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120萬個孔,，許多是薄膜冷卻孔，對于引擎運(yùn)行來說至關(guān)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(fù)精度。

對重復(fù)精度的衡量是標(biāo)準(zhǔn)差(ð),。對于設(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,。對于高斯誤差分布和120萬個孔來說,，表1顯示出當(dāng)加工孔數(shù)量為NI，直徑為D時的結(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,，一個誤差的區(qū)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(dá)到設(shè)計(jì)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(dǎo)致過熱以及毀滅性的發(fā)動機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(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,，僅僅在每個發(fā)動機(jī)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(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精密激光穿孔系統(tǒng),，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(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng),，一臺零件上料盤和一個防護(hù)罩,。接下來的分析和初始測試可獲得文件系統(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：

      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(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順序得到的最大尖端高度,。當(dāng)降低到ß =0.1時不會導(dǎo)致可測量的質(zhì)量改善,，但會使穿孔時間加倍。

      根據(jù)LFI公司的經(jīng)驗(yàn),，激光的峰值輝度是激光鉆孔時應(yīng)當(dāng)考慮的最重要的參數(shù),。
      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(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(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，而無需針對每個孔來調(diào)整激光參數(shù),。這一數(shù)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(dāng)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(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，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會產(chǎn)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(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15%作為導(dǎo)出階段防止出現(xiàn)缺陷。在M=2.3時得到出色的孔質(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)移動的距離為 ,。平均速度為 ≡ / t = F = DOF,；因?yàn)槭艿酱┛最^動態(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(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在兩個脈沖間重新固化,。這使得F約為1kHz時對于大多數(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態(tài)參數(shù)限制而設(shè)定,。

      預(yù)測試結(jié)果
      光纖激光器測試在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(jī)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(fā)動機(jī)擋板上,。所有的孔都在一臺ROI公司出品的OMIS II光學(xué)檢測系統(tǒng)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(dāng)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(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光纖激光器測得附加的測試數(shù)據(jù),。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(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 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(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在最小化穿孔時間的同時提高了孔的質(zhì)量。
      螺旋穿孔避免了在每個孔的周線上出現(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,，簡易的冷卻,，減少了占地面積，以及更簡單的攜帶性,。
      預(yù)測試已經(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 µm。

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

你好,，請問你有這種機(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,。請與我取得聯(lián)系，QQ980262373,，郵箱[email protected],。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,，路過的打個醬油！�,。,。。,。,。�

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