復(fù)合脈沖激光打孔方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光打孔領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合脈沖激光打孔方法及裝置，特別是一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的激光打孔的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]已知目前現(xiàn)有的各種特別是使用特定激光裝置的用于在上述構(gòu)件中打孔的方法，按照激光的脈寬大致可以分為三類。
[0003]第一類方法是采用閃光燈栗浦的毫秒脈沖激光器。這種激光器產(chǎn)生脈寬較長(zhǎng)的大能量長(zhǎng)脈寬脈沖，脈寬一般不小于0.1毫秒，例如1毫秒；能量一般在1焦和300焦之間，例如10焦。長(zhǎng)脈寬脈沖激光打孔產(chǎn)生較大的熔流，打孔過程特別是在激光脈沖結(jié)束后的熔流過程難以控制，會(huì)產(chǎn)生較厚的再鑄層與擴(kuò)展到基體上的微裂紋。但是，激光熔化打孔所需的激光峰值功率較小，在相同的激光脈沖能量下可以去除較多的材料，在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較深的加工深度，因此，長(zhǎng)脈寬脈沖打孔效率較高。
[0004]另一類方法是采用激光諧振腔內(nèi)置有調(diào)Q開關(guān)的納秒脈沖激光器以及鎖模元件的激光器產(chǎn)生的短脈寬脈沖。這種激光器產(chǎn)生的脈寬非常短，遠(yuǎn)小于1微秒，例如10納秒。短脈寬脈沖的另一個(gè)含義是僅僅與長(zhǎng)脈寬脈沖相對(duì)而言。與不加調(diào)制的毫秒脈沖相比，短脈寬脈沖激光的峰值功率高，與被加工材料作用時(shí)間短，有利于對(duì)加工過程的控制。但是由于短脈寬加工過程的等離子體屏蔽問題，短脈寬脈沖激光加工效率很低。
[0005]通用電氣公司研發(fā)中心的陳湘立(Xiangli Chen)，使用1064納米波長(zhǎng)的毫秒、納秒脈沖，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜孔打孔進(jìn)行了對(duì)比研究(J.Laser Appl.8，233，1996 ；J.LaserAppl.9, 287, 1997 ；Patent N0.US 6172331 Bl, 2001)。實(shí)驗(yàn)中使用了金屬間單晶鎳鋁(NiAl)與單晶鎳基(N5)兩種高溫合金。微秒脈沖列打孔的再鑄層厚度20微米至50微米，常規(guī)微秒脈沖打孔的再鑄層厚度20微米至250微米。微秒脈沖列可以降低再鑄層厚度，“但是不能減輕有害的微裂紋問題”。使用了兩種短脈寬脈沖形式，300納秒脈寬、重頻5千赫的調(diào)Q脈沖，間隔為12納秒的260皮秒脈寬的調(diào)Q/鎖模脈沖。高溫合金N5再鑄層厚度為10微米至130微米，“與長(zhǎng)脈寬脈沖列相比并沒有明顯的優(yōu)點(diǎn)”;高溫合金NiAl的微裂紋被局限在再鑄層附近，最大再鑄層75微米。
[0006]為了兼顧使用長(zhǎng)脈寬脈沖打孔效率高以及短脈寬脈沖的高峰值功率打孔的特性，出現(xiàn)了同時(shí)使用長(zhǎng)脈寬脈沖和短脈寬脈沖進(jìn)行打孔的第三類復(fù)合脈沖激光打孔技術(shù)，以及在實(shí)質(zhì)上是提高短脈寬脈沖的重復(fù)頻率的雙脈沖激光打孔技術(shù)，后一種技術(shù)原則上屬于第二類方法。
[0007]布法羅州立大學(xué)的萊涵(C.Lehane)使用復(fù)合脈沖進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)(Appl.Phys.A, 73，45，2001)。該實(shí)驗(yàn)使用能量2.5焦脈寬0.15毫秒的短脈寬脈沖相對(duì)于能量22.5焦脈寬3.5毫秒的長(zhǎng)脈寬脈沖延遲4毫秒至8毫秒條件下，打孔效率明顯提高。這種方法屬于大能量毫秒脈沖打孔，不能降低熱影響區(qū)大小和減少進(jìn)入構(gòu)件基體的微裂紋條數(shù)。
[0008]江蘇大學(xué)的戴峰澤申請(qǐng)了“一種雙脈沖激光系統(tǒng)打孔方法”專利(中國發(fā)明專利申請(qǐng)，申請(qǐng)公布號(hào)CN 104043906A，2014)。該申請(qǐng)沒有定量說明兩個(gè)脈沖的相對(duì)延遲關(guān)系。使用長(zhǎng)脈寬脈沖熔化和短脈寬脈沖輔助打孔方法，與萊涵的實(shí)驗(yàn)一樣，實(shí)質(zhì)上屬于第一類大能量毫秒脈沖打孔技術(shù)。
