隨著光纖激光器技術(shù)的發(fā)展,最近航空航天工業(yè)正認(rèn)真考慮在生產(chǎn)線中引入光纖激光器。在航空航天工業(yè)中,現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過程中通常需要鉆出數(shù)量多達(dá)成千上萬的孔。渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、燃燒室和復(fù)燃室都需要鉆孔,而且往往需要在不同厚度的部件上,以各種不同角度鉆出直徑不同的孔,以便為部件提供冷卻空氣。這些部件由超合金制成,并且進(jìn)行了多次陶瓷熱障涂層(TBC)。
目前,市場(chǎng)上能滿足商用和軍用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商需求的鉆孔產(chǎn)品較為缺乏。燈泵浦Nd:YAG激光器是最主要的產(chǎn)品,并且其已經(jīng)主導(dǎo)了航空航天鉆孔市場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久。隨著光纖激光器技術(shù)的發(fā)展,最近航空航天工業(yè)正認(rèn)真考慮在生產(chǎn)線中引入光纖激光器。
圓孔可以通過兩種方法加工——沖擊鉆孔(percussiondrilling)和環(huán)形切割成孔(trepanning),其中沖擊鉆孔將激光聚焦到所需要的開孔尺寸;而環(huán)形切割成孔是用激光切割出圓孔。這些孔的直徑范圍從0.010~0.250英寸,厚度大于0.5英寸,入射角從30°到小于10°。此外,還有一些部件(如燃燒室)需要更多的切割細(xì)節(jié)信息。
用于沖擊鉆孔的Nd:YAG激光器通常具有200W的平均功率,而峰值功率高達(dá)20kW。當(dāng)沖擊鉆孔時(shí),典型的激光脈沖持續(xù)時(shí)間為600μs~1ms,峰值功率為10~20kW。一些孔需要20J的脈沖能量,這將脈沖重復(fù)頻率限制到10pps。這些激光器可以在更長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間下運(yùn)轉(zhuǎn),因此脈沖更少、鉆孔速度更快;然而重鑄層趨于增加,又使其難以滿足孔的規(guī)格要求。
當(dāng)使用沖擊鉆孔時(shí),需要多個(gè)脈沖,并且通常需要一些額外的脈沖確??妆淮┩负统隹谔幍某叽?。所需要的脈沖數(shù)量隨著材料的厚度而變化,例如,燃燒室鉆孔需要的典型脈沖數(shù)量為5~7個(gè)。如果孔之間的距離較近,則操作必須非常謹(jǐn)慎,因?yàn)檫^多的熱量積聚可能導(dǎo)致熱障涂層的分層。在實(shí)際操作中,許多孔是以極快的速度鉆出的,以盡量減少熱量產(chǎn)生,防止產(chǎn)生熱障涂層分層。
環(huán)形切割成孔是燃燒室鉆孔應(yīng)用所采用的另一種加工技術(shù)。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,而沖擊鉆孔則可能出現(xiàn)返工的情況。
導(dǎo)向葉片和渦輪葉片通常采用沖擊鉆孔,雖然也有一些廠商更喜歡環(huán)形切割成孔方法。鉆孔過程中要防止背板受損。導(dǎo)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。在鉆孔過程完成后,填充材料可以取出。各發(fā)動(dòng)機(jī)制造商所采用的填充材料不盡相同。
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