高功率纤维激光器泻流孔钻孔装置和使用该装置的方法

摘要

一种纤维激光处理工件配置成具有主体，主体具有不连续表面，其限定多个间隔开的贯穿的通道，使得每个通道由外围层界定，所述外围层具有表面特性，所述表面特性包括再铸层或和一个或多个微裂纹或其组合。通道是由高功率Yb纤维激光器提供，所述高功率Yb纤维激光器操作脉冲机制并且被配置为在每一个整个通道上输出单个脉冲或者在每一个通道上输出脉冲串。所述Yb纤维激光器如此配置使得，如果形成再铸层和微裂纹，每一个比航空工业中相关标准小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于处理航天发动机材料的高功率纤维激光装置。特 别地，本发明涉及一种用于在航天材料中钻孔/通道的高功率脉冲纤维激 光系统，和使用高功率脉冲纤维激光有效和重复地钻大致均匀的孔的方 法。

背景技术

包括钻孔的激光加工是熔化过程，其中在液体状态过程中未被蒸发或 移除的基材再固化且变成再铸层。在传统的激光钻孔过程的情形中，再铸 层通常在被钻孔的侧壁处由再固化的熔化材料形成。在钻的孔/通道由冷 却介质通过的位置，再铸层是特别不期望的。工业标准要求再铸层是大约 0.005″厚或更小。但是即使这样薄的再铸层也是极不可取的。

处理后的金属的快速固化导致通常延伸进入母材的微裂纹。工业上可 接受的微裂纹的宽度为约0.0016″。然而，可接受的宽度是如此微小，这 种微裂纹往往降低零件寿命。

航天燃气涡轮机要求有大量的小直径的孔(＜1nam)以对涡轮叶片、 喷嘴引导翼或导向叶片、燃烧室和后燃烧室提供冷却。成千上万的孔被引 入这些部件的表面，以允许冷却空气的薄膜在涡轮机的操作在部件之上流 动。冷却薄膜延长部件寿命且允许从发动机实现额外的性能。典型的现代 发动机将具有100,000个这样的孔/通道。现在已经令人满意地确立通过高 峰值功率脉冲Nd-YAG激光器钻孔这些冷却孔，但是再铸和微裂纹的问题仍 然悬而未决。

正如在激光领域的普通技术人员所知道的，每一种类型的激光器在诸 如提供具有多个孔的航天部件的特定用途的情况下都有其优点和缺点。具 体地，参见Nd-YAG激光器，优点包括(除其他优点外)将在1μm波长范围 内的辐射良好耦合为部分和高脉冲能量和峰值功率。

然而，已知单模式(“SM”)Nd-YAG激光也有多种局限性，这可能并不 总是导致其在航天工业中的有效的使用，因为其性能任意变化或偏离。例 如，由于通常使用的高斯束具有小半径圆顶形横截面，因此在整个激光光 束上的功率分布可能并不总是均匀的或一致的。此外，脉冲宽度可能会波 动。同样令人不安的是，难以控制相应的随后脉冲的峰值-峰值的功率。 因此，钻出的孔，除了典型的再铸层和微裂纹以外，可能具有不同的圆度、 密度，因此，可能不是期望的工业要求的质量。

由于通常设计用于低的重复率和每个脉冲高峰值功率的电源和闪光 灯的限制，进一步的限制可能涉及相对低的脉冲频率。作为一般规律，试 图增加重复频率导致每个脉冲的最大功率急剧下降。在当前对于高功率和 更高的重复频率的需求的情况下，目前使用的Nd-YAG激光器可能无法满足 这些需求。

此外，如激光技术领域的普通技术人员所知道的，传统的Nd-YAG激光 器具有复杂的腔体设计，通常需要在封闭在水套中使用O形圈密封的直接 地冷却的晶体杆。存在很多需要校正Nd：YAG杆中的热变形的特大腔体的 光学元件。全部这些元件必须被适当地维护，这需要一个复杂的控制装置； 否则，腔体内部和外部的热不稳定性可能会导致光束输出特性的明显差 异，导致钻出通道具有明显不同的再铸厚度和因此较差的均匀性。

因此，对于设置有多个不均匀通道的激光处理过的工件有如下要求： 使得平均再铸层(如果形成)比工业标准薄很多。

对于设置有多个不均匀通道的激光处理过的工件还有如下要求：使得 在部件中的基体裂纹深度水平低于工业标准。纤维激光器系统存在的另一 个要求：构造成使得在工件上激光钻孔的多个均匀通道的各自的外围形成 有具有低于工业确立标准的相应水平的最小程度的再铸层和微裂纹。

