CN110226115B - 一种用于激光处理覆盖部件内表面的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光处理前缘型覆盖部件的内表面的光学装置，该装置包括：‑准直器(3)，其用于经由光纤(11)连接到激光源(9)，以产生具有准直和扁平空间脉冲轮廓的激光束(13a)，‑柱面透镜(5)，其配置成沿着横向于所述激光束传播的空间线聚焦所述激光束(13a)，从而形成线激光束(13b)，‑光学反射元件(7)，其配置成能够被引入所述覆盖部件(15)的内部并以几乎垂直于至少一个内表面的入射方向将所述线激光束(13b)均匀地反射到所述覆盖部件(15)的至少一个内表面(17a，17b)上。

Description

一种用于激光处理覆盖部件内表面的光学装置

技术领域

本发明涉及激光处理覆盖部件的内表面的领域，更具体地，涉及飞行器发动机叶片的前缘型部件的处理。

背景技术

飞行器发动机的叶片必须抵抗高机械应力，同时满足严格的重量和体积要求。因此，为了减轻叶片的重量，复合材料的使用频率越来越高。然而，风扇叶片FAN还必须抵抗异物的冲击。因此设想使用金属加强部件(也称为前缘)来巩固叶片的前缘。

因此，每个风扇叶片由3D编织复合材料部件制成，其上结合有由金属(例如钛合金)制成的前缘。所使用的结合在某种意义上是结构性的，即它用于组件的机械强度，同时确保使用中的承载。实际上，结合必须经受异物的可能影响。为了产生这种类型的结合，前缘必须首先进行特定于结合的表面清洁或处理。这些准备工作目前通过将前缘浸入不同的化学溶液中的含水装置进行。然而，这种方法耗时，成本高并且需要非常严格地遵守化学污染控制标准。

而且，应该注意的是，这种类型的金属部件不能用激光处理。实际上，为了使激光处理有效，必须根据准法向入射的方向将激光束引导到待处理的表面上。然而，前缘具有凹形，深且窄的形状，其不允许激光表面处理。例如，前缘的深度为几厘米或甚至约十厘米，开口仅为几毫米。因此，前缘的内表面不能被来自外部的激光束根据垂直于所述表面的方向作为目标。

因此，本发明旨在提出克服上述缺点的光学装置，其允许精确、快速和无污染的激光处理。

发明内容

本发明涉及一种用于激光处理前缘型覆盖部件内表面的光学装置，包括：

-准直器，其用于通过光纤连接到激光源，以产生具有准直和扁平空间脉冲轮廓的激光束，

-柱面透镜，其配置成沿着横向于所述激光束传播的空间线聚焦所述激光束，从而形成线激光束，

-光学反射元件，其配置成能够插入所述覆盖部件，并且根据至少一个内表面的局部准法向入射的方向将所述线激光束均匀地反射到所述覆盖部件的所述至少一个内表面上。

因此，该装置使得可以产生用于处理部件的内表面的最佳能量，该部件的内表面可以具有复杂、窄而且深的几何构造，其具有来自覆盖部件外部的激光束不能直接到达的内表面，尤其不能以接近法向入射到达。有利地，光学元件具有二面体，所述二面体带有至少一个倾斜表面，该倾斜表面配备有阶梯式镜子组件，每个镜子被配置成根据所述至少一个内表面的准法线方向反射所述线激光束的一部分。

在倾斜表面上的阶梯式镜子组件的这种配置使得可以使光学反射元件的体积最小化，从而使其能够容易地插入深而且窄的覆盖部件中。这不能用单个倾斜的镜子进行，该镜子非常大；也不能用受控的镜子进行，受控的镜子对于到达覆盖部件的底部而言将非常厚。另外，不同的镜子可以具有适合于覆盖部件的内部形状的可变倾斜度，从而使得可以局部地适应激光束的聚焦，使得其以准法向入射被引导到覆盖部件的内表面的每个区域上。

