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前沿激光科技:YAG/光纤/掺镱激光钻孔

作者:不朽情缘宣布于:2015-12-29 09:23:15浏览:

        工业激光装备已经不再是什么新颖的玩意,激光切割机,激光镌刻机,激光打标机有用地降低的加工产品的本钱,提高了生产效率和生产效益。下面不朽情缘为各人讲述Nd:YAG激光钻孔工艺,光纤激光钻孔手艺初期研究效果,掺镱激光在激光钻孔领域的应用,激光钻孔应用于航空制造实例,激光钻孔及其质量控制,脉冲穿孔的手艺。

第一、Nd:YAG激光钻孔工艺


        使用Nd:YAG激光钻孔手艺,可以在机械上加工出极小、极为准确且与外貌成法角或极端角度的孔洞,可实现种种形状、偏向加工,且适用于种种各样的质料,包括极难加工的航天合金。例如,Prima Power Laserdyne公司(Prima Power North America Inc.旗下)就已在全球规模内装置了750多台航天制造专用系统。最常使用的是高功率(200-400 W平均功率)脉冲Nd:YAG激光器。通过攻击钻孔(图1)或穿孔完成加工。在激光钻孔工艺中,高功率密度通过0.05 mm至0.75 mm的对焦光斑巨细实现。

        攻击钻孔是指从激光器发出一束或多束激光脉冲,激光光束和加工部件都是牢靠的。是否需要多束脉冲,取决于加工的孔深。攻击钻孔的另一个变型是航行钻孔,由牢靠的激光器向加工部件发出激光脉冲,同时旋转加工部件 ?锥ㄎ皇切俾屎图す馄髀龀迤德实囊桓龊。若是需要多束脉冲,可使用相关软件(例如由Laserdyne开发的CylPerf软件)来同步部件运动和激光脉冲,确保多束脉冲准确射向所需的位置。通过更改激光脉冲能量,可以调解脉冲频率、镜头焦距、孔尺寸或锥度特征以知足孔设计要求。
 

激光钻孔

  另一种钻孔工艺是穿孔。其中,加工部件坚持静止,激光光束移动并通过切割形状来天生孔洞或特征。这种"钻孔"方法通常适用于同时举行攻击和钻孔的应用。而超准确、可重复性激光定位系统的问世,使得奇异、准确的穿孔加工成为可能。


激光器平均功率由脉冲频率、脉冲能量所决议,而功率又受激光器不泛起性能下降的事情周期所限制。攻击钻孔工艺通常使用<100 W至400 W的平均功率。而脉宽的选择关系到钻孔的质量,较短的脉宽可能会限制单束脉冲可实现的最大能量;典范的脉宽规模为0.5-2 ms。


脉冲能量是用以区分钻孔激光器与其他加工应用激光器的一项特征。脉冲能量越高,钻孔速率越快,但可能会对孔洞质量造成倒运影响。大多情形下,所需的脉冲能量由实验效果、质料厚度、因素以及所需的孔直径所决议。


关于特定的激光器装备,聚焦透镜将决议光斑巨细。攻击钻孔工艺中的光斑巨细与待钻的孔直径相关:关于较薄的质料(<0.5 mm),光斑巨细几近即是孔尺寸;而随着金属厚度增添,可通过攻击钻孔实现的孔直径规模逐渐缩小。这时穿孔工艺(图2)就派上用场了。

        激光钻孔手艺应用于航空器及陆地(发电)应用的涡轮发念头组件上已有近45年的历史了,而关于汽车工程师、过滤设计师以及医疗装备制造商而言,激光钻孔手艺已是其部件制造流程中不可或缺的一部分。

  第二、光纤激光钻孔手艺初期研究效果


镱(Yb)光纤激光器是最常用于质料加工的光纤激光器类型。最初它们是作为一连波(CW)激光器开发出来的,厥后虽然增添了脉冲功效,但其峰值功率仍与CW平均功率一样。这对切割和焊接应用很是有用,但却限制了钻孔效率。常用的Nd:YAG钻孔激光器的峰值为50 kW,而许多应用均使用20-35 kW脉冲的峰值功率。


位于马萨诸塞州牛津市的IPG Photonics应用实验室装置了Laserdyne 795系统后,Yb光纤激光器的使用重新引发了人们的兴趣。实验证实,使用20 kW CW光纤激光器可以通过攻击钻孔和穿孔工艺得出很是完善的孔质量。这一效果为Laserdyne Champlin应用实验室装置专门用于钻孔研究的15 kW CW Yb光纤激光器涤讪了基础。


