CN104470671B - 用于生产成形孔洞的激光钻孔方法和钻孔组件 - Google Patents

Abstract

一种用于在工件中产生成形孔洞的激光钻孔系统和工艺包括：大功率光纤激光器组件，包括具有非圆形芯区的无源光纤并且配置为发射各自均具有高斯电磁分布的多个光脉冲。每一个脉冲均按照这样的波长、重复频率和脉冲持续时间来发射：当光束穿透工件时，高斯光束的近场区域形成成形孔洞的扩散体部分，而光束的远场部分形成计量孔洞部分。扩散体部分在入射表面和高斯光束的束腰之间延伸，并且在入射表面上具有节流孔，所述节流孔具有实质上重复芯区的非圆形形状的轮廓。可以在约5毫秒和15毫秒之间变化的范围内的一个脉冲发射中、以最高至每秒100个孔洞的高重复频率产生形成孔洞。

Description

用于生产成形孔洞的激光钻孔方法和钻孔组件

技术领域

本公开涉及在工件中批量生产成形孔洞的工艺和系统，更具体地，涉及通过金属部件的光纤激光加工来形成成形冷却孔洞的改进方法。

背景技术

具有成形孔洞的冷却部件的适当设计在适当实施时导致了更加有效和节约成本的翼面、涡轮发动机等部件。对于激光处理特别感兴趣的原因在于激光处理相对于竞争方法的速度以及在具有热障涂层(TBC)的部件中成形孔洞的能力。因此，成形冷却孔洞的钻孔已经成为制造现代喷气发动机等部件时的标准操作。

成形孔洞配置有扩散体(diffuser)和计量(metering)部分。扩散体(孔洞沿气体介质路径的下游部分)是包含“形状”的非圆形部分。扩散体配置为将空气膜散布或扩散到部件表面上。计量部分是指孔洞的柱状输入部分。主要有两种方法用于生产成形孔洞：冲击工艺和环钻激光钻孔工艺。

冲击方法利用聚焦为直径大约等于所要求孔洞直径的激光束。将激光聚焦到固定材料的表面上，并且在材料处用一系列激光脉冲烧蚀，每一激光脉冲通过熔融排出来去除材料，直到产生穿透材料的均匀配置孔洞。初始阶段之后接着是放电加工(EDM)以产生扩散体形状。尽管精确产生所需形状，这一工艺是耗时并且因此高成本的。

环钻钻孔利用聚焦为直径小于所要求孔洞直径的激光束来实现。首先以小导向孔穿透材料，通常是在所要求的孔洞直径的中心处。然后向激光束或者部件施加圆形轨道运动以将孔洞切割为所要求的直径，然后用相同或不同的激光钻出扩散体部分。可以非常迅速地钻出计量孔洞，而产生扩散体形状可能花费30秒或更多。同冲击钻孔一样，该方法是耗时的，当在如飞机涡轮、燃烧室、翼面等部件的表面中设置成千上万的冷却孔洞时这是特别不想要的。

因此，需要一种改进的节约成本的成形孔洞的激光钻孔方法。

还需要一种通过单一的光纤激光器以非常迅速的方式批量生产成成形孔洞的激光钻孔方法。

还需要一种在激光钻孔之前或期间动态地控制焦平面的位置以及扩散体和计量部分的尺寸的激光钻孔方法。

还需要一种配置为利用所公开方法的系统。

发明内容

这种需求通过利用大功率脉冲或准脉冲光纤激光器来实现，光纤激光器具有来自于光纤激光器的馈送光纤或适当无源传输光纤，具有非圆形芯区，发射具有高斯电磁分布的单模辐射。通过利用非圆形芯区并且获得芯区在部件表面上的图像，以一个或多个脉冲产生扩散体形状。当光束传播通过工件时，束腰的位置与光束引导光学系统的焦平面相对应，非圆形横截面逐渐地转换为圆形横截面，以便形成具有所需均匀直径的计量部分。

根据上述公开方法的一个方面，在单一的钻孔操作中，即利用单一激光脉冲，制作整个孔洞。备选地，一系列的短脉冲完成这一任务。诸如镱(“Yb”)激光器之类的大功率光纤激光器操作为从约1毫秒到约15毫秒钻出孔洞。

在另一个方面，所公开的方法提供了控制焦距和待激光处理的工件的表面上的光斑尺寸，所述焦距进而限定了扩散体和计量部分各自的长度。这一方面的实现包括：沿公共光轴位移准直部件，导致焦距和光斑尺寸的简单调节。当然，备选地，传输光纤可以替换为具有所需的芯区横截面，并且选择聚焦透镜以获得所需的焦距。