有利地，二面体具有两个倾斜表面，每个倾斜表面配备有阶梯式镜子组件。

这使得可以将激光束同时均匀地反射到覆盖部件的两个内表面上。

对于具有预定深度和预定开口的覆盖部件，光学元件有利地具有大约等于所述覆盖部件的预定深度的长度和低于所述部件的预定开口的最大高度。

因此，激光束可以在其整个深度上到达覆盖部件的内表面。

有利地，根据第一实施方式，阶梯式镜子是具有相对于二面体的相应倾斜表面倾斜的平坦表面的镜子。因此，镜子结合了倾斜表面的倾斜度和它们自己的倾斜度，大大减小了光学元件的体积。

根据第二实施方式，镜子根据恒定或可变的倾斜度布置在光学元件的相应倾斜表面上，并且具有选自以下表面的相同或不同的表面：平面、凹面和凸面。

这使得可以根据覆盖部件的形状优化激光束在内表面上的入射。

有利地，光学装置包括框架，该框架配置成支撑光学反射元件、准直器和柱面透镜。

因此，可以便于光学装置和覆盖部件之间的相对移动。

有利地，框架包括球，使得可以进一步促进光学装置和覆盖部件之间的相对移动性。

本发明还涉及一种用于激光处理前缘型覆盖部件的内表面的系统，包括根据上述任何一个特征的光学装置，以及连接所述光学装置到激光源的激光源和光纤。

有利地，该系统还包括气流发生器，该气流发生器用于在由光学装置处理内表面期间在覆盖部件内产生气流。

这可以防止表面处理产生的蒸汽沉降在光学装置上。

附图说明

阅读本发明的优选实施方式，并参考附图，本发明的其他特征和优点将显现出来，其中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的用于激光处理前缘型覆盖部件的内表面的光学装置；

图2A示意性地示出了根据本发明第一优选实施方式的光学反射元件；

图2B示意性地示出了根据本发明第二优选实施方式的光学反射元件；

图3A和3B示意性地示出了根据本发明优选实施方式的包括框架的光学装置；和

图4示意性地示出了根据本发明优选实施方式的用于激光处理前缘型覆盖部件的内表面的系统。

具体实施方式

根据本发明，图1示意性地示出了根据本发明实施方式的用于激光处理前缘型覆盖部件的内表面的光学装置。

光学装置1包括远焦集光器(collector)或准直器3、柱面透镜5和光学反射元件。该装置1用于连接激光能量源9，例如100瓦的量级。

实际上，准直器3适于经由光纤11连接到激光源9，以便产生具有准直和扁平(flat)空间脉冲轮廓的激光束13a。更具体地，准直器3和/或光纤11被配置为在激光束上施加扁平的空间轮廓，从而允许光束能量的均匀空间分布。另外，准直器3适合于在空间上扩展激光束的光斑。

在准直器3的输出处，柱面透镜5被配置为沿着横向于激光束传播的空间线聚焦准直激光束13a。该聚焦形成其“斑点”呈“虚线”(或“线”)的形式的激光束13b。因此，在下面，柱面透镜5的输出处的光束称为“线激光束”13b。

光学反射元件7在尺寸上配置成能够插入到所述覆盖部件15中。

特别地，前缘型覆盖部件15包括第一边缘15a和第二边缘15b，第一边缘15a和第二边缘15b通过长度为几厘米的纵向边缘15c连接。因此，前缘15限定了分别由第一和第二边缘15a和15b的内表面17a和17b形成的腔17。腔17的深度为几厘米或甚至约十厘米，而两个边缘15a、15b的内表面17a、17b之间的开口或最小间隙仅约为几毫米。因此，光学反射元件7配置成具有比前缘15的预定深度浅的长度“L”和比两个边缘15a、15b的内表面17a、17b之间的最小预定间隙小的最大厚度或高度“e”。因此，在上述示例中，光学反射元件7具有小于约十厘米的长度L和小于几毫米的最大高度e。

另外，光学反射元件7被配置成根据准直角偏转线激光束13b的方向。更具体地，光学反射元件7被配置成使得线激光束13b根据准法向的入射方向均匀地反射到覆盖部件15的至少一个内表面17a上。术语“准法线”是指激光束与表面法线之间的角度接近于零，其可以是例如15°左右。