这一研究旨在获取特另外适用钻孔数据,以及确定下一阶段所需的激光器尺寸。但将Yb光纤激光器用于钻孔应用还保存一个主要的问题,即激光器本钱。与光纤激光器的所有种种优势相比,其本钱要横跨5倍多;这在制造操作中可能行欠亨。


        尚有一种备选计划,就是制造与Nd:YAG激光器一样售价本钱的准一连波(QCW)激光器。所需的QCW激光器尺寸规模将通过一连串测试决议。

第三、研究结论
现在这一阶段的研究得出了以下结论:
1. 使用与Nd:YAG激光器参数最为相近的光纤激光器可完成钻孔,还可以通过一系列参数选项来提高产量和/或孔质量。
2. 使用光纤激光器提高光束质量并最终提高功率密度和降低光斑巨细,对冶金学效果有极大影响。
3. 带热障涂层(TBC)质料的钻孔效果显示了分层性能获得极大改善。
4. 穿孔比攻击钻孔更为"实惠",且前者的几何学、冶金学效果要优于后者。可是,质量提高是以产量下降为价钱的,由于攻击钻孔的产量是1孔/秒,而钻同样一个孔穿孔工艺需要3秒,即时钻孔手艺却可以以3孔/秒的速率实现同样的质量效果。
5. 保存一种可能性,即使用非通例的钻孔参数可以取得可接受的效果。例如,在1.45 mm厚TBC涂层质料上钻取直径为0.5 mm、与外貌成30°角的孔。使用8ms的单束"长"脉冲,能够以0.10秒的速率完成钻孔。
        6. 介于9-12 kW规模内的QCW激光器可以提高钻孔机效率。事实上这些效果宣布后,美国和欧洲许多公司纷纷订购这一系统以举行进一步对焦研究。
虽然这些效果很是令人振奋且受惊,但尚有一些有待解决的问题。最主要的一个问题就是,接纳攻击钻孔和航行钻孔手艺时怎样控制孔巨细。

       第四、掺镱激光在激光钻孔领域的应用
        由于与古板的钻孔手艺相比,激光钻孔更有优势,因而在许多领域取得了乐成。其优势包括非接触式处置惩罚、质料中输入的热量低、钻孔的质料规模广、准确、一致性好,其它优势包括能够打次μm巨细的孔、打宽高较量大的小孔和以一定的角度钻孔。


常用的钻孔手艺有定点攻击钻孔和旋切钻孔。其中,攻击钻孔指在一个位置上用脉冲激光束一直地加工,直至孔通。高速航行钻孔也是一种定点攻击钻孔手艺,通常用于滤光片和导流板钻孔。旋切钻孔指加工孔径较大的孔或者具有一定形状的孔,旋切钻孔的优势包括加工的孔径大、一致性好以及能够加工具有一定形状的孔,旋切钻孔还能够降低孔的锥度。


光纤激光形成的光斑直径只有10 – 20μm巨细,单模和Q调制光纤激光用具有完善的高斯光束,峰值功率高且脉宽小,很是适用于薄板材、陶瓷和硅质料的钻孔处置惩罚。通过改变光学设置可以钻孔孔径的巨细获得差别的光斑尺寸。现在,高功率光纤激光器还用于岩石钻孔和油气勘探领域,高功率、高能量激光脉冲还可用于厚金属质料钻孔。


应用实例:1.流体过滤片、网钻孔、2.柔性陶瓷辊钻孔(次μm大。3.导流板高速钻孔、4.硅质料钻孔、5.钻石除瑕疵钻孔、6.在线冷却微孔、7.岩石钻孔
钻孔质料:低碳钢、不锈钢、钛合金、铝合金、镀锌钢、镍钛合金、铬镍铁合金、陶瓷、钻石。
效劳市场:工业、医疗、汽车、航空、消耗产品、电子、半导体、珠宝、油气勘探。