根据本公开的另一发展，设备配置为以高效的方式执行所公开的方法。包括具有大功率Yb光纤激光器的五轴或六轴系统，该设备操作为产生多个孔洞，每一个孔洞均在约1毫秒至15毫秒范围内形成，优选地而非排他地，通过单一脉冲形成。

所公开设备的一个方面涉及通过旋转光纤的矩形芯区而产生的平行四边形束斑的形成。在矩形束斑转换为平行四边形形状时，旋转通过操作为绕光纤纵轴旋转光纤的装置来完成。

在另一个方面，所公开的设备操作为同时控制待激光处理的工件表面上的束斑和光束的焦距。调节焦距，可以容易地控制均匀横截面的计量孔洞部分的长度和直径。与计量部分一起，也控制限定表面上的扩散体开口尺寸的束斑。

附图说明

根据以下结合附图对本公开的具体描述，以上和其他方面、特征和优点将变得更加清楚明白，其中：

图1示出了所公开设备的示意图。

图1A是根据本公开使用的光纤的可能结构之一的放大端面视图。

图2示出了根据所公开的方法和设备来钻孔的成形孔洞的侧视图。

图3A-3C分别示出了高斯光束分布、待激光处理的工件表面上的束斑和高斯光束的3D分布的计算机生成图。

图4A-4C分别示出了2D高斯光束分布、待激光处理的工件内束腰位置上的束斑和束腰位置之后的高斯光束的3D分布的计算机生成图。

图5示出了根据所所公开的方法和设备产生的光束入射表面上的各非圆形扩散体的顶视图。

图6示出了根据所公开的方法和设备产生的光束出射表面上的各圆形计量孔洞的底视图。

图7是根据所公开的方法和设备产生的成形孔洞的等距视图。

图8A-8B示出了通过所公开的设备和方法产生的多个孔洞图案的示例。

具体实施方式

本公开的以下具体描述本质上是示例性的，并非意欲限制所公开主题或者所公开主题的应用和使用。

参考图1，钻孔组件10包括产生输出信号光的大功率光纤激光器系统12，其中输出信号光耦合至无源光纤14中，无源光纤14沿向着准直器16的路径引导信号光。将准直的光束进一步引导分别通过间隔开的反射镜18、20和22，以入射到聚焦透镜24上。聚焦透镜24使光束以相对于工件26的入射表面28所在的平面一定的角度，入射到该表面28上，其中焦点F位于工件体内。

激光器系统12可以具有多种配置，包括例如具有一个或多个放大级(典型地彼此串联耦合，但是有时彼此并联耦合)的主振荡器/功率放大器(“MOPA”)。典型地，系统12配置为以一定频率(即，最高至约100Hz的脉冲重复频率)在kW-MW峰值功率范围内发射单模(“SM”)信号光的脉冲系统。备选地，系统12可以配置为准脉冲系统。

参考图1A，无源光纤14具有非圆形芯区30，只是作为示例示出，非圆形芯区30具有矩形横截面，但是可以具有任意其他规则或非规则多边形形状，例如包括梯形形状、椭圆形状等。芯区30构造为引导具有高斯分布电磁场的单模(“SM”)激光束。已经知道，矩形形状束斑，即芯区在图1的工件26的入射表面28上的平坦顶部图像，中的能量分布比圆形光束的更加均匀。激光束可以任意所需波长传播，例如约1060nm，并且特征在于所需的脉冲持续时间、强度和重复频率，以从约1毫秒至约15毫秒产生单一斜孔(effusionhole)。

图2A和2B分别示出了斜冷却孔洞32的所需非圆形形状的顶视图和侧视图。孔洞32在工件26的相对的入射表面28和出射表面34之间延伸，并且包括扩散体部分36和计量部分38，其中计量部分是出射表面34中的冷却介质入口，但是沿光路限定了孔洞的下游部分。表面28经受通过例如涡轮的热气体，并且需要通过进入计量部分38的冷却介质来冷却。计量部分38的横截面是实质上均匀的圆形，并且限定了冷却介质沿成形孔洞32流动的速率。孔洞32的对称轴和表面34之间的角度42小于90°，并且优选地在10°至80°的范围内，以便将冷却介质的流40按照使所述流保持尽可能靠近入射表面28的方式朝着光入射表面28引导。换句话说，在扩散体部分36的节流孔(orifice)处流的速度矢量越接近表面28，所述流与表面28的平面越平行。

