光纖激光器應(yīng)用于精密穿孔

《Amada》 · 發(fā)表于 2009-7-29 19:41:52

聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的噴氣引擎上包括超過(guò)120萬(wàn)個(gè)孔，許多是薄膜冷卻孔，對(duì)于引擎運(yùn)行來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，在溫度升高時(shí)起到減少燃料消耗的作用。對(duì)于這些孔的加工，引擎制造商非常重視孔徑尺寸的重復(fù)精度。

對(duì)重復(fù)精度的衡量是標(biāo)準(zhǔn)差(ð)。對(duì)于設(shè)計(jì)直徑DO=500 µm的孔，激光沖孔的結(jié)果目前具有的直徑標(biāo)準(zhǔn)差為ð≈20 µm。激光穿孔目前可達(dá)到ð≈15 µm。對(duì)于高斯誤差分布和120萬(wàn)個(gè)孔來(lái)說(shuō)，表1顯示出當(dāng)加工孔數(shù)量為NI，直徑為D時(shí)的結(jié)果在從 (DO - 1) 到 (DO + 1) 的區(qū)間內(nèi)，而加工孔數(shù)量為NO，則處于該區(qū)間外，尤其是尺寸過(guò)小孔數(shù)量的關(guān)鍵值Nu在該區(qū)間之外。原因是高斯分布是對(duì)稱的，而NU= N0。

      用于分析流體穿過(guò)小孔的Hagen-Poiseuille方程顯示出流速同DO成一定比例。圖1繪出了加工DO =500 µm加工薄膜的冷卻流速的歸一化結(jié)果，與ð之間的關(guān)系，一個(gè)誤差的區(qū)間是D≤DO - 5 ð和NU =1。在這個(gè)案例中，歸一化的流量方程由以下公式定義：


      從圖1中可知，對(duì)于ð =20 µm和NU=1， =0.41或僅達(dá)到設(shè)計(jì)薄膜冷卻流的41%時(shí)。一個(gè)尺寸不足的孔的附近，缺乏冷卻流可能導(dǎo)致過(guò)熱以及毀滅性的發(fā)動(dòng)機(jī)失效。對(duì)于 min=0.8來(lái)說(shuō)， ð 必須少于5.42 µm。對(duì)于 min= 0.9來(lái)說(shuō)， ð ≤2.61 µm。最后，如果要求 min= 0.95，那么ð ≤1.28 µm。激光鉆孔標(biāo)準(zhǔn)差的足夠縮減顯然是很重要的。
      LFI公司對(duì)于500 µm的精密穿孔目標(biāo)是：
      (1)ð ≤10 µm在2008年達(dá)到
      (2)ð ≤5 µm在2009年達(dá)到
      (3)ð ≤2 µm在2010年達(dá)到
      為了闡述這些目標(biāo)的意義，當(dāng)ð = 2 µm， = 0.92，或達(dá)到設(shè)計(jì)薄膜冷卻流的92%時(shí)，僅僅在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)上加工一個(gè)孔，將帶來(lái)5×2 m=10 µm的尺寸減小。隨著該單孔的流量縮減8%，這將實(shí)現(xiàn)完美的激光鉆孔重復(fù)精度。

      精密激光穿孔
      LFI公司很快將安裝一臺(tái)精密激光穿孔系統(tǒng)，其中包括：一臺(tái)200瓦單模式光纖激光器，一個(gè)精密穿孔頭，一套機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，一臺(tái)零件上料盤和一個(gè)防護(hù)罩。接下來(lái)的分析和初始測(cè)試可獲得文件系統(tǒng)參數(shù)和性能。
      激光鉆孔能通過(guò)打孔法或旋切鉆孔法得以實(shí)現(xiàn)。采用光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行穿孔的優(yōu)勢(shì)如下。假設(shè)我們準(zhǔn)備穿孔得到直徑為DO 圓柱體孔，和表面呈角。我們定義四項(xiàng)無(wú)維度的數(shù)量：

      圖2a和圖2b顯示出 =1和 =0.2時(shí)的螺旋穿孔。
      從圖2的幾何形態(tài)得到：

      表2中列出了ą = 0.1和DO =500 µm情況下的ß ，Γ和Δ的數(shù)值。
      ß =0.2得到在直徑500 µm激光穿孔圓周上按可見光波長(zhǎng)順序得到的最大尖端高度。當(dāng)降低到ß =0.1時(shí)不會(huì)導(dǎo)致可測(cè)量的質(zhì)量改善，但會(huì)使穿孔時(shí)間加倍。

      根據(jù)LFI公司的經(jīng)驗(yàn)，激光的峰值輝度是激光鉆孔時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的最重要的參數(shù)。
      對(duì)于單模式光纖激光，輝度分布H(r)為高斯分布。峰值由以下方程給出：

