CN115682979A - 一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，包括光耦合器，所述光耦合器的光耦合器端口一连接有相干光源，所述光耦合器的光耦合器端口二连接有参考光路，所述光耦合器的光耦合器端口三连接有取样光路，所述光耦合器的光耦合器端口四连接有探测光路。本申请通过采用将加工激光与诊断激光合束的方式，把飞秒激光制孔过程中的不断变化的孔深纳入为取样光路的一部分，再采用反射方式实现光程不变的参考光与光程变化的取样光的谱域干涉，最后通过反演变化的干涉条纹获得孔深数据，实现飞秒激光打孔时孔深参数在线实时测量，用以供操作人员参考或者为加工激光提供控制信号。
Description
技术领域
本发明涉及发动机叶片制孔的技术领域，具体来说，涉及一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统。
背景技术
现代飞机技术指标的不断提高，对航空发动机性能提出了极为苛刻的要求，为提高发动机效率和推重比，往往采用升高燃烧室温度的方法，这导致发动机叶片的工作温度不断升高。在航空发动机涡轮工作叶片、导向叶片、燃烧室等部件上加工气膜冷却孔，降低此类热端部件表面温度，是升高涡轮前温度、提高发动机推重比的有效途径。涡轮叶片气膜冷却孔孔径一般更小，通常在0.3～0.5mm之间，根据热流特性与冷却要求，气膜孔在叶身型面分布区域及空间角度设计更复杂，而且不同区域孔的深度也不一致，因此孔的加工难度，即加工精度、表面质量及其一致性等的控制难度大得多。飞秒激光加工小孔技术被认为是一种冷加工技术，可以有效的减少重铸层、空口倒刺、微裂纹、热形变等不利现象，在提高加工效率的同时，提高小孔质量。
发动机的涡轮叶片通常具有双层结构，内部中空，使用激光在其中一层制孔时，当孔打穿瞬间，如果不能及时关闭加工激光，则激光将穿过通孔，打在叶片内部对面层的内表面上，造成损伤，称为“背伤”，严重降低叶片性能和成品率。目前解决背伤的常用办法是在叶片内部填充“填充物”，然而，此方法增加了叶片加工工序，且填充物难以清理。解决背伤问题的最有效办法是发明一种在线的、实时的孔深诊断系统，用以指导制孔操作人员，或者反馈控制加工激光器。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，能够解决上述问题。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统包括相干光源、光耦合器、参考光路、取样光路、探测光路等部分，该系统安装在飞秒激光制孔加工机床上，用以在激光制孔过程中对孔的深度进行在线的实时测量，实时测量的孔深数据在机床的显示器上显示，供机床操作人员参考，也可以用于给加工激光器提供触发信号，当孔深达到预设深度时，立即反馈并关闭激光器，防止在发动机叶片上产生“背伤”。
进一步的，所述光耦合器采用2×2光纤耦合器，四个端口均采用光纤连接，其中，光耦合器端口一连接相干光源中的光隔离器的输出端，为该光耦合器的诊断相干光输入端；光耦合器端口二连接参考光路的输入端，该端口既是光耦合器上参考光路诊断相干光的输出端口，也是参考光路上经过反射返回的诊断相干光的输入端口；光耦合器端口三连接取样光路的输入端，该端口既是光耦合器上取样光路诊断相干光的输出端口，也是取样光路上经过反射返回的诊断相干光的输入端口；光耦合器端口四连接探测光路的输入端，该端口向探测光路输出分别从参考光路和取样光路反射回来的诊断相干光，光耦合器的分光比50∶50至1∶99可更换，当加工表面材料反光率高且加工平整面处的气膜孔时，分光比设计为50∶50(则50％的诊断光通过光耦合器端口二进入参考光路，另50％的诊断光通过光耦合器端口三进入取样光路，当进入参考光路的光几乎全部返回、进入取样光路的光部分返回光耦合器时，此两束反射光将在光耦合器处发生干涉现象)，当被制孔叶片材料反射率过低时，可改用10∶90或者1∶99的分光比。