为了引导流40尽可能靠近光入射表面28，扩散体36在冷却介质离开孔洞32时所穿过的节流孔44周围张开。沿冷却介质40的流动方向，在节流孔之前，扩散体部分36具有相对于入射表面28以小于角度42的角度48倾斜的表面46。

图3A-3C示出了扩散体部分36的形成。从非圆形芯区发射的高斯光束当入射到表面上时不一定是非圆形的。实际上，只有包括线条52并且终止于束腰54的相对较小部分50形成了所需的非圆形形状。有条件地，这一区域还称作光束的近场，并且包括束腰54。所公开系统的光学系统配置为使得与非圆形束斑相对应的线条52形成于入射表面28的平面中，以便形成不但具有所需的非圆形束斑、而且非圆形束斑具有所需尺寸的节流孔44(图3B)。图3C示出了入射表面28上的平坦顶部高斯光束。

图4A-4C示出了从束腰54到线条56的远场下游中的光束行为。因此，孔洞32的特征在于圆形横截面58，圆形横截面58与光束在远场中的横截面相对应。束腰54和表面34(图2B)之间的距离限定了成形孔洞32的计量部分38的所需长度和直径。

回到图1，甚至经常要求在相同的表面上产生不同尺寸的成形孔洞。这可以通过独立地控制表面28上的散射体横截面具有适当选择的芯区尺寸以及通过配置透镜24以在相距入射表面28的所需距离处形成焦点F来独立地控制焦点F来实现。

备选地，系统20可以配置有光学系统，所述光学系统可操作为同时控制非圆形束斑尺寸和焦点F。如图所示，包括彼此可位移地固定的两个透镜在内的透镜组件60相对于准直器16沿着沿双箭头62的光路可移动。当组件60接近透镜16时，因为焦点F位置更靠近工件26的表面28，光束的直径并且因此束斑变小。反转组件60的位移在形成更加远离光入射表面28的焦点的同时增加了束斑。组件60的位移通过致动器64实现，致动器64响应于来自中央处理单元的控制信号而操作，中央处理单元在图中未示出，但是对于电子领域的普通技术人员是众所周知的。

在本公开的另一发展中，钻孔组件10配置为无需替换具有矩形芯区30的光纤14就可以更改表面28上束斑的形状。具体地，如果需要，将光纤30绕其纵轴旋转将矩形束斑转换为平行四边形束斑，反之亦然。

以下是在图2的组件10的多种测试中使用的示例性参数。

参数示例#1-单一脉冲钻孔

峰值功率-15000W

脉冲持续时间-15毫秒

脉冲数目-每个孔洞一个脉冲

角度-与表面成25°

辅助气体-空气75psi

喷嘴偏距–30mm

脉冲重复频率–45Hz

参数示例#2-多脉冲钻孔

峰值功率-10000W

脉冲持续时间-1毫秒

脉冲重复频率-25Hz

脉冲数目-每个孔洞10个脉冲

角度与表面成25°

辅助气体-空气75psi

喷嘴偏距–30mm

可以从以上公开的示例看出，可以通过每个孔洞单一脉冲或多个脉冲来产生斜孔。然而，产生孔洞的速率不会超过每个孔洞15毫秒，并且可以短至1毫秒并且甚至更短。实验示出了可以有效地产生每分钟100个孔洞。

图5、6和7分别示出了扩散体部分36的非圆形节流孔、在工件的出射表面中开口的计量部分38和成形孔洞32的等距视图。可以看出，尽管扩散体36的形状不是严格的矩形，但明显是满足大多数工业要求的实质性矩形。计量部分38的形状是完全令人满意的，并且可以看出是实质性圆形的。

参考图8A和8B，使用图1的组件10，可以产生多种孔洞图案。例如，通过使工件和激光头相对于彼此线性位移，可以获得多种非圆形图案，如图8A所示。优选地，将工件26相对于激光头旋转可以产生图8B的圆形图案。如上所述，如果需要，在相同的图案内孔洞32的尺寸可以彼此之间变化。

已经参考附图描述了本发明的至少一个优选实施例，应该理解的是本发明不局限于这些具体实施例。因此，在不脱离如上所述的本发明的范围或精神的情况下，本领域普通技术人员可以对此进行各种改变、改进和适配，包括不同图案、孔洞尺寸、激光束参数等。

Claims (20)