      表3中顯示出在五種激光鉆孔方式的輝度值。最有效的方法出現(xiàn)在第四種——使用光纖激光器進(jìn)行材料去除，這種方法將材料加熱到超高溫度并汽化，以高速噴射出去。出于下面討論的原因，我們選擇Ĥ ≈70MW/cm2。
      在生產(chǎn)工作中，通常需要在一個(gè)工件上加工多個(gè)孔，此時(shí) 的變化范圍在10o - 90o；sin 的范圍是0.17 - 1.00；穿孔點(diǎn)區(qū)域的差異參數(shù)為5.75；的范圍從70MW/cm2， =90o 到約為12MW/cm2， =10o 。當(dāng)選擇 =70MW/cm2， =90o 使得最優(yōu)的第四種穿孔優(yōu)于一系列范圍的偶然的角度，而無(wú)需針對(duì)每個(gè)孔來(lái)調(diào)整激光參數(shù)。這一數(shù)值還確保了在 =90o 時(shí)，有30%的安全邊際能抵消等離子體吸收帶來(lái)的影響。

      當(dāng)脈沖間距相對(duì)材料熔化并凝固的時(shí)間足夠小，除了最初的激光脈沖外的所有脈沖都接觸到了熔化的表面。對(duì)于狹窄的穿孔邊緣表面的應(yīng)力使得熔化的金屬以激光束為軸向形成了正態(tài)分布曲線的形狀，因此產(chǎn)生的脈沖盡管初始角度可能小到 =10o ，仍可接觸到擬正規(guī)的熔化金屬表面。當(dāng)進(jìn)行此類穿孔時(shí)，激光穿孔點(diǎn)區(qū)域的差異參數(shù)可達(dá)5.75。這種重要現(xiàn)象解釋了為何低功率光纖激光開始以銳角穿孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，源于不足的初始輝度。通過(guò)選擇d， =70MW/cm2，整個(gè)流程保持在第四種狀況。
      基于LFI的經(jīng)驗(yàn)，最佳值為 ≈0.1。如果太大，就需要去除更多的材料，將更多的能量傳遞給工件，擴(kuò)大熱影響區(qū)，光纖激光功率，尺寸和成本。如果Α太小，穿透的切口太狹窄，則被切下的部分在 <45o 時(shí)將留在孔中。

      穿孔流程
      LFI公司將很快利用精密螺旋穿孔技術(shù)。在這里，激光脈沖頻率必須和穿孔頭的運(yùn)動(dòng)同步。使用預(yù)先編程的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的幾何路徑，使得最初和最后的激光脈沖能加工出內(nèi)緣和周線，從而避免缺陷。
      我們使用輝度限制來(lái)優(yōu)化得到 ≈0.1。
      最小化殘余的穿孔尖端高度以實(shí)現(xiàn)快速穿孔時(shí)間的優(yōu)化 ≈0.2。從經(jīng)驗(yàn)上看，孔的質(zhì)量在以下情況得到提高：采用M=1來(lái)進(jìn)行穿孔，M=2來(lái)清理孔，約15%的周長(zhǎng)作為導(dǎo)入階段，另一個(gè)15%作為導(dǎo)出階段防止出現(xiàn)缺陷。在M=2.3時(shí)得到出色的孔質(zhì)量。
      根據(jù)我們之前的定義：
      激光脈沖頻率F與穿孔頭進(jìn)行了同步。在脈沖間隔 t≡1/F，點(diǎn)移動(dòng)的距離為。平均速度為 ≡ / t = F = DOF；因?yàn)槭艿酱┛最^動(dòng)態(tài)參數(shù)的限制，因此U≤Umax，從而得到：

      用于穿孔的激光脈沖的數(shù)量為N=nM，此處n =每一軌道激光脈沖的數(shù)量，且M=每孔中軌道的數(shù)量。柱形孔周長(zhǎng)為C= DO，因此，n=C/ = DO / DO= / ，從而得到：

      進(jìn)行圓柱體穿孔的最優(yōu)化的脈沖數(shù)量獨(dú)立于孔的直徑�？椎闹荛L(zhǎng)同DO成比例，但是也同樣和DO成比例，因此直徑在方程中被消去。穿孔時(shí)間為：

      注意到穿孔時(shí)間也與孔直徑相對(duì)獨(dú)立。
      激光穿孔效率通過(guò)使A ( L, T, )保持最大值得到提高。這通過(guò)選擇足夠短的跨脈沖區(qū)間來(lái)確保熔化的材料不會(huì)在兩個(gè)脈沖間重新固化。這使得F約為1kHz時(shí)對(duì)于大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)都達(dá)到最低邊界值。F的最大邊界值通過(guò)穿孔頭的動(dòng)態(tài)參數(shù)限制而設(shè)定。

