商所用的填充材料不一樣。

　　光纖激光器

　　光纖激光器能夠很容易的達到Nd：YAG激光器加工過程的各種參數指標，而且，光纖激光器具有高速、極大地降低維護成本的優(you) 勢，並提高加工參數標準。20kW的光纖激光器在連續功率為(wei) 20kW和調製頻率＞5000Hz時可實現運作。這種激光器價(jia) 格昂貴，難以發揮高重複率的優(you) 勢。專(zhuan) 門為(wei) 滿足航空鑽孔需要而研發的一款新型準連續QCW高脈衝(chong) 能量光纖激光器應用而生。其具有極其出色的脈衝(chong) 功率和能量穩定性，同時兼具高峰值功率，極佳的光束質量和優(you) 異的加工表現，這些均超過了當今航天工業(ye) 鑽孔的要求。此款光纖激光器提供5 種型號， 峰值功率涵蓋從(cong) 9kW-20kW、實際連續功率從(cong) 900W-2kW。同時成本效益也遠遠低於(yu) 傳(chuan) 統的燈泵浦Nd：YAG激光器。

       在航空公司進行的大量的應用試驗已經證明了光纖激光器具有的重大優(you) 勢。不同於(yu) Nd：YAG激光器，光纖激光器的脈衝(chong) 寬度可被提高來以一個(ge) 脈衝(chong) 生成符合航空規格的孔，每秒可鑽50->100個(ge) 孔。脈衝(chong) 寬度從(cong) 3-10毫秒，但仍然符合重鑄和微裂要求，這如果用Nd：YAG激光器，需要多重脈衝(chong) 才能完成。由於(yu) 光纖激光器輸出脈衝(chong) 是矩形波，保持的峰值功率貫穿了脈衝(chong) ，這些都是脈衝(chong) Nd：YAG激光器不具備的。

　　當使用光纖激光器時，不同的脈衝(chong) 寬度會(hui) 形成一種新的控製特征。不同於(yu) 在穿透之後采用額外脈衝(chong) 排列孔的大小，以提高對背側(ce) 鑽擊的關(guan) 注，現在，一個(ge) 新的脈衝(chong) 寬度參數可被編程並限製背側(ce) 的損壞。截麵分析表明，當使用多重脈衝(chong) 激光來鑽孔時，如果激光在盲孔底部鑽透前停止了，那麽(me) 其形狀將呈現頂蓋輪廓。在類似實驗中采用Nd：YAG激光器，底部的孔輪廓呈現一個(ge) 高斯型熱中心，這種曲線很難形成更大直徑的孔，不過仍然滿足當前需要的要求。而光纖激光器在鑽透時其孔大小恰好滿足特定規格要求。

　　光纖激光器鑽孔的優(you) 勢：

　　因光纖芯徑形狀如圖中所示，可以獲得更圓更一致的孔；

　　聚焦的頂蓋模式可以使熱影響區最小化；

　　矩形脈衝(chong) 可以維持峰值功率的脈寬；

　　可以實時調節光斑大小、功率和脈寬以產(chan) 生新的加工參數；

　　卓越的光束質量可以允許長焦距的使用到達難以進入的區域；

　　光斑大小保持不變成為(wei) 功率或能量的一個(ge) 函數；

　　避免了燈泵的更換和諧振腔校準；

　　大大降低了加工過程的運作成本；

　　共用一個(ge) 共振器可以完成切割、鑽孔、焊接等加工操作。　光纖激光器可以輕而易舉(ju) 的達到甚至超過Nd：YAG激光加工過程的參數，由於(yu) 頂蓋模式的光束和矩形波脈衝(chong) 結合，光纖激光器運作中重複率更高而單脈衝(chong) 能量更低。光纖激光器可以產(chan) 生連續脈衝(chong) 而燈泵浦則不可能做到。例如：激光可以以一個(ge) 較低的脈衝(chong) 功率和較短的脈衝(chong) 寬度滲透TBC層，增加功率和脈衝(chong) 寬度，然後在鑽透前最小化背側(ce) 鑽擊。由於(yu) 動態的性能和單發射器泵浦二極管的靈活性，這些激光參數是可以隨時調製的。

　　當使用套鑽模式進行航空燃燒室加工實驗時，光纖激光器被證實其加工產(chan) 出量是Nd：YAG激光器的10倍。這點很重要，鑒於(yu) 光纖激光器產(chan) 出套鑽的孔具有更高的一致性以及更快的速度，製造商可以選擇套鑽而不是衝(chong) 擊鑽。

　　許多大的航空零件需要進行更大的細節切割，光纖激光器可以隨時切換成CW模式，在2KW高能量下實現高質量高速度的切割，而這些都是Nd：YAG激光所不能及的。

　　另一個(ge) 優(you) 勢是矩形傳(chuan) 輸光纖的使用。初步研究實驗顯示，在一個(ge) 脈衝(chong) 內(nei) ，聚焦可生成一個(ge) 大的矩形孔入口孔和一個(ge) 圓的出口孔。從(cong) 方孔到圓孔的係數是可以進行光學調整的。在其它一些實驗中是很容易鑽取橢圓孔。這是可能的，因為(wei) 光纖激光器的長脈衝(chong) 鑽孔結合高旋轉速度作用於(yu) 圓形零件，同時重複率很高。這些過程需要進一步的研究和實驗，很可能會(hui) 產(chan) 生一種引擎製造商需要的更快的塑孔方式。

　　係統

　　從(cong) 機械領域的觀點來看，光纖激光器的應用開創了一個(ge) 新的紀元，由於(yu) 其輸出功率和快速轉換能力，使其變得更具吸引力。不同於(yu) 傳(chuan) 統激光器通過鏡片進行精密準直，光纖激光器通過一根柔性集成的光纖傳(chuan) 輸能量，可以與(yu) 機器人進行完美集成。現代機器人進入了編程和精確要求的時代，這些都是未來航空鑽孔平台所需要的。

 　　結論

　　這種新型準連續QCW高脈衝(chong) 能量光纖激光器可提供較好的成本效益，替代當前的Nd：YAG激光器。這款光纖激光器被證實可以達到或超越當今航空部件鑽孔要求的標準，同時也為(wei) 航空工業(ye) 提供了一種提高當前生產(chan) 效率的機遇選擇，同時也能提供更高質量的鑽孔，不斷地探尋新的工藝和加工參數。