光纖激光器應(yīng)用于精密穿孔

《Amada》

聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的噴氣引擎上包括超過120萬個(gè)孔,，許多是薄膜冷卻孔,，對(duì)于引擎運(yùn)行來說至關(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120萬個(gè)孔來說，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：
1 O( b) c1 g# H2 l0 }/ y  
9 ~' R8 R# _6 t+ m( H& u; m
5 h8 J, y" R+ W  r6 e2 D        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)致過熱以及毀滅性的發(fā)動(dòng)機(jī)失效,。對(duì)于 min=0.8來說,， ð 必須少于5.42 µm。對(duì)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(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：
6 W' C, k! ?+ c. H        (1)ð ≤10 µm在2008年達(dá)到
7 f1 p0 _. X* d- {' f5 J        (2)ð ≤5 µm在2009年達(dá)到
) v. y' c7 S- Q! f( W9 q        (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,。
; U7 H& j6 x; O& d7 ?0 n         
        精密激光穿孔
6 U& D8 X: ?& \        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)無維度的數(shù)量：
. k4 f3 G2 C  F) H! T+ J7 c$ f5 y' Q
, m+ C7 n# f3 Q4 l/ i  X* e1 @
5 y) `. ]1 U' D/ }7 b! u        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：
4 n8 g( p. W+ j/ f0 z" D& y+ H
        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,。
: ]) S, ~, _+ S0 \5 ]) \4 G        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(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：

$ T" O8 ]7 Z# _7 U9 G  u: K        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。
% e/ [0 C$ f  y+ J' P( K' I        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,，而無需針對(duì)每個(gè)孔來調(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的影響,。   
7 m, K8 I# B8 n4 i" @3 E* {& Y        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)生問題,，源于不足的初始輝度,。通過選擇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。
$ V/ f7 N3 N' h' z6 \9 y; W         
        穿孔流程
' x+ w+ f. B! i& P        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來進(jìn)行穿孔,，M=2來清理孔,，約15%的周長作為導(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,。
5 V" b( s  Q" Z        根據(jù)我們之前的定義：
7 B6 ^2 X. H) E/ n; }        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：
2 j6 K8 }5 l5 y2 {0 N6 d
        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,。柱形孔周長為C= DO，因此,，n=C/ = DO / DO= / ,，從而得到：
; `+ b% _5 `/ K. C$ |+ I
        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：
* D0 e, S( d/ L  W- a/ f
1 L; N/ K& M4 p' ~0 @# L8 b5 a        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(qū)間來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)金屬來說都達(dá)到最低邊界值,。F的最大邊界值通過穿孔頭的動(dòng)態(tài)參數(shù)限制而設(shè)定,。
! d2 d6 ~% f) T# ^        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
1 w& _1 U0 A5 K) R' N        （2）所有的孔都采用穿孔方式
- m2 N1 H8 \) u( U! e        （3）DO=457 &micro;m
        （4）輸出光纖并未通過機(jī)械臂固定
6 |2 x2 b# ~4 [; O9 m, t
; Z. N. d' Z6 Y" U        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 &micro;m；公差為11.6 &micro;m,。這些孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)差為 =10.2 &micro;m,，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 &micro;m,，標(biāo)準(zhǔn)差是 =4.8 &micro;m。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),。
2 k1 y( r$ q( W% S         
        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,。
( R8 P, ?" t8 L, O! d. @2 M7 e        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， =2.37&micro;m,。這一卓越的結(jié)果幾乎達(dá)到了LFI在2010年的目標(biāo)。通過使用精密的穿孔頭,，LFI可能獲得 <2 &micro;m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),。通過使用60瓦光纖激光器,，以及d=25&micro;m,， =3.76&micro;m，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 &micro;m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。
: r$ [7 f" D' m- Q' ?7 h" H) y2 U         
  f5 o, ^9 {. w0 ?        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。
' B; c' b- R) [; O- g# P. U* m        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,。
4 P$ p) K5 k0 Z: ]; w( _        光纖激光器提供了出色的光束質(zhì)量，更小的焦點(diǎn),，更長壽命以及優(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 &micro;m,。

xyang6800

你好,，請(qǐng)問你有這種機(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[email protected]。謝謝啦,！

常州暴發(fā)戶

有點(diǎn)議思 我也來學(xué)習(xí)一下

minglin_li2007

學(xué)習(xí)了,！

武漢DX朱峰

謝謝分享了啊，呵呵,，謝謝分享了啊,，呵呵�,。。,�,！
6 N$ \# R% s( f- F6 ?支持一下，路過的打個(gè)醬油�,。,。。,。,。�,！