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        當代航天工業(yè)中，渦輪發(fā)動機的制造過程中通常需要鉆出數(shù)量多達成千上萬的孔。這些孔被鉆成不同的形狀、厚度和大小，分散在渦輪發(fā)動機的葉片、螺旋槳、汽缸、燃燒室中，從而用來給各種器件散熱。這些由超耐熱不銹鋼制成的器件表面覆蓋著若干層熱障涂層(TBC)材料。如今的鉆孔技術(shù)還滿足不了引擎制造在商業(yè)和軍事方面的需求，光纖激光器的出現(xiàn)彌補了這個不足且使鉆孔工藝水平得到提高。

　　當前的鉆孔方式主要使用了燈泵浦Nd：YAG激光器，這種技術(shù)用于航空工業(yè)中鉆特殊形狀的孔已有數(shù)十年。通過將激光聚焦從而得到所需要的孔狀（沖擊鉆）或者通過切屑圓孔的方式（套鉆）來得到不同大小形狀的孔。這些孔的直徑從0.1″到0.25″，厚度超過5″，切入角從30°到小于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激光是主流的鉆孔方式而且在航空領域應用已有數(shù)十年，但光纖激光器的出現(xiàn)已經(jīng)在航空工業(yè)領域相關(guān)應用方面引起了足夠的重視。

　　沖擊鉆孔所用的Nd：YAG激光器一般平均功率是200W，其峰值功率可達到20kW。與此同時，激光脈沖寬度一般從600微秒到1毫秒，伴隨的峰值功率為10-20kW。

　　一些孔要求脈沖功率為20焦耳，這一限度的脈沖重復率為10pps。這些激光的脈沖持續(xù)時間可以更長并產(chǎn)生更快的鉆孔速度。然而，再生層的趨勢使得形成特定規(guī)格孔狀變得越來越難。

　　當使用沖擊鉆時，需要多重脈沖來鉆孔，通常需要額外的脈沖用來保證穿破和孔口形狀。對于鉆一個燃燒器來說，脈沖變化的數(shù)量要求5-7個之間，取決于實際厚度。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涂層分開。實際上，在動態(tài)鉆孔過程中，燃燒室要求7個回轉(zhuǎn)來完成鉆孔，以減少加熱和防止分層。套鉆是另一種燃燒室鉆孔方式，它比較慢，但是零件的表面會有更多呈現(xiàn)一致性的孔，同時流動特征非常好，又能避免像沖擊鉆那樣出現(xiàn)返工的情況。在套鉆過程中，激光的脈沖峰值一般定在一個較短的脈沖寬度，這樣激光加工才能實現(xiàn)更高的重復率。

　　葉片、螺旋槳的鉆孔通常采用沖擊鉆模式，但也有些制造商青睞套鉆。背側(cè)鉆擊需要重點考慮其最小距離。通常填充了大量的材料物質(zhì)，以阻止激光損壞后側(cè)，因背側(cè)鉆孔過程中可移除，不同的引擎制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(shù)指標，而且，光纖激光器具有高速、極大地降低維護成本的優(yōu)勢，并提高加工參數(shù)標準。20kW的光纖激光器在連續(xù)功率為20kW和調(diào)制頻率＞5000Hz時可實現(xiàn)運作。這種激光器價格昂貴，難以發(fā)揮高重復率的優(yōu)勢。專門為滿足航空鉆孔需要而研發(fā)的一款新型準連續(xù)QCW高脈沖能量光纖激光器應用而生。其具有極其出色的脈沖功率和能量穩(wěn)定性，同時兼具高峰值功率，極佳的光束質(zhì)量和優(yōu)異的加工表現(xiàn)，這些均超過了當今航天工業(yè)鉆孔的要求。此款光纖激光器提供5 種型號， 峰值功率涵蓋從9kW-20kW、實際連續(xù)功率從900W-2kW。同時成本效益也遠遠低于傳統(tǒng)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(jīng)證明了光纖激光器具有的重大優(yōu)勢。不同于Nd：YAG激光器，光纖激光器的脈沖寬度可被提高來以一個脈沖生成符合航空規(guī)格的孔，每秒可鉆50->100個孔。脈沖寬度從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，需要多重脈沖才能完成。由于光纖激光器輸出脈沖是矩形波，保持的峰值功率貫穿了脈沖，這些都是脈沖Nd：YAG激光器不具備的。