[0009]亞琛工大的魏澤(K.Walther)和布拉迪克(M.Bra j die)對(duì)復(fù)合脈沖打孔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究(Int.J.Adv.Manuf.Tech.35，895，2008 ；0pt.Laser.Eng.46，648，2008)。該實(shí)驗(yàn)使用頻率20赫茲脈寬0.5毫秒能量0.64焦的燈栗板條激光器的微秒脈沖，與頻率10千赫脈寬17納秒的二極管連續(xù)栗浦固體激光器的納秒脈沖，組成復(fù)合脈沖，對(duì)不銹鋼進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)。毫秒脈沖是打孔的主脈沖，納秒脈沖起輔助作用?？妆谏嫌薪?00微米深的爆炸坑。這種技術(shù)沒有明顯地改善打孔質(zhì)量。
[0010]通用原子公司的弗斯曼(A.C.Forsman)提出雙脈沖間隔70納秒脈沖能量1.2毫焦脈寬4納秒的雙脈沖打孔方法，可把納秒或者皮秒脈沖的打孔效率提高1倍，(J.Appl.Phys.98，033302，2005 ；Patent N0.US 6664498B2, 2003)。但這種技術(shù)打孔直徑很小，效率仍然很低，只適合微加工，不適合于加工渦輪葉片氣膜孔。
[0011]綜上所述，第一類大能量長(zhǎng)脈寬脈沖激光打孔存在四大問題:一是孔壁周圍存在超過100微米厚的再鑄層，并且激光與噴濺物以及再鑄層相互作用，使得激光加工小孔具有一個(gè)深度和深徑比的極限；二是再鑄層冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)在再鑄層以及基體上產(chǎn)生微裂紋，微裂紋是導(dǎo)致渦輪機(jī)扇葉損壞的主要原因；三是激光被金屬吸收后，會(huì)產(chǎn)生一定的熱影響區(qū)；四是打孔過程中會(huì)出現(xiàn)粘膠層與熱障涂層間的分層現(xiàn)象，使得扇葉達(dá)不到要求的溫度，進(jìn)一步縮短扇葉的工作壽命。
[0012]第二類短脈寬脈沖打孔方法，在脈寬為50納秒至500納秒范圍內(nèi)，不能明顯減小再鑄層厚度，當(dāng)脈寬小于10納秒，打孔效率變得極低。
[0013]已提出的聯(lián)合使用毫秒脈沖激光器和納秒脈沖激光器打孔的第三類復(fù)合脈沖方法，采用微秒脈沖為主脈沖，納秒脈沖為輔助脈沖，孔壁有氧氣爆炸式排出殘?jiān)斐傻陌伎?，超過70微米的較厚再鑄層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明實(shí)施例提供一種復(fù)合脈沖激光打孔方法及裝置，以提升激光打孔質(zhì)量并提高打孔效率。
[0015]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種復(fù)合脈沖激光打孔方法，包括:產(chǎn)生短脈寬脈沖，所述短脈寬脈沖由短脈寬脈沖列構(gòu)成，所述短脈寬脈沖列的脈寬小于或等于500納秒，脈沖列內(nèi)的脈沖重頻等于或大于100千赫，單脈沖能量等于或小于100毫焦；產(chǎn)生長(zhǎng)脈寬脈沖，并調(diào)整所述長(zhǎng)脈寬脈沖能量，使其等于或大于所述短脈寬脈沖列打孔過程中小孔側(cè)壁與孔底的熔流層厚度熔化所需的熔化熱；將所述短脈寬脈沖和長(zhǎng)脈寬脈沖通過組束裝置進(jìn)行組束，構(gòu)成高重頻復(fù)合脈沖；將所述高重頻復(fù)合脈沖發(fā)射到構(gòu)件上進(jìn)行激光打孔。
[0016]進(jìn)一步地，所述長(zhǎng)脈寬脈沖的重頻與所述短脈寬脈沖的脈沖列間的重頻相等，等于或大于1赫茲。
[0017]進(jìn)一步地，所述長(zhǎng)脈寬脈沖的脈寬等于或大于所述短脈寬脈沖列內(nèi)脈沖重頻倒數(shù)的10倍。
[0018]進(jìn)一步地，所述短脈寬脈沖列和長(zhǎng)脈寬脈沖的激光波長(zhǎng)等于或小于1.064微米。
[0019]進(jìn)一步地，所述短脈寬脈沖列和長(zhǎng)脈寬脈沖的激光波長(zhǎng)等于或小于0.532微米。
[0020]進(jìn)一步地，所述構(gòu)成的高重頻復(fù)合脈沖中至少包括一種短脈寬的脈沖列，相鄰兩個(gè)短脈寬脈沖列的相對(duì)延遲為10納秒至0.5微秒，相對(duì)定時(shí)抖動(dòng)小于5納秒。
[0021]進(jìn)一步地，所述短脈寬脈沖列的首脈沖前沿相對(duì)于所述長(zhǎng)脈寬脈沖的前沿同步對(duì)齊，定時(shí)抖動(dòng)小于1微秒，相對(duì)延遲為0至100微秒。