1.一种在工件中产生成形孔洞的激光钻孔方法，包括：

从非圆形光纤芯区发射脉冲的序列，每一个脉冲具有高斯形状；

将每一个脉冲聚焦到工件上，并持续1毫秒至15毫秒的时间，以便在工件的入射表面上形成所需的非圆形束斑，并且束腰在工件内相距该表面的预定距离的下游处，从而形成成形孔洞的渐缩扩散体部分和成形孔洞的计量部分，所述渐缩扩散体部分具有非圆形横截面、并且以预定的距离延伸到工件中，所述计量部分以实质上均匀的直径开口到出射表面中。

2.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，其中在单一脉冲钻孔操作中形成成形孔洞。

3.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，其中在多个脉冲钻孔操作中形成成形孔洞。

4.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，还包括独立地控制所需的束斑尺寸以及与光束引导光学系统的焦点相对应的束腰的位置。

5.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，还包括同时控制入射表面上的所需束斑尺寸和光束引导光学系统的相距入射表面预定距离的焦平面。

6.根据权利要求5所述的激光钻孔方法，其中同时控制束斑尺寸和焦距包括更改芯区下游的光束的尺寸。

7.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，还包括将工件和光纤芯区相对于彼此位移，从而在工件中提供所需图案的多个成形孔洞。

8.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，还包括：旋转非圆形光纤芯区以将成形孔洞的非圆形横截面转换为两个不同的非圆形横截面，其中一个非圆形横截面是矩形，另一个非圆形横截面是平行四边形。

9.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，其中每一个脉冲以达到MW的峰值功率、最高至100Hz的重复频率和在1毫秒和15毫秒之间变化的脉冲持续时间范围进行发射。

10.根据权利要求1所述的激光钻孔方法，其中非圆形光纤芯区被配置成从矩形、椭圆和多边形横截面中选择的横截面。

11.一种用于在工件中产生成形孔洞的激光钻孔组件，包括：

光纤，具有沿路径发射多个光束脉冲的非圆形芯区，每一个光束均具有实质上高斯光束形状；以及

光学系统，位于光纤的下游，并且配置为将光束脉冲朝着工件引导，使得当每一个脉冲传播通过工件时，高斯形状的近场形成渐缩扩散体部分，所述渐缩扩散体部分在工件的入射表面上具有芯区的非圆形图像、并且终止于系统的焦平面中，而高斯光束形状的远场部分在焦平面以及与焦点间隔开的下游的出射表面之间形成成形孔洞的实质上圆形计量部分，其中在从1毫秒至15毫秒变化的范围内产生成形孔洞。

12.根据权利要求11所述的激光钻孔组件，还包括产生光束脉冲的光纤激光器系统，每一个光束脉冲具有范围在1毫秒和15毫秒之间的脉冲持续时间、最高至100Hz的重复频率和以1060nm为中心的波长。

13.根据权利要求11所述的激光钻孔组件，其中每一个脉冲具有在kW级别至MW级别之间变化的峰值功率范围。

14.根据权利要求11所述的激光钻孔组件，其中芯区和光学系统配置为在入射表面上提供所需尺寸的图像，以及提供所需位置的焦平面，焦平面限定了成形孔洞的扩散体部分和计量部分的长度。

15.根据权利要求11所述的激光钻孔组件，其中光学系统包括聚焦透镜，所述聚焦透镜配置为具有位于入射表面和出射表面之间的所需距离处的焦平面，每一个光束的高斯形状的束腰的位置位于焦平面中。

16.根据权利要求11所述的激光钻孔组件，其中光学系统包括位于芯区下游的准直器以及在准直器和工件之间的一系列间隔开的反射镜。

17.根据权利要求11所述的钻孔组件，其中光学系统包括在芯区和工件之间的准直器系统，所述准直器系统包括彼此可位移地固定的两个上游透镜和在所述两个上游透镜下游的准直透镜，所述两个上游透镜和准直透镜可相对于彼此可控地位移，以将非圆形图像调节为所需尺寸并且将焦平面调节在入射表面和出射表面之间的所需距离处。

18.根据权利要求17所述的钻孔组件，还包括：致动器，可操作地耦合至所述两个上游透镜；以及控制器，配置有软件，操作为确定图像的所需尺寸和焦平面的位置，并且向致动器输出信号，所述致动器配置为将所述两个上游透镜相对于彼此按照与图像的所需尺寸和焦平面的位置相对应的所需距离来位移。

19.根据权利要求11所述的钻孔组件，还包括致动器，可操作地与光纤相连，并且配置为旋转光纤以便将芯区的图像在矩形横截面和平行四边形横截面之间转换。

20.根据权利要求11所述的钻孔组件，其中从包括以下项的组中选择芯区的横截面：规则的多边形横截面、不规则的多边形横截面和椭圆横截面。