在過(guò)去幾十年里瞧哟，Nd:YAG脈沖激光器一直是材料加工的主力軍朵令，其中相當(dāng)一部分機(jī)器的使用時(shí)間甚至已經(jīng)超過(guò)30年沼币。其中匿党，波長(zhǎng)為1070 nm的脈沖激光器應(yīng)用最為廣泛晰绎，比如醫(yī)療器械、航空括丁、電子等等荞下。盡管如此，在某些方面史飞，這種激光器仍有待改進(jìn)尖昏，比如峰值功率高，但平均功率低构资，電效率不高抽诉，功率提升時(shí)光束質(zhì)量不穩(wěn)定陨簇，聚焦光斑尺寸近似高斯光束，在獲得穩(wěn)定輸出之前需要幾輪脈沖預(yù)熱等等迹淌。然而河绽，縱有種種不盡如人意，這種激光器還是在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里發(fā)揮著重要的作用巍沙。在航空領(lǐng)域葵姥，Nd:YAG脈沖激光器更是占據(jù)著主導(dǎo)地位，廣泛用于各種器件的冷卻孔加工句携。

為何選擇光纖激光器

2009年初献舍，從事材料加工行業(yè)的人開(kāi)始將目光投向那些能夠提供高峰值功率的脈沖激光器，以及具有較高功率水平的連續(xù)激光器宴亦，這類(lèi)激光器峰值功率一般可達(dá)到3 kW苟及，平均功率300 W。技術(shù)的飛躍催生出更高的峰值功率及平均功率啥闪。如今夷钥，峰值功率高達(dá)20 kW，平均功率2 kW曙悠，以及超高功率連續(xù)激光器已經(jīng)問(wèn)世婿残。功率的不斷更新?lián)Q代，將光纖激光器推上了航空器件加工的舞臺(tái)烘韩。

相較于傳統(tǒng)的Nd:YAG激光器襟腹，光纖激光器在電光轉(zhuǎn)換效率及光束亮度（單模或低位操作）方面均有顯著的改善室用，且無(wú)需預(yù)熱摊哟，功率改變時(shí)，無(wú)論是平頂模式（如圖1所示）添瓷，還是高斯模式梅屉，光斑直徑始終保持穩(wěn)定如一，同時(shí)鳞贷，脈沖頻率更高坯汤，參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性能也更強(qiáng)。由于光纖激光器利用的是單個(gè)發(fā)射器激發(fā)搀愧，所以在可靠性玫霎、功率穩(wěn)定性及靈活性方面較閃光燈泵浦激光器而言，有了質(zhì)的飛躍妈橄。

圖1：平頂模式

鑒于光纖激光器的應(yīng)用方式靈活多樣，不僅可以作為新機(jī)安裝翁脆，也可以對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)眷蚓，所以正在占據(jù)越來(lái)越多的市場(chǎng)份額鼻种。之前所有使用Nd:YAG激光器的生產(chǎn)系統(tǒng)都能轉(zhuǎn)換為光纖激光器。隨著市場(chǎng)需求的發(fā)展沙热，現(xiàn)在已有峰值功率達(dá)到20 kW高功率光纖激光器可供選擇（見(jiàn)下表）叉钥。

上述峰值功率及平均功率已經(jīng)可以覆蓋從微加工到大型加工，從微鉆孔到大型鉆孔篙贸，薄厚板材切割码累，深雕等多種應(yīng)用需求。

航空領(lǐng)域的鉆孔需求

航空領(lǐng)域無(wú)疑是又一個(gè)因光纖激光器而獲益匪淺的行業(yè)踏蚓。在現(xiàn)在航空業(yè)中激撮，一個(gè)渦輪引擎可能會(huì)有多達(dá)數(shù)百萬(wàn)計(jì)個(gè)孔，這些孔主要用于幫助器件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中及時(shí)散熱惫投∪铮孔的厚度、角度蹬谁、直徑扔缭、形狀各不相同。在航空領(lǐng)域鉆孔應(yīng)用中癞烈，新型光纖激光器是一種更快洗馅，更靈活、更穩(wěn)定堕常，也更具成本優(yōu)勢(shì)的選擇赌羽。

