環(huán)形復合脈沖激光打孔方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光打孔領域，尤其涉及一種環(huán)形復合脈沖激光打孔方法及裝置，特別是一種用于航空發(fā)動機構件的環(huán)形復合脈沖激光打孔的方法及裝置。
【背景技術】
[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)生脈寬較長的大能量長脈寬脈沖，脈寬一般不小于0.1毫秒，例如I毫秒;能量一般在I焦和300焦之間，例如10焦。長脈寬脈沖激光打孔產(chǎn)生較大的熔流，過程難以控制，會產(chǎn)生較厚的再鑄層與擴展到基體上的微裂紋。
[0004]另一類方法是采用激光諧振腔內(nèi)置有調(diào)Q開關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，遠小于I微秒，例如10納秒。短脈寬脈沖的另一個含義是僅僅與長脈寬脈沖相對而言。
[0005]通用電氣公司研發(fā)中心的陳湘立(Xiangli Chen)，使用1064納米波長的毫秒、納秒脈沖激光，對航空發(fā)動機氣膜孔打孔進行了對比研究(J.Laser Appl.8, 233 ,1996；J.Laser Appl.9，287，1997!Patent N0.US 6172331 BI，2001)。實驗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，脈寬300納秒重頻5千赫的調(diào)Q脈沖；以及脈寬260皮秒的脈沖間隔為12納秒的調(diào)Q/鎖模脈沖。高溫合金N5再鑄層厚度為10微米至130微米，“與長脈寬脈沖列相比并沒有明顯的優(yōu)點”；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]北京航空制造所的張曉兵研究了納秒脈沖列對高溫合金再鑄層的影響(100納秒至700納秒脈沖列YAG激光加工鎳基合金小孔，應用激光，25，90，2005)。使用脈寬250納秒單脈沖能量18毫焦、脈沖列中脈沖重頻30千赫、脈沖列重頻2赫茲的短脈沖列打孔。實驗發(fā)現(xiàn)對于2毫米厚的定向結晶鎳基合金DZ125試件，小孔為入口直徑250微米出口直徑40微米的錐形孔，比小孔入口直徑120微米的I毫米厚的試件，入口直徑增大I倍。小孔入口再鑄層較厚，而出口再鑄層較薄。這是由于納秒脈沖持續(xù)時間很短，孔壁能量的損耗，使得熔流還沒有完全噴出就凝結在出口附近。
[0007]伯爾尼大學的萬奧曼(M.von Allmen)指出，納秒脈沖激光打孔，“由于等離子體的橫向膨脹，從等離子體傳遞到靶體的能量分布在一個比光斑大得多的面積上”，即熔坑直徑遠遠大于光束聚焦的光斑直徑(Laser-Beam Interact1ns with Materials , Springer,p.181,1987)。
[0008]改善短脈寬脈沖打孔熔流的一個技術措施是提高脈沖重頻。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納秒重頻10千赫的雙脈沖打孔，可提高I倍的納秒或者皮秒脈沖的打孔效率，(J.Appl.Phys.98，033302，2005;PatentN0.US 6664498 B2，2003)。這實際上等價于重頻為14.3兆赫的脈沖列以10千赫的頻率打孔。但這種技術使用1.2毫焦的脈沖打孔，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。
[0009]亞琛工大的馮格(J.Finger)研究了高重頻皮秒脈沖打孔(Opt.Express 22，18790，2014)。使用脈寬10皮秒最高重頻10兆赫的激光器，在重頻超過2兆赫時燒蝕速率明顯加快，但是出現(xiàn)熔流。“加工質(zhì)量的降低，是由于明顯的再鑄層的形成”。這類技術的特點是，單脈沖能量非常小，抑制了等離子體的橫向膨脹導致的孔徑擴大，打出的小孔直徑很小。微焦級的高重頻打孔技術適用于環(huán)轉(zhuǎn)打孔，不能采用沖擊打孔方式在構件上打出所需直徑的小孔。
