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行業(yè)資訊
前沿激光科技：YAG/光纖/摻鐿激光鉆孔
工業(yè)激光設(shè)備已經(jīng)不再是什么新奇的玩意，激光切割機(jī)，激光雕刻機(jī)，激光打標(biāo)機(jī)有效地降低的加工產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益。下面大族粵銘激光為大家講述Nd:YAG激光鉆孔工藝，光纖激光鉆孔技術(shù)初期研究成果，摻鐿激光在激光鉆孔領(lǐng)域的應(yīng)用，激光鉆孔應(yīng)用于航空制造實(shí)例，激光鉆孔及其質(zhì)量控制，脈沖穿孔的技術(shù)。
利用Nd：YAG激光鉆孔技術(shù)，可以在機(jī)器上加工出極小、極為精確且與表面成法角或極端角度的孔洞，可實(shí)現(xiàn)各種形狀、方向加工，且適用于各種各樣的材料，包括極難加工的航天合金。例如，Prima Power Laserdyne公司（Prima Power North America Inc.旗下）就已在全球范圍內(nèi)安裝了750多臺航天制造專用系統(tǒng)。最常使用的是高功率（200-400 W平均功率）脈沖Nd：YAG激光器。通過沖擊鉆孔（圖1）或穿孔完成加工。在激光鉆孔工藝中，高功率密度通過0.05 mm至0.75 mm的對焦光斑大小實(shí)現(xiàn)。
沖擊鉆孔是指從激光器發(fā)出一束或多束激光脈沖，激光光束和加工部件都是固定的。是否需要多束脈沖，取決于加工的孔深。沖擊鉆孔的另一個(gè)變型是飛行鉆孔，由固定的激光器向加工部件發(fā)出激光脈沖，同時(shí)旋轉(zhuǎn)加工部件?？锥ㄎ皇切D(zhuǎn)速度和激光器脈沖頻率的一個(gè)函數(shù)。如果需要多束脈沖，可使用相關(guān)軟件（例如由Laserdyne開發(fā)的CylPerf軟件）來同步部件運(yùn)動和激光脈沖，確保多束脈沖準(zhǔn)確射向所需的位置。通過更改激光脈沖能量，可以調(diào)整脈沖頻率、鏡頭焦距、孔尺寸或錐度特性以滿足孔設(shè)計(jì)要求。
另一種鉆孔工藝是穿孔。其中，加工部件保持靜止，激光光束移動并通過切割形狀來生成孔洞或特征。這種"鉆孔"方式通常適用于同時(shí)進(jìn)行沖擊和鉆孔的應(yīng)用。而超精確、可重復(fù)性激光定位系統(tǒng)的問世，使得獨(dú)特、精確的穿孔加工成為可能。
激光器平均功率由脈沖頻率、脈沖能量所決定，而功率又受激光器不出現(xiàn)性能下降的工作周期所限制。沖擊鉆孔工藝通常使用<100 W至400 W的平均功率。而脈寬的選擇關(guān)系到鉆孔的質(zhì)量，較短的脈寬可能會限制單束脈沖可實(shí)現(xiàn)的最大能量；典型的脈寬范圍為0.5-2 ms。
脈沖能量是用以區(qū)分鉆孔激光器與其他加工應(yīng)用激光器的一項(xiàng)特征。脈沖能量越高，鉆孔速度越快，但可能會對孔洞質(zhì)量造成不利影響。大多情況下，所需的脈沖能量由實(shí)驗(yàn)結(jié)果、材料厚度、成分以及所需的孔直徑所決定。
對于特定的激光器裝備，聚焦透鏡將決定光斑大小。沖擊鉆孔工藝中的光斑大小與待鉆的孔直徑相關(guān)：對于較薄的材料(<0.5 mm)，光斑大小幾近等于孔尺寸；而隨著金屬厚度增加，可通過沖擊鉆孔實(shí)現(xiàn)的孔直徑范圍逐漸縮小。這時(shí)穿孔工藝（圖2）就派上用場了。
激光鉆孔技術(shù)應(yīng)用于航空器及陸地（發(fā)電）應(yīng)用的渦輪發(fā)動機(jī)組件上已有近45年的歷史了，而對于汽車工程師、過濾設(shè)計(jì)師以及醫(yī)療設(shè)備制造商而言，激光鉆孔技術(shù)已是其部件制造流程中不可或缺的一部分。
鐿(Yb)光纖激光器是最常用于材料加工的光纖激光器類型。最初它們是作為連續(xù)波(CW)激光器開發(fā)出來的，后來雖然增加了脈沖功能，但其峰值功率仍與CW平均功率一樣。這對切割和焊接應(yīng)用非常有效，但卻限制了鉆孔效率。常用的Nd：YAG鉆孔激光器的峰值為50 kW，而許多應(yīng)用均使用20-35 kW脈沖的峰值功率。
位于馬薩諸塞州牛津市的IPG Photonics應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室安裝了Laserdyne 795系統(tǒng)后，Yb光纖激光器的使用重新引發(fā)了人們的興趣。實(shí)驗(yàn)證明，利用20 kW CW光纖激光器可以通過沖擊鉆孔和穿孔工藝得出非常完美的孔質(zhì)量。這一成果為Laserdyne Champlin應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室安裝專門用于鉆孔研究的15 kW CW Yb光纖激光器奠定了基礎(chǔ)。