生產(chǎn)航空器件冷卻孔主要有兩種方式：一種是利用多重脈沖，依據(jù)所需孔徑形成鉆孔（脈沖鉆孔）唁情；另一種是利用小光斑疑苔，在圓形范圍內(nèi)移動(dòng)光束形成鉆孔（套孔）〉槟瘢總的來(lái)說(shuō)惦费，套孔速度慢，但形狀更完美抢韭。在某些應(yīng)用中薪贫，只能選擇套孔，這些孔通常直徑為0.015–0.030 in（如圖2所示）刻恭。

圖2：脈沖鉆孔瞧省，左側(cè)孔徑為0.010 in，右側(cè)孔徑為0.030 in

航空領(lǐng)域還有一個(gè)特殊的鉆孔需求鳍贾，就是連接限流孔的扇形孔（如圖3所示）鞍匾。這些扇形孔是冷卻空氣的出口，目的是將同等流量的空氣分流至更大的范圍，以達(dá)到更好的冷卻效果橡淑。目前构拳，生產(chǎn)扇形孔的工藝主要有以下幾種：第一種是小光斑調(diào)Q激光器+掃描儀。掃描儀用于掃描限流孔出口處的形態(tài)祥喳。使用這種方法加工扇形孔耀奠，需要兩臺(tái)機(jī)器分頭操作；第二種方法是縮小光斑尺寸創(chuàng)造錐度貌硬，然后利用CNC套形用堤，但是這種方法比搭載掃描儀的“二步法”慢得多；第三種方法是利用EDM鉆孔技術(shù)嚣褐，在形成限流孔后再增加一個(gè)扇形孔萌烁。有一點(diǎn)很重要，就是在鉆扇形孔時(shí)微惦，需要避免熱障涂層的剝離豌淹，而現(xiàn)在絕大多數(shù)器件上都有熱障涂層。

圖3：連接限流孔的A .030 in扇形孔

光纖激光器在航空領(lǐng)域鉆孔應(yīng)用

與Nd:YAG脈沖激光器相比婶耕，光纖激光器的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)措坐。首先，光纖激光器的泵浦源是二極管而非閃光燈赖厅，所以能夠形成完美的方波拣播；其次，采用閃光燈泵浦的Nd:YAG激光器升降較慢收擦，所以總有一部分激光能量低于目標(biāo)區(qū)域的蒸發(fā)閾值贮配，這部分能量會(huì)使材料熔化，導(dǎo)致熱障涂層剝離塞赂。要達(dá)到重鑄層的規(guī)格要求泪勒，脈沖周期必須小于1 ms。在這一點(diǎn)上宴猾，光纖激光器擁有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)圆存，因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生方波波形，所以使用10 ms脈沖就能滿(mǎn)足航空器件對(duì)于重鑄層和裂化的規(guī)格要求仇哆。

我們用燃燒室來(lái)舉例說(shuō)明沦辙。使用脈沖鉆孔時(shí)，燃燒室會(huì)在鉆孔的過(guò)程中同步旋轉(zhuǎn)數(shù)圈讹剔，在這種情況下油讯，鉆透需要5個(gè)脈沖，另外再用2個(gè)脈沖形成扇形孔延欠。通常這種激光器最大的重復(fù)頻率是10 脈沖/秒陌兑。而光纖激光器用1個(gè)長(zhǎng)脈沖就能形成扇形孔却师，如果采用與Nd:YAG激光器相同的脈沖周期和脈沖能量，則速度可以達(dá)到原來(lái)的10倍蚀攘。無(wú)論是單個(gè)或兩個(gè)長(zhǎng)脈沖怕枣，還是多重脈沖，都能獲得相同的鉆孔質(zhì)量嘴略。另外，光纖激光器還能調(diào)節(jié)鉆透時(shí)與鉆透后的脈沖周期招蠕，而不是一直使用多重脈沖卑蚓，這樣有利于避免損壞本體。

光纖激光器的特點(diǎn)是可以以平頂模式輸出倾莽，而Nd:YAG激光器則為近似高斯模式径泉。所以，得益于平頂模式板刑，前者全部能量均超過(guò)蒸發(fā)閾值缰兄，而后者則有相當(dāng)一部分在閾值之下。研究顯示邑键，在相同條件下達(dá)到相同鉆孔效果上煤，光纖激光器所需耗費(fèi)的能量更少，究其原因著淆，就是方波+平頂模式劫狠。也正是因?yàn)檫@個(gè)特性，光纖激光器在鉆孔時(shí)效率更高永部，熱損傷更少独泞。熱損傷少了，涂層剝離及重鑄層均會(huì)隨之改善苔埋。