另一个要求是在工件上激光钻孔多个通道使得再铸层和基体微裂纹 水平(如果形成在相应的外围上)远低于相应的工业标准的方法。

另一个要求是在工件上激光钻孔多个通道使得通道直径的直径一致 性远低于相应的工业标准、优选地小于XXX标准偏差的方法。

发明内容

通过本发明提供的教导满足上述的和其它的需要。特别地，本公开教 导一种工件、一种激光处理工件的方法和一种用于实施本方法的装置。该 装置如此配置和该方法如此实施使得工件的主体被设置有多个大致均匀 或一致的通道，所述通道的质量比由航天工业中目前的Nd：YAG技术提供 的好。

根据本公开的一个方面，提供一种激光处理的工件，其具有限定多个 钻孔通道的不连续的主体。每个钻孔通道的壁构造为使得再铸层，如果形 成，具有显著小于目前工业标准的约0.005″的厚度。再固化再铸层上的微 裂纹的宽度小于目前工业标准的0.0015″。

根据本公开的又一个方面，一种高功率单模Yb光纤脉冲激光器被用于 机加工件的主体。Yb光纤脉冲激光器被配置为激光处理主体从而钻出多个 贯穿的通道，使得每个通道的壁可以具有远小于约0.005″的目前工业标准 的再铸层，其中在再铸层中的至少一个微裂纹的深度至少小于目前工业标 准的0.0015″的50％。

根据本发明的再一个方面，提供一种用于激光对工件钻孔的方法，使 得高功率单个模块Yb光纤脉冲激光器操作以发射脉冲，其中发射脉冲的重 复频率超过25赫兹、平均功率为至少10千瓦和峰值功率超过10千瓦。所述 方法进一步使Yb光纤脉冲激光器以大致基本模式均匀的高脉冲间频率辐 射平顶脉冲。后者特征在于，如此选择的参数除了别的以外包括大致一致 的或均匀的小M²值和大致均匀峰值功率，多个均匀的通道的质量优于由目 前可用的Nd-YAG激光器产生的通道。

附图说明

通过如下附图和具体的描述，更容易理解所公开的设备、方法和产品 的上面的和其他特征和优点，其中：

图1是所公开的纤维激光系统的示意图。

图2是具有多个通道的工件，所述多个通道由根据所公开的方法和实 施所公开的方法的装置提供。

图3-7是计算机生成的拍摄照片，图示在通过所公开的装置和方法发 射的不同地配置的脉冲情况下获得相应的微裂纹由。

图8是总结在图3-7中图示的结果并且将这些结果与工业标准进行比 较的图表。

图9-13是相应的计算机生成的拍摄照片，图示在图1的纤维激光系统 的不同操作条件下产生的再铸层。

图14是图示分别地在图9-13中显示并且与工业标准进行比较的结果 的图表。

具体实施方式

现在将详细地参考图示在附图中的本发明的几个实施例。只要有可 能，相同或类似的附图标记在附图和说明书中指示相同或类似的部件或步 骤。某些附图是以简化形式且不以精确比例。术语“耦合”和类似的术语 不一定表示直接和即时的连接，而是还包括通过中间部件或装置的连接。

图1图示纤维激光钻孔系统10，包括高功率纤维激光器12、通常具有 导束光学部件的光束传输系统14，所述导束光学部件引导激光输出束到激 光头16。激光头16操作以将光束聚焦在工件18的所希望的位置，并且通常 具有高达12个自由度以便允许激光头和工件相对彼此沿着预定路径在对 应于将要被钻出的相应通道的多个位置上方便地移动，如使用Y公司从(Z 地址)获得的×产物提供。

纤维激光器12包括多个分离的激光模块，每一个设置有镱(“Yb”)振 荡器，操作以输出约500瓦或更高。可以通过利用激光领域普通技术人员 已知的主振功率放大器(“MOPA”)方案进行修改该结构。优选地，所述激 光器是可从MA的Oxford的IPG光子公司获得的一种型号YLBxxxx。

模块的累计输出系统光可以容易地达到约10kW和20kW之间的几千瓦 级别和更高级别。镱纤维激光器12被配置成以在约25赫兹和50赫兹之间的 重复频率以低的多模式(“MM”)发射约1070nm波长的方形或矩形脉冲。 系统光具有与稳定的低的束产品参数(“BPP”)，其范围从约3至约5且M²值 大致约为10。

参照图2，在上述公开范围内的Yb纤维激光器12的具体参数被选择以 使所有钻出的通道20是清洁的，没有表面飞溅物，并且具有大致一致或均 匀的直径、锥度、清洁的通道入口和通道出口。换句话说，该脉冲具有一 个稳定均匀的脉冲间频率、一致的振幅或峰值功率以及一致或均匀的方波 脉冲形状，全部这些导致形成大致均匀的通道。