這一研究旨在獲取額外的實(shí)用鉆孔數(shù)據(jù)，以及確定下一階段所需的激光器尺寸。但將Yb光纖激光器用于鉆孔應(yīng)用還存在一個(gè)重要的問題，即激光器成本。與光纖激光器的所有種種優(yōu)勢相比，其成本要高出5倍多；這在制造操作中可能行不通。
還有一種備選方案，就是制造與Nd：YAG激光器一樣售價(jià)成本的準(zhǔn)連續(xù)波(QCW)激光器。所需的QCW激光器尺寸范圍將通過一連串測試決定。
目前這一階段的研究得出了以下結(jié)論：
1. 利用與Nd：YAG激光器參數(shù)最為相近的光纖激光器可完成鉆孔，還可以通過一系列參數(shù)選項(xiàng)來提高產(chǎn)量和/或孔質(zhì)量。
2. 利用光纖激光器提高光束質(zhì)量并最終提高功率密度和降低光斑大小，對冶金學(xué)結(jié)果有極大影響。
3. 帶熱障涂層(TBC)材料的鉆孔結(jié)果顯示了分層性能得到極大改善。
4. 穿孔比沖擊鉆孔更為"實(shí)惠"，且前者的幾何學(xué)、冶金學(xué)結(jié)果要優(yōu)于后者。但是，質(zhì)量提高是以產(chǎn)量下降為代價(jià)的，因?yàn)闆_擊鉆孔的產(chǎn)量是1孔/秒，而鉆同樣一個(gè)孔穿孔工藝需要3秒，即時(shí)鉆孔技術(shù)卻可以以3孔/秒的速度實(shí)現(xiàn)同樣的質(zhì)量結(jié)果。
5. 存在一種可能性，即利用非常規(guī)的鉆孔參數(shù)可以取得可接受的結(jié)果。例如，在1.45 mm厚TBC涂層材料上鉆取直徑為0.5 mm、與表面成30°角的孔。利用8ms的單束"長"脈沖，能夠以0.10秒的速率完成鉆孔。
6. 介于9-12 kW范圍內(nèi)的QCW激光器可以提高鉆孔機(jī)效率。事實(shí)上這些結(jié)果公布后，美國和歐洲許多公司紛紛訂購這一系統(tǒng)以進(jìn)行進(jìn)一步對焦研究。
雖然這些結(jié)果非常令人振奮且吃驚，但還有一些有待解決的問題。最重要的一個(gè)問題就是，采用沖擊鉆孔和飛行鉆孔技術(shù)時(shí)如何控制孔大小。
由于與傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)相比，激光鉆孔更有優(yōu)勢，因而在許多領(lǐng)域取得了成功。其優(yōu)勢包括非接觸式處理、材料中輸入的熱量低、鉆孔的材料范圍廣、精確、一致性好，其它優(yōu)勢包括能夠打次μm大小的孔、打?qū)捀弑容^大的小孔和以一定的角度鉆孔。
常用的鉆孔技術(shù)有定點(diǎn)沖擊鉆孔和旋切鉆孔。其中，沖擊鉆孔指在一個(gè)位置上用脈沖激光束不停地加工，直至孔通。高速飛行鉆孔也是一種定點(diǎn)沖擊鉆孔技術(shù)，通常用于濾光片和導(dǎo)流板鉆孔。旋切鉆孔指加工孔徑較大的孔或者具有一定形狀的孔，旋切鉆孔的優(yōu)勢包括加工的孔徑大、一致性好以及能夠加工具有一定形狀的孔，旋切鉆孔還能夠降低孔的錐度。
光纖激光形成的光斑直徑只有10 – 20μm大小，單模和Q調(diào)制光纖激光器具有完美的高斯光束，峰值功率高且脈寬小，非常適用于薄板材、陶瓷和硅材料的鉆孔處理。通過改變光學(xué)配置可以鉆孔孔徑的大小獲得不同的光斑尺寸。目前，高功率光纖激光器還用于巖石鉆孔和油氣勘探領(lǐng)域，高功率、高能量激光脈沖還可用于厚金屬材料鉆孔。
應(yīng)用實(shí)例：1.流體過濾片、網(wǎng)鉆孔、2.柔性陶瓷輥鉆孔（次μm大?。?.導(dǎo)流板高速鉆孔、4.硅材料鉆孔、5.鉆石除瑕疵鉆孔、6.在線冷卻微孔、7.巖石鉆孔
鉆孔材料:低碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鍍鋅鋼、鎳鈦合金、鉻鎳鐵合金、陶瓷、鉆石。
服務(wù)市場:工業(yè)、醫(yī)療、汽車、航空、消費(fèi)產(chǎn)品、電子、半導(dǎo)體、珠寶、油氣勘探。
目前航空領(lǐng)域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，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。
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。此外，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激光器已成為航空航天領(lǐng)域鉆孔設(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。
在航空領(lǐng)域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激光束，也不需要移動零件，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沒有被激光脈沖所產(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較低；另一個(gè)原因是傳輸?shù)墓馐|(zhì)量，光纖的直徑會導(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。
