2013数控机床与金属加工展(MWCS)将于2013年11月5 – 9日在上海新国际博览中心再度召开。阿帕奇将盛装亮相2013MWCS，展示其最新技术。随着光纤激光器技术的发展，最近航空航天工业正认真考虑在生产线中引入光纤激光器。本文主要讲述阿帕奇IPG光纤激光器在航空元件钻孔的应用。

在航空航天工业中，现代涡轮发动机的制造过程中通常需要钻出数量多达成千上万的孔。涡轮叶片、导向叶片、燃烧室和复燃室都需要钻孔，而且往往需要在 不同厚度的部件上，以各种不同角度钻出直径不同的孔，以便为部件提供冷却空气。这些部件由超合金制成，并且进行了多次陶瓷热障涂层(TBC)。

目前，市场上能满足商用和军用发动机制造商需求的钻孔产品较为缺乏。灯泵浦Nd：YAG激光器是最主要的产品，并且其已经主导了航空航天钻孔市场长达数十年之久。随着光纤激光器技术的发展，最近航空航天工业正认真考虑在生产线中引入光纤激光器。

圆 孔可以通过两种方法加工——冲击钻孔(percussion drilling)和环形切割成孔(trepanning)，其中冲击钻孔将激光聚焦到所需要的开孔尺寸;而环形切割成孔是用激光切割出圆孔。这些孔的直 径范围从0.010~0.250英寸，厚度大于0.5英寸，入射角从30°到小于10°。此外，还有一些部件(如燃烧室)需要更多的切割细节信息。

用 于冲击钻孔的Nd：YAG激光器通常具有200W的平均功率，而峰值功率高达20kW。当冲击钻孔时，典型的激光脉冲持续时间为600μs~1ms，峰值 功率为10~20kW。一些孔需要20J的脉冲能量，这将脉冲重复频率限制到10pps。这些激光器可以在更长的脉冲持续时间下运转，因此脉冲更少、钻孔 速度更快;然而重铸层趋于增加，又使其难以满足孔的规格要求。

当使用冲击钻孔时，需要多个脉冲，并且通常需要一些额外的脉冲确保孔被穿透和 出口处的尺寸。所需要的脉冲数量随着材料的厚度而变化，例如，燃烧室钻孔需要的典型脉冲数量为5~7个。如果孔之间的距离较近，则操作必须非常谨慎，因为 过多的热量积聚可能导致热障涂层的分层。在实际操作中，许多孔是以极快的速度钻出的，以尽量减少热量产生，防止产生热障涂层分层。

环形切割成孔是燃烧室钻孔应用所采用的另一种加工技术。相比之下，这种加工方式速度较慢，但是这种方法加工出的孔具有更好的一致性和更好的散热特征。这种加工方式不需要返工，而冲击钻孔则可能出现返工的情况。

导向叶片和涡轮叶片通常采用冲击钻孔，虽然也有一些厂商更喜欢环形切割成孔方法。钻孔过程中要防止背板受损。导向叶片和涡轮叶片通常充满了各种各样的材料，以防止激光损坏背板。在钻孔过程完成后，填充材料可以取​​出。各发动机制造商所采用的填充材料不尽相同。

光纤激光器的竞争优势

光 纤激光器可以复制Nd：YAG激光器的工艺参数，并提供明显的速度优势，大大降低了维护成本，并有机会改善工艺参数。标准的20kW光纤激光器可以在 20kW的连续功率下运行，频率大于5000Hz。然而，这些激光器相当昂贵，使得充分利用其高重复频率变得较为困难。IPG已经开发出了专门用于航空航 天钻孔应用的新一代光纤激光器，提供高峰值功率和低平均功率。目前，IPG可提供峰值功率9~20kW、连续波(CW)工作功率900W~2kW的五种型 号的产品。

