光纤激光钻孔在航天领域的应用

如今，光纤激光器已经成功吸引了众多工业领域内激光器用户的注意。在焊接、标记和切割应用中，光纤激光器成为标准化配置，并且值得我们注意的是，这一过程发生在很短的时间内。不过在涡轮发动机组件溢出冷却孔的钻孔应用上，光纤激光器遇到了难题。本文将探讨其中的原因，并且更重要的是为读者介绍Nd：YAG激光器在这一复杂加工工艺中的最新应用，相信可以令激光器用户耳目一新。 

Nd:YAG激光器钻孔工艺 

Nd:YAG激光钻孔可以加工出非常小而且非常精密的孔，这些孔可以与表面成法角或极端角度，可以是各种形状、各种方向，并且适用材料的范围也很广泛，包括难以加工的航天合金。例如，Prima Power 北美公司旗下的Prima Power Laserdyne公司在全球范围内安装了超过750台航天制造专用激光系统。通常使用的是高功率（平均功率为200~400瓦）脉冲Nd:YAG激光器，通过冲击打孔（图1）或旋切打孔来完成加工。在激光钻孔工艺中，高功率密度通过0.05 毫米至0.75 毫米的聚焦光斑尺寸实现。

冲击打孔是指激光器发出一束或多束激光脉冲，同时激光光束和加工部件保持固定。是否需要多束脉冲，这由要加工的孔的深度来决定。冲击打孔的另一个类型是飞行钻孔，它是用固定的激光器向加工部件发出激光脉冲，同时旋转加工部件。孔的位置由旋转速度和激光脉冲频率决定，它们成函数关系。如果要求多束脉冲，可使用相关软件（例如由Laserdyne公司的CylPerf软件）来使部件的运动和激光脉冲保持一致，并确保每一束脉冲都准确地作用在要求的位置上。通过改变激光脉冲能量可以来调整脉冲频率、镜头焦距、钻孔的尺寸和锥度来满足所需要的孔的设计要求。 

另一种钻孔工艺是旋切打孔。在旋切打孔时，加工部件保持固定，同时激光光束移动并通过切割形状来形成孔洞。这种“钻孔”方式通常用于同时进行冲击和钻孔的应用。而超精密、可重复激光定位系统的出现，使得我们可以进行这种独特、精准的旋切打孔。 

激光器的平均功率由脉冲频率和脉冲能量来决定，而功率又受到激光器的工作周期所限制，在这一工作周期中激光器的性能不会下降。冲击打孔通常使用<100 瓦至400 瓦的平均功率。而选择好脉宽可以优化钻孔的质量。较短的脉宽可能会限制单束脉冲可实现的最大能量；典型的脉宽范围为0.5~2 ms。 

脉冲能量可以来区分钻孔激光器与应用在其他加工类型的激光器。较高的脉冲能量会使得钻孔速度更快，但可能会对孔的质量带来负面影响。一般而言，所需的脉冲能量由实验结果、材料厚度、组成成分以及所需要的孔的直径来决定。 

对于某一特定的激光器，聚焦透镜将决定光斑大小。在冲击打孔中，光斑大小与要钻的孔的直径有关：对于较薄的材料（<0.5 毫米），光斑大小基本等于孔的直径；而随着金属厚度增加，冲击打孔可以钻的孔的直径范围逐渐缩小。此时，就轮到旋切打孔粉墨登场了。

在加工应用于航空器及陆地上（发电）的涡轮发动机组件中使用激光钻孔技术已有差不多45年的历史了。对汽车工程师、过滤设计师以及医疗设备制造商而言，激光钻孔已经成为其加工部件时不可或缺的重要技术。 

光纤激光钻孔的初期研究成果 

Yb光纤激光器是最常用于材料加工应用的一种光纤激光器。最初它们是作为连续波(CW)激光器而被开发出来的，后来虽然增加了脉冲功能，但是峰值功率仍与CW平均功率保持一致。这有利于切割和焊接应用，但是却限制了激光钻孔的效率。常用的Nd:YAG激光钻孔的峰值功率可达50 千瓦，而许多应用的脉冲峰值功率一般为20~35 千瓦。