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
（1）激光器
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。
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。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)。
（3）結(jié)果與討論
由于零件的設(shè)計(jì)者首先考慮的是充分的氣流量通過冷卻孔來達(dá)到合適的冷卻作用，而氣流大小主要由零件表面的孔的大小和形狀來決定，所以要嚴(yán)格控制孔的尺寸、圓度和錐度。還有其他的一些因素要考慮，因?yàn)榭缀涂字g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(qū)域上的其他孔，從而導(dǎo)致零件的局部偏差。除了重鑄層和熱機(jī)影響區(qū)外，錐度過大和表面凸槽是不允許的。
2.鉆孔時(shí)間
兩種激光器在2mm厚的材料上加工一個(gè)垂直孔的時(shí)間均不超過0.5s。圖5～8顯示了用光纖傳輸系統(tǒng)在表面加工10和20的孔的時(shí)間?？梢钥闯鲇?60mm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(shí)間要短。同樣圖表也顯示了脈沖寬度和加工時(shí)間的相關(guān)性。長脈沖寬度和因此的更高脈沖能量的激光打孔要比短脈沖寬度和因此的低脈沖能量的加工速度快。我們用JK704 LD1激光器來演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗募す馐|(zhì)量為M2=8要好于JK300D的M2=16，從而使加工時(shí)間變得更短。高質(zhì)量的光束可以達(dá)到更長的焦距（200～250mm），同時(shí)還能保證快速鉆孔的能量密度要求。使用長焦距激光的主要優(yōu)點(diǎn)在于可以減少加工過程中由于飛濺導(dǎo)致的損傷，從而延長保護(hù)鏡片的壽命。除此之外，高質(zhì)量的光束可以提供很好的焦深，從而提供各種工件或運(yùn)動系統(tǒng)的更大的誤差范圍。
3.錐度
圖9和圖10 表示了兩種激光器分別在2mm厚的材料上加工不同角度孔的典型錐度。雖然兩種系統(tǒng)產(chǎn)生的錐度非常相似，但是可以看出，使用光纖傳輸系統(tǒng)加工出孔的圓度要比使用光束傳輸系統(tǒng)加工出的要好，因?yàn)楣饫w能使激光分布更均勻。圖11展示了用兩種激光器加工出的孔的截面，可以看出，用兩種激光加工出的垂直孔的錐度在深度方向并不一樣，尤其是在孔的中心位置變化很大，圖示反饋給我們的由于激光參數(shù)導(dǎo)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，表面凸度的產(chǎn)生，主要是在孔的中心部位，而且更多的是發(fā)生在高能量密度的情況下。由此推測，可能是因?yàn)榈入x子體的形成明顯地減少了在孔成形的過程中蒸發(fā)帶走物質(zhì)的作用。在表面上加工一個(gè)銳角的孔時(shí)沒有表面凸起產(chǎn)生，可能是因?yàn)楣獍咴谝粋€(gè)角度被拉長，而使能量密度減弱的緣故。
4.重鑄層
除了氧化層，重鑄層是激光鉆孔在金相方面的主要特點(diǎn)，并且已經(jīng)在光纖系統(tǒng)中經(jīng)過全面的研究。結(jié)果表明在表面加工90的孔時(shí)，光纖傳輸激光系統(tǒng)重鑄層的典型厚度大概為25～35μm。這個(gè)重鑄層與光束直接傳輸激光系統(tǒng)非常類似。而氧化層大概在10～15μm，兩種激光器得出的測試結(jié)果都在此范圍內(nèi)。如果在表面上加工一個(gè)銳角的孔，那么重鑄層厚度隨位置變化非常顯著。在入口處會有更厚的重鑄層，可能是由于在脈沖鉆孔過程中大量地熔化了的材料從這個(gè)地方噴出而遺留下來的。同時(shí)我們也可以預(yù)測出，在低能量和低峰值功率的情況下重鑄層的厚度會增加。
大族粵銘激光專業(yè)激光設(shè)備生產(chǎn)商，產(chǎn)品有激光噴碼機(jī)，紫外激光打標(biāo)機(jī)，光纖激光切割機(jī)等等。
（本文由大族粵銘激光原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載須注明出處：www.buybuynyhome.com，珍惜別人的勞動成果，就是在尊重自己）
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