光纖激光器應用于精密穿孔

《Amada》 · 發表于 2009-7-29 19:41:52

聯合攻擊戰斗機的噴氣引擎上包括超過120萬個孔，許多是薄膜冷卻孔，對于引擎運行來說至關重要，在溫度升高時起到減少燃料消耗的作用。對于這些孔的加工，引擎制造商非常重視孔徑尺寸的重復精度。

對重復精度的衡量是標準差(ð)。對于設計直徑DO=500 µm的孔，激光沖孔的結果目前具有的直徑標準差為ð≈20 µm。激光穿孔目前可達到ð≈15 µm。對于高斯誤差分布和120萬個孔來說，表1顯示出當加工孔數量為NI，直徑為D時的結果在從 (DO - 1) 到 (DO + 1) 的區間內，而加工孔數量為NO，則處于該區間外，尤其是尺寸過小孔數量的關鍵值Nu在該區間之外。原因是高斯分布是對稱的，而NU= N0。

      用于分析流體穿過小孔的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果，與ð之間的關系，一個誤差的區間是D≤DO - 5 ð和NU =1。在這個案例中，歸一化的流量方程由以下公式定義：


      從圖1中可知，對于ð =20 µm和NU=1， =0.41或僅達到設計薄膜冷卻流的41%時。一個尺寸不足的孔的附近，缺乏冷卻流可能導致過熱以及毀滅性的發動機失效。對于 min=0.8來說， ð 必須少于5.42 µm。對于 min= 0.9來說， ð ≤2.61 µm。最后，如果要求 min= 0.95，那么ð ≤1.28 µm。激光鉆孔標準差的足夠縮減顯然是很重要的。
      LFI公司對于500 µm的精密穿孔目標是：
      (1)ð ≤10 µm在2008年達到
      (2)ð ≤5 µm在2009年達到
      (3)ð ≤2 µm在2010年達到
      為了闡述這些目標的意義，當ð = 2 µm， = 0.92，或達到設計薄膜冷卻流的92%時，僅僅在每個發動機上加工一個孔，將帶來5×2 m=10 µm的尺寸減小。隨著該單孔的流量縮減8%，這將實現完美的激光鉆孔重復精度。

      精密激光穿孔
      LFI公司很快將安裝一臺精密激光穿孔系統，其中包括：一臺200瓦單模式光纖激光器，一個精密穿孔頭，一套機器人運動系統，一臺零件上料盤和一個防護罩。接下來的分析和初始測試可獲得文件系統參數和性能。
      激光鉆孔能通過打孔法或旋切鉆孔法得以實現。采用光纖激光系統進行穿孔的優勢如下。假設我們準備穿孔得到直徑為DO 圓柱體孔，和表面呈角。我們定義四項無維度的數量：

      圖2a和圖2b顯示出 =1和 =0.2時的螺旋穿孔。
      從圖2的幾何形態得到：

      表2中列出了ą = 0.1和DO =500 µm情況下的ß ，Γ和Δ的數值。
      ß =0.2得到在直徑500 µm激光穿孔圓周上按可見光波長順序得到的最大尖端高度。當降低到ß =0.1時不會導致可測量的質量改善，但會使穿孔時間加倍。

      根據LFI公司的經驗，激光的峰值輝度是激光鉆孔時應當考慮的最重要的參數。
      對于單模式光纖激光，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。最有效的方法出現在第四種——使用光纖激光器進行材料去除，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。
      在生產工作中，通常需要在一個工件上加工多個孔，此時的變化范圍在10o - 90o；sin 的范圍是0.17 - 1.00；穿孔點區域的差異參數為5.75；的范圍從70MW/cm2， =90o 到約為12MW/cm2， =10o 。當選擇 =70MW/cm2， =90o 使得最優的第四種穿孔優于一系列范圍的偶然的角度，而無需針對每個孔來調整激光參數。這一數值還確保了在 =90o 時，有30%的安全邊際能抵消等離子體吸收帶來的影響。