      預(yù)測(cè)試結(jié)果
      光纖激光器測(cè)試在2008年1月進(jìn)行，用于估計(jì)穿孔性能。在所有的案例中：
      （1）測(cè)試材料采用鎳基合金（Hastelloy）X
      （2）所有的孔都采用穿孔方式
      （3）DO=457 µm
      （4）輸出光纖并未通過(guò)機(jī)械臂固定

      二十個(gè)孔被打在0.015英寸厚的測(cè)試帶上，另外二十個(gè)孔則被打在0.030英寸厚的測(cè)試帶上。最后，10個(gè)測(cè)試孔被打在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)擋板上。所有的孔都在一臺(tái)ROI公司出品的OMIS II光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)上得到測(cè)量。一個(gè)X-Y平臺(tái)以及非精密穿孔頭被用于這些測(cè)試當(dāng)中。
      在0.015英寸厚的Hastelloy X測(cè)試帶上，孔的直徑平均為468.6 µm；公差為11.6 µm。這些孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)差為 =10.2 µm，在不使用精密穿孔頭的條件下幾乎達(dá)到了LFI公司在2008年目標(biāo)。在0.030英寸厚的Hastelloy X測(cè)試帶上，平均直徑的公差是7.0 µm，標(biāo)準(zhǔn)差是 =4.8 µm。這一出色的初期結(jié)果已經(jīng)超越了LFI公司在2009年的目標(biāo)。

      2008年2月，還使用GSI公司的JK 100FL光纖激光器測(cè)得附加的測(cè)試數(shù)據(jù)。首先，36個(gè)測(cè)試孔以正常的概率穿透于0.025英寸厚的Hastelloy X測(cè)試帶。另外36個(gè)測(cè)試孔則打在厚度為0.050英寸的Hastelloy X測(cè)試帶上。所有的72個(gè)測(cè)試孔都未采用精密穿孔頭生成。
      圖3顯示出厚度0.025英寸的平面Hastelloy X測(cè)試帶上的穿孔效果。這里， =2.37µm。這一卓越的結(jié)果幾乎達(dá)到了LFI在2010年的目標(biāo)。通過(guò)使用精密的穿孔頭，LFI可能獲得 <2 µm的結(jié)果。據(jù)我們所知，這將代表精密激光穿孔領(lǐng)域的一項(xiàng)新的世界標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)使用60瓦光纖激光器，以及d=25µm， =3.76µm，用于在0.050英寸厚的Hastelloy X測(cè)試帶上打出36個(gè)入孔。同樣使用60瓦功率， =3.68 µm用于在同一根測(cè)試帶上打出36個(gè)出孔。圖4顯示了一個(gè)打在0.050英寸厚Hastelloy X測(cè)試帶上的穿孔的截面放大圖。顯而易見，其效果是幾乎平行的孔壁和沒有任何傾角及毛邊。

      結(jié)論
      ≈0.1是用于精密激光穿孔的最佳參數(shù)。
      =0.2最小化了殘余的尖端高度，同快速穿孔相符合。
      M=2.3在最小化穿孔時(shí)間的同時(shí)提高了孔的質(zhì)量。
      螺旋穿孔避免了在每個(gè)孔的周線上出現(xiàn)不需要的缺陷。
      光纖激光器提供了出色的光束質(zhì)量，更小的焦點(diǎn)，更長(zhǎng)壽命以及優(yōu)秀的脈沖-脈沖穩(wěn)定性，最小化維護(hù)需求，可忽略的維修成本，低能耗，簡(jiǎn)易的冷卻，減少了占地面積，以及更簡(jiǎn)單的攜帶性。
      預(yù)測(cè)試已經(jīng)顯示出在無(wú)需優(yōu)化穿孔頭的條件下，穿孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)到2.37 µm。

xyang6800 · 發(fā)表于 2011-3-19 12:05:42

你好，請(qǐng)問(wèn)你有這種機(jī)器嗎？怎樣與你取的聯(lián)系，如果你能做到3μm穿孔的話，我有單給你做。請(qǐng)與我取得聯(lián)系，QQ980262373，郵箱yx68002y@163.com。謝謝啦！

常州暴發(fā)戶 · 發(fā)表于 2011-4-20 12:38:33

有點(diǎn)議思我也來(lái)學(xué)習(xí)一下

minglin_li2007 · 發(fā)表于 2011-6-25 06:19:50

學(xué)習(xí)了！

武漢DX朱峰 · 發(fā)表于 2012-2-14 15:08:47

謝謝分享了啊，呵呵，謝謝分享了啊，呵呵�。。。�
支持一下，路過(guò)的打個(gè)醬油�。。。。。�！

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