         第五、激光钻孔应用于航空制造实例
         现在航空领域中用于喷射引擎的气体温度可抵达2000℃,这个温度已经凌驾了涡轮叶片和燃烧室质料,即镍合金的熔点,于是人们一样平常接纳界线层冷却的要领来解决这个问题,即在气压涡轮、喷管叶片和燃烧室外貌加工孔,其中每个零件上的孔从25个到4万个不等(详细零件的参数如表1所示),冷却气体可以通过零件上的小孔笼罩整个零件的外貌来阻遏外界的温度,从而起到;ぷ饔。

        冷却孔可以用电火花加工(EDM),也可以使用激光加工,虽然接纳EDM要领可以加工出质量及格的小孔,可是加工效率显着低于激光加工。别的,EDM尚有以下三个弱点:
1.适合低入射角和入射角转变的场合。
2.要使用种种耗材,如电解液等, 增添了加工本钱。
3.为了提高耐热性,叶片外貌需涂上绝缘陶瓷,可是EDM不适合在陶瓷涂层物质上穿孔。
现在使用脉冲Nd:YAG激光器已成为航空航天领域钻孔装备的首选,主要是由于其具有以下优点:
1.使用1.06μm波长关于质料的加工具有很好的效果。
2.具有高脉冲能量和峰值功率的特征。
3.能快速在种种质料外貌上(包括有耐热涂层质料在内)加工出高深宽比的冷却孔。
 
第六、激光钻孔及其质量控制
在航空领域中有两种基本的激光钻孔要领:套孔和激光脉冲钻孔。套孔是用激光脉冲先在孔的中央位置钻孔,然后激光束移动到孔的圆周或者通过零件旋转来加工出一个孔。激光脉冲钻孔既不需要移动激光束,也不需要移动零件,仅通过一连的激光脉冲便可加工出孔,并且在加工历程中通过控制脉冲能量的巨细还可以调理孔的直径,因此能够大大缩短零件的加工周期,尤其在加工燃烧环、燃烧室等对称结构的零部件时,加工时间还能被进一步被缩短。激光脉冲钻孔已成为航空工业中很是主要的应用手艺。激光的脉冲频率与工件的转动频率同步,激光脉冲完全同时的以特定的排列来加工出所有的孔。然而,只管这种“航行钻孔(drill on-the-fly)”手艺缩短了加工时间,可是加工出来的孔的质量通常并不睬想。


孔的质量问题很是要害。通过激光加工的孔的质量优劣可以通过差别的特征来判断。从几何要素思量,可以通过孔的圆度、锥度以及入口直径的转变来判断。从金相方面思量,可以通过重铸层和氧化层等结构组织的转变来判断。其中, 重铸层的形成是由于熔化的金属没有被激光脉冲所爆发的气压喷射出来,而被留在孔内,因此在孔壁留下了薄薄的一层固态金属涂层,这层金属涂层外貌会爆发微裂纹,以致直接伸张到本体。一直以来,航空公司所使用的标准都在一直地起劲来提高孔的质量。例如劳斯莱斯航空公司,他们凭证现真相形建设了可接受的氧化层和重铸层的最大厚度标准,使工件在使用之前,工件上的孔的几何尺寸具有可接受最大的偏移值规模。而其他航空公司则是通过零件的气体流动性来判断加工孔质量的优劣。

        现在,加工航空零部件的钻孔大都接纳直接光束传输系统,但由于许多手艺方面的缘故原由,光纤出光系统在激光钻孔方面的应用一直生长缓慢。这其中有两个主要缘故原由:一是光纤损坏阈值相对较低;另一个缘故原由是传输的光束质量,光纤的直径会导致光束质量M的恶化。但当M2 = 25或更好时,使用准确的脉冲参数也能生产出及格的孔。因此, 光纤应用系统比光束直接传输系统相比具有一定优势,主要体现在:


1.激光束传输系统为CNC机床上的激光传输提供了选择。
2.使能量均化带来Top hat的特征,改善了孔的圆度和一致性。
        3.传输脉冲钻孔手艺在高质量穿孔中大大缩短了加工时间,有利于提高生产效率和镌汰加工本钱。

  第七、脉冲穿孔
以下主要讨论使用岑岭值功率(可抵达20kW)的脉冲Nd:YAG激光器划分在直接光束传输和光纤传输系统中的脉冲穿孔应用。我们选择在镍基合金上用差别的激光和参数举行打孔,从而研究它的重铸层、锥度、氧化层裂痕以及加工时间等参数的规模。