      當脈沖間距相對材料熔化并凝固的時間足夠小，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。對于狹窄的穿孔邊緣表面的應力使得熔化的金屬以激光束為軸向形成了正態分布曲線的形狀，因此產生的脈沖盡管初始角度可能小到 =10o ，仍可接觸到擬正規的熔化金屬表面。當進行此類穿孔時，激光穿孔點區域的差異參數可達5.75。這種重要現象解釋了為何低功率光纖激光開始以銳角穿孔時會產生問題，源于不足的初始輝度。通過選擇d， =70MW/cm2，整個流程保持在第四種狀況。
      基于LFI的經驗，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，擴大熱影響區，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。在這里，激光脈沖頻率必須和穿孔頭的運動同步。使用預先編程的軟件來實現需要的幾何路徑，使得最初和最后的激光脈沖能加工出內緣和周線，從而避免缺陷。
      我們使用輝度限制來優化得到 ≈0.1。
      最小化殘余的穿孔尖端高度以實現快速穿孔時間的優化 ≈0.2。從經驗上看，孔的質量在以下情況得到提高：采用M=1來進行穿孔，M=2來清理孔，約15%的周長作為導入階段，另一個15%作為導出階段防止出現缺陷。在M=2.3時得到出色的孔質量。
      根據我們之前的定義：
      激光脈沖頻率F與穿孔頭進行了同步。在脈沖間隔 t≡1/F，點移動的距離為。平均速度為 ≡ / t = F = DOF；因為受到穿孔頭動態參數的限制，因此U≤Umax，從而得到：

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

      進行圓柱體穿孔的最優化的脈沖數量獨立于孔的直徑。孔的周長同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。穿孔時間為：

      注意到穿孔時間也與孔直徑相對獨立。
      激光穿孔效率通過使A ( L, T, )保持最大值得到提高。這通過選擇足夠短的跨脈沖區間來確保熔化的材料不會在兩個脈沖間重新固化。這使得F約為1kHz時對于大多數金屬來說都達到最低邊界值。F的最大邊界值通過穿孔頭的動態參數限制而設定。

      預測試結果
      光纖激光器測試在2008年1月進行，用于估計穿孔性能。在所有的案例中：
      （1）測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）輸出光纖并未通過機械臂固定

      二十個孔被打在0.015英寸厚的測試帶上，另外二十個孔則被打在0.030英寸厚的測試帶上。最后，10個測試孔被打在噴氣發動機擋板上。所有的孔都在一臺ROI公司出品的OMIS II光學檢測系統上得到測量。一個X-Y平臺以及非精密穿孔頭被用于這些測試當中。
      在0.015英寸厚的Hastelloy X測試帶上，孔的直徑平均為468.6 µm；公差為11.6 µm。這些孔直徑的標準差為 =10.2 µm，在不使用精密穿孔頭的條件下幾乎達到了LFI公司在2008年目標。在0.030英寸厚的Hastelloy X測試帶上，平均直徑的公差是7.0 µm，標準差是 =4.8 µm。這一出色的初期結果已經超越了LFI公司在2009年的目標。

      2008年2月，還使用GSI公司的JK 100FL光纖激光器測得附加的測試數據。首先，36個測試孔以正常的概率穿透于0.025英寸厚的Hastelloy X測試帶。另外36個測試孔則打在厚度為0.050英寸的Hastelloy X測試帶上。所有的72個測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測試帶上的穿孔效果。這里， =2.37µm。這一卓越的結果幾乎達到了LFI在2010年的目標。通過使用精密的穿孔頭，LFI可能獲得 <2 µm的結果。據我們所知，這將代表精密激光穿孔領域的一項新的世界標準。通過使用60瓦光纖激光器，以及d=25µm， =3.76µm，用于在0.050英寸厚的Hastelloy X測試帶上打出36個入孔。同樣使用60瓦功率， =3.68 µm用于在同一根測試帶上打出36個出孔。圖4顯示了一個打在0.050英寸厚Hastelloy X測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。

      結論
      ≈0.1是用于精密激光穿孔的最佳參數。
      =0.2最小化了殘余的尖端高度，同快速穿孔相符合。
      M=2.3在最小化穿孔時間的同時提高了孔的質量。
      螺旋穿孔避免了在每個孔的周線上出現不需要的缺陷。
      光纖激光器提供了出色的光束質量，更小的焦點，更長壽命以及優秀的脈沖-脈沖穩定性，最小化維護需求，可忽略的維修成本，低能耗，簡易的冷卻，減少了占地面積，以及更簡單的攜帶性。
      預測試已經顯示出在無需優化穿孔頭的條件下，穿孔直徑的標準差可達到2.37 µm。

xyang6800 · 發表于 2011-3-19 12:05:42

你好，請問你有這種機器嗎？怎樣與你取的聯系，如果你能做到3μm穿孔的話，我有單給你做。請與我取得聯系，QQ980262373，郵箱yx68002y@163.com。謝謝啦！

常州暴發戶 · 發表于 2011-4-20 12:38:33

有點議思我也來學習一下

minglin_li2007 · 發表于 2011-6-25 06:19:50

學習了！

武漢DX朱峰 · 發表于 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，路過的打個醬油！！！！！！！

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