[0022]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種復(fù)合脈沖激光打孔裝置，包括:短脈寬脈沖列激光諧振腔，用于產(chǎn)生短脈寬脈沖，所述短脈寬脈沖由短脈寬脈沖列構(gòu)成，所述短脈寬脈沖列的脈寬小于或等于500納秒，脈沖列內(nèi)的脈沖重頻等于或大于100千赫，單脈沖能量等于或小于100毫焦；長(zhǎng)脈寬脈沖激光諧振腔，用于產(chǎn)生長(zhǎng)脈寬脈沖，并調(diào)整所述長(zhǎng)脈寬脈沖能量，使其等于或大于所述短脈寬脈沖列打孔過程中小孔側(cè)壁與孔底的熔流層厚度熔化所需的熔化熱；組束裝置，用于將所述短脈寬脈沖和長(zhǎng)脈寬脈沖進(jìn)行組束，構(gòu)成高重頻復(fù)合脈沖；引導(dǎo)整形裝置，用于將所述高重頻復(fù)合脈沖發(fā)射到構(gòu)件上進(jìn)行激光打孔。
[0023]本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合脈沖激光打孔方法及裝置，吸取了納秒脈沖列加工小孔熔流層較薄，而微秒脈沖補(bǔ)償了納秒脈沖的熔流時(shí)間以及在孔壁上損失的能量的特性，使得熔化的殘?jiān)梢杂行У貒姵隹淄?，故可以高效地并且高質(zhì)量地加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件上的氣膜孔，并可以有效地降低渦輪葉片氣膜孔最大再鑄層厚度最小到11.5微米，且提高短脈寬脈沖的打孔速率1倍左右。
【附圖說明】
[0024]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合脈沖激光打孔方法的處理流程圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合脈沖同步疊加的方法示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合脈沖延遲疊加的方法示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的雙短脈寬脈沖列復(fù)合脈沖延時(shí)疊加的方法示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合脈沖激光打孔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖6為本發(fā)明的復(fù)合脈沖激光打孔裝置的一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖7為本發(fā)明的復(fù)合脈沖激光打孔裝置的另一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合脈沖同步疊加的一實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；
[0033]圖9為本發(fā)明的僅使用短脈寬脈沖列打孔的入口處的一金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；
[0034]圖10為本發(fā)明的使用復(fù)合脈沖打孔的入口處的一金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；
[0035]圖11為圖10的一局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0037]本發(fā)明的原理:納秒脈沖列加工小孔熔流層較薄，而微秒脈沖可以補(bǔ)償納秒脈沖的熔流時(shí)間以及在孔壁上損失的能量，使得熔化的殘?jiān)梢杂行У貒姵隹淄?。?將納秒級(jí)脈寬的高重頻短脈寬脈沖列作為主脈沖，毫秒級(jí)脈寬的長(zhǎng)脈寬脈沖作為輔助脈沖，構(gòu)成一種特別有效的高質(zhì)量小孔的激光解決方案。
[0038]在本發(fā)明中，該激光打孔技術(shù)主要應(yīng)用在航空發(fā)送機(jī)構(gòu)件上，構(gòu)件包括具有熱障涂層的渦輪葉片。
[0039]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合脈沖激光打孔方法的處理流程圖。如圖1所示，包括:步驟S102，產(chǎn)生短脈寬脈沖，所述短脈寬脈沖由短脈寬脈沖列構(gòu)成，所述短脈寬脈沖列的脈寬小于或等于500納秒，脈沖列內(nèi)的脈沖重頻等于或大于100千赫，單脈沖能量等于或小于100毫焦；步驟S104，產(chǎn)生長(zhǎng)脈寬脈沖，并調(diào)整所述長(zhǎng)脈寬脈沖能量，使其等于或大于所