Nd:YAG激光器之所以曾經(jīng)備受關(guān)注懦砂，其原因之一就是獨(dú)特的光束發(fā)散屬性，其光斑尺寸能隨著功率的升高或降低改變组橄，只要經(jīng)過(guò)重新調(diào)焦荞膘，就能達(dá)到所需孔徑。有的Nd:YAG激光器集成了內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡晨炕，用于改變光束的發(fā)散角衫画，但是這種調(diào)整需要操作人員具有極高的專(zhuān)業(yè)度，耗時(shí)瓮栗，還要有正確的參數(shù)树季，所以很多人不看好這種方法。在這一點(diǎn)上番链，光纖激光器正好相反令叉，因?yàn)槠渚劢剐螤顬橥昝赖膱A形缘圈，所以在功率升高或降低時(shí)均不會(huì)發(fā)生改變，而且肥寺，如果在系統(tǒng)中置入一個(gè)可縮放的望遠(yuǎn)鏡枣肚，就能夠在飛行鉆孔時(shí)直接改變聚焦光斑的大小。范圍通常為3-1勃核。

光纖激光器的靈活性遠(yuǎn)在Nd:YAG激光器之上再僧，這主要是由于前者的高應(yīng)答二極管能夠在飛行鉆孔時(shí)改變脈沖周期和功率大小，使操作人員能夠利用不同的功率大小及脈沖周期俩孽，創(chuàng)建所需的脈沖序列猬听。比如，在開(kāi)始鉆孔時(shí)用低功率患达、短脈沖记令，然后根據(jù)特定的鉆孔需求，按照序列提高功率和脈沖习劫。由于光纖激光器能夠在提供千瓦級(jí)高峰值功率的同時(shí)咆瘟，調(diào)整光斑尺寸及脈沖周期（低至10 μs），所以只用一臺(tái)機(jī)器就夠了诽里。

使用套孔技術(shù)時(shí)袒餐，光纖激光器的加工速度能達(dá)到燈泵浦Nd:YAG脈沖激光器的10倍。不僅如此须肆，飛行鉆孔時(shí)匿乃，光纖激光器還能轉(zhuǎn)換為功率高達(dá)2 kW的連續(xù)輸出，實(shí)現(xiàn)高速切割豌汇。對(duì)于某些燃燒室設(shè)計(jì)而言幢炸，這一數(shù)據(jù)還能進(jìn)一步提升。綜上所述拒贱，脈沖光纖激光器是切割較厚板材以及高速鉆孔應(yīng)用的理想選擇宛徊。

光纖激光器與生產(chǎn)系統(tǒng)

光纖激光器的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)就是易于與現(xiàn)有機(jī)器或是機(jī)器人系統(tǒng)整合。光纖激光器的能量傳輸是通過(guò)光纜實(shí)現(xiàn)的逻澳，所以無(wú)論是現(xiàn)有系統(tǒng)升級(jí)闸天，還是全新安裝，都很容易士敬。連接光纖激光器的工業(yè)機(jī)器人能夠通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制侧碍，這樣人們就可以建立一種新的鉆孔系統(tǒng)，用較少的資本投入彻芒，獲得機(jī)器人系統(tǒng)的高度靈活性赴仪。此外，將機(jī)器人與六軸系統(tǒng)相結(jié)合尘晓，也能滿(mǎn)足航空器件工業(yè)鉆孔對(duì)精確度的需求换橱。直到今天邪慧，一些大型企業(yè)仍在不斷深入研究，包括多軸機(jī)器及機(jī)器人系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)舔躏，現(xiàn)有生產(chǎn)線的升級(jí)等等秆尝。

長(zhǎng)脈沖光纖激光器能夠顯著改善冷卻孔的參數(shù)，因此獲得了航空領(lǐng)域的廣泛關(guān)注防擎。使用光纖激光器鉆孔挎中，速度更快，質(zhì)量更高丙图，孔的性狀更統(tǒng)一刮便，操作成本更低，還能形成一些過(guò)去無(wú)法形成的幾何形狀或效果绽慈。引擎生產(chǎn)商已經(jīng)充分意識(shí)到長(zhǎng)脈沖光纖激光器的種種優(yōu)勢(shì)，并將其引入不同引擎器件的生產(chǎn)系統(tǒng)中辈毯，而這種需求也必將推動(dòng)著光纖激光工藝進(jìn)一步發(fā)展坝疼。

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