1.钻孔测试


(1)激光器
试验选用JK704激光器做直接传输光束钻孔。这种激光器可提供很高的峰值功率(见表2)和很好的脉冲稳固性,很是适合加工小径孔(0.25~0.90mm)。激光器的高斯光束质量和增强的控制和脉冲整形特征为加工包括具有隔热涂层质料在内的航天质料时提供了更大的无邪性。


此光纤传输钻孔测试将用GSI 最新的岑岭值功率脉冲激光器JK300D来完成。这种激光器有很高的峰值功率和Top hat特征(见图4),适合航空合金质料脉冲穿孔。激光器发出的光束在10m×300μm直径的光纤中传输,通过160mm的右角度准直系统和光学聚焦镜输出。

(2)穿孔测试
我们用两种激光系统划分接纳种种激光和事情参数来举行钻孔测试(见表4)。并通过这些参数来较量两种激光系统划分在航空镍基合金上钻孔的体现。

        (3)效果与讨论
由于零件的设计者首先思量的是充分的气流量通过冷却孔来抵达合适的冷却作用,而气流巨细主要由零件外貌的孔的巨细和形状来决议,以是要严酷控制孔的尺寸、圆度和锥度I杏衅渌囊恍┮蛩匾剂,由于孔和孔之间位置相对来说较量靠近,以是任何孔的尺寸的误差都有可能影响到该区域上的其他孔,从而导致零件的局部误差。除了重铸层和热机影响区外,锥度过大和外貌凸槽是不允许的。

2.钻孔时间


两种激光器在2mm厚的质料上加工一个笔直孔的时间均不凌驾0.5s。图5~8显示了用光纤传输系统在外貌加工10和20的孔的时间 ?梢钥闯鲇160mm长焦距和直径300μm的光斑更好的聚焦深度比120mm焦距的光束加工时间要短。同样图表也显示了脉冲宽度和加工时间的相关性。长脉冲宽度和因此的更高脉冲能量的激光打孔要比短脉冲宽度和因此的低脉冲能量的加工速率快。我们用JK704 LD1激光器来演示这个实验,由于他的激光束质量为M2=8要好于JK300D的M2=16,从而使加工时间变得更短。高质量的光束可以抵达更长的焦距(200~250mm),同时还能包管快速钻孔的能量密度要求。使用长焦距激光的主要优点在于可以镌汰加工历程中由于飞溅导致的损伤,从而延伸;ぞ灯氖倜。除此之外,高质量的光束可以提供很好的焦深,从而提供种种工件或运动系统的更大的误差规模。

3.锥度


图9和图10 体现了两种激光器划分在2mm厚的质料上加工差别角度孔的典范锥度。虽然两种系统爆发的锥度很是相似,可是可以看出,使用光纤传输系统加工出孔的圆度要比使用光束传输系统加工出的要好,由于光纤能使激光漫衍更匀称。图11展示了用两种激光器加工出的孔的截面,可以看出,用两种激光加工出的笔直孔的锥度在深度偏向并纷歧样,尤其是在孔的中央位置转变很大,图示反响给我们的由于激光参数导致的锥度差别,激光峰值功率密度对孔形状的影响。现在的研究批注,外貌凸度的爆发,主要是在孔的中央部位,并且更多的是爆发在高能量密度的情形下。由此推测,可能是由于等离子体的形成显着地镌汰了在孔成形的历程中蒸发带走物质的作用。在外貌上加工一个锐角的孔时没有外貌凸起爆发,可能是由于光斑在一个角度被拉长,而使能量密度削弱的缘故。

        4.重铸层


除了氧化层,重铸层是激光钻孔在金相方面的主要特点,并且已经在光纤系统中经由周全的研究。效果批注在外貌加工90的孔时,光纤传输激光系统重铸层的典范厚度或许为25~35μm。这个重铸层与光束直接传输激光系统很是类似。而氧化层或许在10~15μm,两种激光器得出的测试效果都在此规模内。若是在外貌上加工一个锐角的孔,那么重铸层厚度随位置转变很是显著。在入口处会有更厚的重铸层,可能是由于在脉冲钻孔历程中大宗地熔化了的质料从这个地方喷出而遗留下来的。同时我们也可以展望出,在低能量和低峰值功率的情形下重铸层的厚度会增添。
 

        不朽情缘专业激光装备生产商,产品有激光喷码机,紫外激光打标机,光纤激光切割机等等。

 

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