来自航空航天公司的众多应用试验，已经展示了光纤激光器的重要优势。不同于Nd：YAG激光器，光纤激光器的脉冲持续时间可以增 加，以用单个脉冲钻孔，满足航空航天领域要求的每秒钻出50~100个孔的目标。光纤激光器的脉冲持续时间范围3~10ms，并且仍然满足重铸和微裂纹规 范要求，而利用Nd：YAG激光器，则需要多个脉冲完成。之所以能获得这样的结果，是因为光纤激光器的输出脉冲是一个保持峰值功率的方波，没有拖尾形成重 铸，而这是脉冲Nd：YAG激光器无法实现的。光纤激光器还在焦点处提供了顶帽轮廓，不会形成重铸，而使用Nd：YAG激光器则有这种情况发生。

光 纤激光器可变的脉冲持续时间，开辟了一种新的控制方式。使用光纤激光器钻孔，可以对脉冲持续时间的参数进行编程，限制背板受损;而不需要在孔钻出后利用额 外的脉冲精修(这将引发背板受损的担忧)。横截面分析表明，当使用多个激光脉冲钻孔时，如果激光束在穿透材料之前停止，在盲孔的底部具有一个顶帽轮廓。在 用Nd：YAG激光器进行的类似测试中，孔的底部轮廓更趋于高斯分布，具有一个热中心部分，因此难以实现直径较大、并且仍满足出口处规格要求的孔。光纤激 光器能够钻出满足规范要求的通孔，无需再使用额外的脉冲。

光纤激光器还可以产生脉冲串，而这是灯泵浦Nd：YAG激光器所不能实现的。例 如，光纤激光器可以通过编程，以较低的脉冲能量和更短的脉冲持续时间穿透热障涂层;而当激光脉冲穿透材料的过程，可以增加功率和脉冲持续时间;随后在钻出 通孔前再次对其编程，以最小化对背板的冲击。光纤激光器的这些参数之所以能快速改变，均源于单发射体泵浦二极管的动态性能。

在航空航天燃烧室钻孔试验中，采用环形切割成孔方法，光纤激光器的钻孔速度是Nd：YAG激光器的10倍以上。光纤激光器能够以更高的速度钻出更加高度一致的孔，这样制造商便可以利用环形切割成孔方法钻孔，而不再采用冲击钻孔(见图1)。

图1：在航空航天燃烧室钻孔的试验中，采用环形切割成孔方法，光纤激光器的钻孔速度是Nd：YAG激光器的10倍以上。有了高速环形切割成孔方法，制造商就不必再使用冲击钻孔方式了。

许多航空航天组件还需要切割更大的特征。使用光纤激光器，可以快速转换到CW运行模式，提供高达2kW的连续输出功率，能够实现高质量、高速切割，而这是利用脉冲Nd：YAG激光器所无法实现的。

光纤激光器钻孔的其他优势

另 一个感兴趣的领域是使用光纤激光器的方波输出。初步的研究已经显示，利用单个脉冲，可以在焦点处产生一个较大的方形入口孔以及一个圆形出口孔(见图2)。 方形孔与圆形孔的比例可以通过光学调整(见图3)。在其他试验中，光纤激光器也能够很容易地钻出椭圆孔。在一个高速旋转的圆形部件中，有可能实现高重复频 率的长脉冲钻孔。当然，这些过程尚需要进一步的研究测试，有可能会实现引擎设计者所需要的更快的钻孔方法。

图2：在航空部件钻孔测试中，来自一个正方形输出的光纤激光器产生的10ms的单脉冲，可以在焦点处产生一个大的方形入口孔。

图3：利用方波输出的光纤激光器，初步研究显示，利用单个脉冲，可以在焦点处产生一个较大的方形入口孔以及一个圆形出口孔(见图2)。方形孔与圆形孔的比例可以通过光学调整(比较a和b)。

从 机械的角度来看，光纤激光器的使用引发了一些重要的考虑因素。由于光纤激光器的吞吐量和快速切换能力，使得用同一个光纤激光器驱动多个工作站更加具有吸引 力。光纤激光器采用光纤传输，消除了旋转的光学元件，免去了很多繁琐的准直工作，这将为某些航空航天应用开辟使用机器人运动系统的考虑。目前，机器人技术 已经在编程和准确性方面取得了重大进展，其有望应用到未来的航空航天钻孔平台中。