[0010]提高短脈寬脈沖的重頻，即提高能流密度以后，應考慮等離子體的擴張對孔壁的燒蝕效應以及由于能量擴散損失產(chǎn)生的再鑄層。高能流密度短脈寬脈沖打孔要解決的技術難題是，控制等離子體橫向膨脹產(chǎn)生的熔流。
[0011]為了兼顧使用長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)了同時使用長脈寬脈沖和短脈寬脈沖進行打孔的第三類復合脈沖激光打孔技術。
[0012]布法羅州立大學的萊涵(C.Lehane)使用復合脈沖進行打孔實驗(Appl.Phys.Α,73，45，2001)。該實驗使用能量2.5焦脈寬0.15毫秒的短脈寬脈沖相對于能量22.5焦脈寬3.5毫秒的長脈寬脈沖延遲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)大小和減少進入構件基體的微裂紋條數(shù)。
[0013]亞琛工大的魏澤(K.Walther)和布拉迪克(M.Brajdic)對復合脈沖打孔進行實驗研究(Int.J.Adv.Manuf.Tech.35，895，2008 ；Opt.Laser.Eng.46，648，2008)。該實驗使用頻率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，組成復合脈沖，對不銹鋼進行打孔實驗。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。這種技術沒有明顯地改善打孔質(zhì)量。
[0014]短脈寬脈沖產(chǎn)生的等離子體在擴展過程中會熔化孔壁，使得沖擊打孔獲得的小孔，其縱剖面的形狀像竹子節(jié)，對氣流的流動產(chǎn)生較大的阻力，不利于氣膜孔的冷卻。目前還沒有報道過對高重頻短脈沖打孔過程為主的能量的補償。因此兩種脈沖的疊加，還要考慮能量的空間分布的匹配。
[0015]綜上所述，大能量長脈寬脈沖激光打孔的主要問題是較大的再鑄層以及擴散到基體上的微裂紋。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；當脈寬小于10納秒，打孔效率變得極低。為提高短脈沖打孔速率，出現(xiàn)的高重頻打孔技術，不能解決因提高速率而導致的加工質(zhì)量下降問題。
[0016]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渣而造成的凹坑，再鑄層較厚，超過到70微米。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明實施例提供一種環(huán)形復合脈沖激光打孔方法及裝置，以提升激光打孔質(zhì)量并提尚打孔效率。
[0018]為了達到上述目的，本發(fā)明實施例提供了一種環(huán)形復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)生長脈寬脈沖，并調(diào)整所述長脈寬脈沖能量的空間分布，使所述長脈寬脈沖的光斑中心的能流密度小于光斑邊界附近能流密度，且使所述長脈寬脈沖在構件表面產(chǎn)生的熔坑直徑等于所述短脈沖列產(chǎn)生的熔坑直徑;調(diào)整所述長脈寬脈沖，使其能量的大小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，使其焦點相對于所述短脈寬脈沖焦點的距離為0.1毫米至4毫米;將所述短脈寬脈沖和長脈寬脈沖通過組束裝置進行組束，構成環(huán)形復合脈沖;將所述環(huán)形復合脈沖發(fā)射到構件上進行激光打孔。
[0019]進一步地，所述長脈寬脈沖為環(huán)形光斑，由諧振腔內(nèi)或腔外整形形成。
[0020]進一步地，所述長脈寬脈沖的M2光束傳播因子大于所述短脈寬脈沖列的M2光束傳播因子。
[0021]進一步地，所述長脈寬脈沖的M2光束傳播因子等于或大于4倍的短脈寬脈沖的M2光束傳播因子。
[0022]進一步地，所述長脈寬脈沖的光斑中心的能流密度比光斑邊界附近能流密度小I倍以上。
[0023]進一步地，所述長脈寬脈沖的焦點位置比所述短脈寬脈沖列的焦點位置高0.1毫米至4