有利地，光学反射元件7具有二面体71，该二面体71具有至少一个倾斜表面71a，该倾斜表面71a配备有阶梯式镜子组件73，该阶梯式镜子组件73很小，使得可以使光学反射元件7的体积最小化。

另外，光学反射元件7的长度L有利地近似等于覆盖部件15的预定深度，因此使得线激光束13b能够在其整个深度上喷射覆盖部件15的整个内表面。

图2A示意性地示出了根据本发明第一实施方式的光学反射元件。

根据该第一实施方式，光学反射元件7具有二面体71，该二面体71具有单个倾斜表面71a，该单个倾斜表面71a配备有阶梯式镜子组件73。每个镜子73被配置成根据准直角反射线激光束13b的一部分。因此，每个小镜子73适合于根据与覆盖部件15的内表面17a准法向的方向反射相应线激光束13b的一部分。

阶梯式镜子73例如是相对于二面体71的倾斜表面71a倾斜的平面镜。因此它们结合了倾斜表面的倾斜度和它们自己的倾斜度。

应当注意的是，光学反射元件7旨在插入覆盖部件15中，使得其倾斜表面与覆盖部件15的内表面17a相对地布置，并且其与二面角相对的侧面17c布置在腔17的底部。因此，每个镜子73接收相应线激光束13b的切片。

例如，对于深度为4cm且两个内表面17a、17b之间的间隙大于4mm的覆盖部件15，它适合使用最大厚度e为4mm的光学反射元件7。更具体地，光学反射元件7可以包括具有大约3°的二面角的二面体71，具有4cm的长度L的基部71b和具有大约2mm的高度e1的相对于二面角的侧部71c。另外，每个镜子73可以相对于倾斜表面71a具有2mm的最大高度e2，使得光学反射元件7的最大高度e等于4mm(e＝e1+e2)。另外，每个镜子73可以相对于二面体71的基部71b具有大约45°的倾斜度，其相对于倾斜表面71a形成大约42°的角度。在这种情况下，二面体71的倾斜表面71a将被大约二十个小倾斜镜子73覆盖。

有利地，由线激光束13b形成的线的高度h与光学反射元件7的最大高度e拟相等。因此，每个镜子73从线激光束13b接收几乎相同比例的光强度，允许激光均匀扩散并均匀分布在待处理的内表面17a、17b上。

根据图2A的示例，镜子73具有相同尺寸的相同平坦表面，并且根据恒定的倾斜角度布置在二面体71的倾斜表面71a上。

应该注意的是，可以设想其他配置。实际上，镜子73可以具有不同的表面和不同的取向，使得由镜子73反射的激光束13b在局部尽可能垂直于覆盖部件15的内表面17a、17b，其可以具有特别的形状。类似地，镜子73不一定是平面的，并且可以是会聚或发散镜，其限定了适合于根据部件15局部形状对部件15进行最佳处理的结构。

因此，镜子73可以根据覆盖部件15的内部形状根据可变倾斜度布置在二面体71的倾斜表面71a上，并且可以具有选自以下表面的相同或不同的表面：平面、凹面和凸面。

一旦覆盖部件15的第一内表面17a已经被光学装置1处理，光学反射元件的倾斜面可以与覆盖部件15的另一个内表面17b相对放置，以便对其进行处理。或者，覆盖部件15本身可以沿相反方向定位，以便处理其第二表面17b。应当注意的是，腔17的底部17c可以直接由来自外部的激光束处理，而不使用光学反射元件7。

图2B示意性地示出了根据本发明第二实施方式的光学反射元件。

根据该第二实施方式，二面体171具有两个倾斜表面171a和171b，每个倾斜表面171a和171b配备有阶梯式镜子组件73。

镜子73的形状和倾斜度可以类似于图2A的示例的形状和倾斜度。因此，每个阶梯式镜子组件可包括镜子73，该镜子73具有相对于二面体171的相应倾斜表面171a、171b倾斜的平坦表面。