　　當使用光纖激光器時，不同的脈沖寬度會形成一種新的控制特征。不同于在穿透之后采用額外脈沖排列孔的大小，以提高對背側(cè)鉆擊的關(guān)注，現(xiàn)在，一個新的脈沖寬度參數(shù)可被編程并限制背側(cè)的損壞。截面分析表明，當使用多重脈沖激光來鉆孔時，如果激光在盲孔底部鉆透前停止了，那么其形狀將呈現(xiàn)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(xiàn)一個高斯型熱中心，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。而光纖激光器在鉆透時其孔大小恰好滿足特定規(guī)格要求。

　　光纖激光器鉆孔的優(yōu)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(qū)最小化；

　　矩形脈沖可以維持峰值功率的脈寬；

　　可以實時調(diào)節(jié)光斑大小、功率和脈寬以產(chǎn)生新的加工參數(shù)；

　　卓越的光束質(zhì)量可以允許長焦距的使用到達難以進入的區(qū)域；

　　光斑大小保持不變成為功率或能量的一個函數(shù)；

　　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；

　　共用一個共振器可以完成切割、鉆孔、焊接等加工操作?！」饫w激光器可以輕而易舉的達到甚至超過Nd：YAG激光加工過程的參數(shù)，由于頂蓋模式的光束和矩形波脈沖結(jié)合，光纖激光器運作中重復率更高而單脈沖能量更低。光纖激光器可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖而燈泵浦則不可能做到。例如：激光可以以一個較低的脈沖功率和較短的脈沖寬度滲透TBC層，增加功率和脈沖寬度，然后在鉆透前最小化背側(cè)鉆擊。由于動態(tài)的性能和單發(fā)射器泵浦二極管的靈活性，這些激光參數(shù)是可以隨時調(diào)制的。

　　當使用套鉆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(chǎn)出量是Nd：YAG激光器的10倍。這點很重要，鑒于光纖激光器產(chǎn)出套鉆的孔具有更高的一致性以及更快的速度，制造商可以選擇套鉆而不是沖擊鉆。

　　許多大的航空零件需要進行更大的細節(jié)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(xiàn)高質(zhì)量高速度的切割，而這些都是Nd：YAG激光所不能及的。

　　另一個優(yōu)勢是矩形傳輸光纖的使用。初步研究實驗顯示，在一個脈沖內(nèi)，聚焦可生成一個大的矩形孔入口孔和一個圓的出口孔。從方孔到圓孔的系數(shù)是可以進行光學調(diào)整的。在其它一些實驗中是很容易鉆取橢圓孔。這是可能的，因為光纖激光器的長脈沖鉆孔結(jié)合高旋轉(zhuǎn)速度作用于圓形零件，同時重復率很高。這些過程需要進一步的研究和實驗，很可能會產(chǎn)生一種引擎制造商需要的更快的塑孔方式。

　　系統(tǒng)

　　從機械領域的觀點來看，光纖激光器的應用開創(chuàng)了一個新的紀元，由于其輸出功率和快速轉(zhuǎn)換能力，使其變得更具吸引力。不同于傳統(tǒng)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輸能量，可以與機器人進行完美集成。現(xiàn)代機器人進入了編程和精確要求的時代，這些都是未來航空鉆孔平臺所需要的。

 　　結(jié)論

　　這種新型準連續(xù)QCW高脈沖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鉆孔要求的標準，同時也為航空工業(yè)提供了一種提高當前生產(chǎn)效率的機遇選擇，同時也能提供更高質(zhì)量的鉆孔，不斷地探尋新的工藝和加工參數(shù)。