图2提供一种在顶部表面上具有z的标准偏差的椭圆形通道的工件18， 椭圆形通道具有长轴x和直径的短轴。被椭圆移除的表面的面积等于 Aoval。

包括航天业的很多工业所需的上述结果已经由以上公开的处理工件 18的激光系统实现，工件18由下列形成：铝、陶瓷、金属陶瓷、镍和镍合 金，包括但不限于变体、包括625和718的 变体、Mar-M变体、单晶、碳钢、钛/或变体及各种 氧化物、合金及其组合。

参照图3-7，通过包括工件18中的再铸层和微裂纹的构成和尺寸的实 验结果图1中所公开的系统10的重要性显而易见，工件18可以没有任何限 制地配置为涡轮叶片、喷嘴、引导翼或导向叶片、燃烧室和后燃烧室和其 他。如下参数共用于在相应的图3-6中显示的所有实验，并且包括激光系 统10，其输出25赫兹重复频率的15个方形或矩形脉冲，并且每个脉冲具有 15千瓦的峰值功率。尽管具有如下所公开的不同的脉冲，但是用于钻出通 道需要的平均时间是约6秒。是什么材料？

具体地参见图3和8，被配置为以上述列出的参数的系统10在工件18 中的通道20的壁上形成微裂纹24。在该实验中的脉冲宽度是约0.5毫秒。 在图8中显示为1的这个实验导致具有约0.0004″的宽度的微裂纹24。

特别参考图4和8，系统10操作以输出脉冲，每个脉冲具有1毫秒的脉 冲宽度。由图8中数字标号2表示，产生的微裂纹24具有约0.0006″的宽度。

图5图示约2毫秒的脉冲宽度的结果。这个实验的结果由图8中的标号3 表示，且包括约0.001″的微裂纹24宽度。

图6图示使用激光系统10操作以发射方形或矩形脉冲通过对工件钻孔 所产生的结果，每个方形或矩形脉冲具有约3毫秒的脉冲宽度。这个实验 对应于图8中的参考数字4，并且得出约0.0008″的宽度。

图7图示在与先前四个实验有所不同的参数情况下形成的微裂纹24。 特别地，代替脉冲串，系统10触发单个的10毫秒的脉冲，这不可以通过 Nd-YAG激光器获得。如可以在图8中看到，在参考数字5下的结果，0.0002″ 的宽度基本上与实验1中的0.5毫秒的最短脉冲宽度情形中的一样。然而， 相比于全部先前的设置，在这个实验中每个通道的钻孔时间是约0.05，其 比在先前的实验中需要的0.6毫秒短得多。

图8清楚地图示了使用本发明的系统的优点。相比于附图标记6指示的 约0.014″的航天标准，甚至通过公开的纤维激光系统10在实验3中得到的 最坏的结果也显著地好于上述标准。

现在参看图9-14，配置有与参考图3-8披露的参数相同的参数的激光 系统10还显示相对于航天工业的标准显著改善再铸层的厚度。

具体地说，进行与相应的脉冲宽度0.5、1.0、2.0、3.0和10毫秒的单 个脉冲对应的相同的五个实验，并且得出再铸层26，清楚地显现在相应的 图9-13中。图14图示通过相应的数字1，2，3，4和5表示的5个实验的结果 和参考数字6是工业标准。

正如从图14所示，具有相应的脉冲宽度0.5、1.0和2.0毫秒的前三个 实验分别产生约0.0018″、0.0022″和0.0025″厚的再铸层。具有3.0毫秒脉 冲宽度的第四设置得出具有厚度约0.0022″的再铸层。以上产生相应结果 的所有的实验，再铸层厚度小于对应于右端柱状物6的约0.005″的标准厚 度。

使用单个10毫秒脉冲宽度的最后的实验(编号5)再次显示在许多方 面具有优势，并且具有与使用最短脉冲宽度的实验1大至相同的结果 0.0018″。

所有的结果在认证的冶金实验室中得出，并且与本发明的高功率MM Yb纤维激光器的配置和使用相互关联。已经参照附图描述了本发明的优选 实施例中的至少一个，对于本领域技术人员显而易见地，本发明并不限于 这些描述的实施例，并且可以对于目前公开的用于航天材料的激光钻孔的 工件、方法和系统进行各种修改和变化。相信，随着很快将能够使用更高 功率、各种脉冲宽度、发射计数和可能甚至改变的脉冲形状，结果可能更 令人鼓舞。因此，目的在于，本发明覆盖本公开的修改和变化，只要它们 在所附权利要求的范围内。