或者，镜子73可以具有相同或不同的表面，该表面具有平面、凹面和凸面的形状，并且可以根据恒定或可变的倾斜度布置在二面体171的倾斜表面171a、171b上。

应当注意的是，根据第二实施方式，线激光束13b的光强度同时从光学反射元件7的两个倾斜表面反射。这使得可以处理单个通道中覆盖部件15的内部表面17a和17b，从而提高了处理速度。然而，激光束的能量必须加倍，以便具有与图2A的第一实施方式相同的处理效果。

图3A和3B示意性地示出了根据本发明优选实施方式的包括框架的光学装置。图3A是正视图，而图3B是光学装置的侧视图。

实际上，光学装置1包括框架23，例如，呈U形的形式，其被配置用于组装和支撑准直器3、柱面透镜5以及根据任何一个图2A和2B的实施方式的光学反射元件7。

有利地，框架23包括球25，球25使得可以将装置1滚动到前缘型部件15的凹槽的底部17c。实际上，前缘15的底部限定了引导便于光学装置1的球25在凹槽的轴线27的方向上的滚动，以便在其整个宽度上处理内表面17a、17b。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施方式的用于激光处理前缘型覆盖部件的内表面的系统。

处理系统包括激光源9和光纤11，光纤11将激光源9连接到根据任一个上述实施方式的光学装置1。

有利地，处理系统还包括气流发生器31，该气流发生器31用于在由光学装置1处理内表面17a、17b期间在覆盖部件15内产生气流33。

实际上，在处理内表面17a、17b期间，激光材料相互作用可以引起蒸汽的喷射，空气流33阻止蒸汽沉降到光学装置1的各种元件上。

有利地，发生器31配置成产生层流气流33，其流动取决于产生的蒸汽量和激光材料相互作用区域与光学反射元件7之间的距离，从而使保护光学装置1免受可能的恶化成为可能。

Claims (9)

1.一种适用于激光处理飞行器发动机叶片的前缘型覆盖部件（15）的内表面的光学装置，该光学装置包括：

- 准直器（3），其用于经由光纤（11）连接到激光源（9），以产生具有准直和扁平空间脉冲轮廓的激光束（13a），

- 柱面透镜（5），其配置成沿着横向于所述激光束传播的空间线聚焦所述激光束（13a），从而形成线激光束（13b），

- 光学反射元件（7），其配置成能够插入所述覆盖部件（15）并将所述线激光束（13b）均匀地反射到所述覆盖部件（15）的至少一个内表面（17a，17b）上，光学反射元件（7）具有二面体，所述二面体具有至少一个倾斜表面，所述倾斜表面配备有阶梯式镜子组件，每个镜子被配置成根据与所述至少一个内表面（17a，17b）的准法向的方向反射所述线激光束（13b）的一部分, 由线激光束（ 13b） 形成的线的高度h与光学反射元件（ 7） 的最大高度e拟相等。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，二面体具有两个倾斜表面，每个倾斜表面配备有阶梯式镜子组件。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述覆盖部件（15）具有预定深度和预定开口，并且其中光学反射元件（7）具有小于十厘米的长度并且最大高度小于几毫米。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，阶梯式镜子是具有相对于二面体的相应倾斜表面倾斜的平坦表面的镜子。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，镜子根据恒定或可变的倾斜度布置在光学反射元件（7）的相应倾斜表面上，并且具有选自以下表面的相同或不同的表面：平面、凹面和凸面。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括框架（23），所述框架（23）配置成支撑光学反射元件（7）、准直器（3）和柱面透镜（5）。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，框架包括球（25）。

8.一种用于激光处理前缘型覆盖部件的内表面的系统，该系统包括根据前述权利要求中任一项所述的光学装置（1），其特征在于，它还包括激光源（9）和光纤（11），所述光纤（11）将所述光学装置连接到激光源。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括气流发生器（31），所述气流发生器（31）用于在由光学装置（1）处理覆盖部件（15）的内表面（17a，17b）期间在覆盖部件（15）内产生气流。

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