进一步的，本申请的诊断为谱域的相干成像诊断，宽谱诊断光由相干光源提供，由光栅实现谱分辨，所述参考光路、所述取样光路、所述探测光路中传播的的均为相干光，相干光在所述准直透镜一、所述准直透镜二、所述准直透镜三之前均采用光纤传播，即准直透镜一、三环相位匹配器、光耦合器端口二通过光纤和光纤适配器进行连接，光耦合器端口三、准直透镜二、合束镜通过光纤和光纤适配器进行连接，光耦合器端口四、准直透镜三通过光纤和光纤适配器进行连接，所述相干光出射所述准直透镜一、所述准直透镜二、所述准直透镜三后均采用自由空间传播。
进一步的，宽谱超亮二极管采用放大自发辐射光源，用以提供诊断用的相干光，采用大于2.5V直流电压供电，功率9-10mW，相干光中心波长选用830nm光，半高宽选用±13nm；光隔离器用以防止后续光路反射诊断光或者加工光，导致宽谱超亮二极管损坏，其中心波长约830nm，半高宽约±15nm，隔离度26dB；光纤(多根)及光纤匹配器(多只)用以依次连接宽谱超亮二极管、光隔离器、光耦合器端口一；光纤可使用单模HI780光纤，光纤适配器采用FC-FC适配器。
进一步的，三环相位匹配器采用三环式手工调节方式，也可使用电动相位匹配器代替，用以实现光路的相位匹配；参考光路的准直透镜一的中心波长830nm，用以准直参考光路中传播的诊断相干光，并将诊断相干光传播至自由空间；反射镜采用镀金或铝方式镀膜，保证高反射率，用以反射自由空间中传播的诊断相干光。诊断相干光从光耦合器端口二通过光纤传播至三环相位匹配器，在传播至准直透镜一之后传播至自由空间，自由空间中诊断相干光沿反射镜法线方向传播至反射镜表面后，原路返回至准直透镜一，再通过光纤经三环相位匹配器后，通过光耦合器端口二返回光耦合器。
进一步的，取样光路的准直透镜二的中心波长830nm，用以准直取样光路中传播的诊断相干光，并将诊断相干光传播至自由空间；准直透镜二安装在五维光学调整架二上，用于调节准直透镜二的位置、准直光角度，保证自由空间中诊断相干光的传播方向水平。合束镜采用石英材料加工，形状为长方体，表面尺寸为50mm×25mm，厚度为6mm，该厚度尺寸可以根据加工激光光路中的加工激光光轴和加工喷嘴的位置进行调整，合束镜上表面镀增透膜，保证加工激光实现全透射或高透射率；下表面镀膜，保证诊断相干光全反射，反射率高于99％；激光加工车床上的加工激光传播方向为从上到下竖直传播，合束镜安装在加工激光和诊断相干光交点处，与水平方向成45°摆放，五维光学调整架三用于调节合束镜的空间位置、角度。激光制孔机床上的部分光路被耦合进取样光路，加工激光的部分光学组件也构成了取样光路的一部分，包括加工激光聚焦透镜二、喷嘴，以及待激光制孔的发动机叶片孔内行程，还包括夹持、控制发动机叶片的五轴转台。
进一步的，采用光纤及光纤适配器连接光耦合器端口三和准直透镜二，取样光路中的其它组件摆放在自由空间中；诊断相干光从光耦合器端口三通过光纤传播至准直透镜二，之后传播至自由空间，自由空间中诊断相干光与加工激光在合束镜下表面实现合束，加工激光和诊断相干光合束后一起竖直向下传播，经过聚焦透镜二聚焦后穿过喷嘴，打在待加工发动机叶片表面，加工出气膜孔，诊断相干光在气膜孔孔内底部表面反射后，部分诊断相干光反射并依次返回、穿过喷嘴、聚焦透镜二、合束镜下表面，最终达到准直透镜二并经过光纤返回光耦合器端口三，采用光纤型号参数HI780，并加工合适的光纤长度，确保从取样光路返回的反射光、从参考光路返回的反射光同时到达光耦合器，则这两束光满足相干条件，并发生干涉现象。
进一步的，探测光路的准直透镜三中心波长830nm，用以准直探测光路中传播的诊断相干光，并将诊断相干光传播至自由空间；采用光纤及光纤适配器连接光耦合器端口四和探测光路的准直透镜三，探测光路中的其它组件摆放在自由空间中；光栅采用圆形体光栅，密度1800线/毫米，用于实现谱域干涉；聚焦透镜一采用多组透镜组成，用于将光栅处得到的相干条纹阵列成合适的像，并将像成在线阵列相机(分辨率为2000，行频为51kHz)的线探测阵列上；线阵列相机用以探测相干条纹，并通过数据线将条纹数据传输至工控机。聚焦透镜一和线阵列相机通过标准C口直接连接，并整体安装在五维光学调整架一上，通过调节该调整架实现光栅出射光与透镜、线探测阵列的准直与匹配。通过工控机中相应的的软件系统可以实现线阵列相机的参数调节、开启/工作/关闭控制、数据读取与输出、相干图像实时存储、孔深实时分析与显示等功能。
本发明的有益效果：本申请通过采用将加工激光与诊断激光合束的方式，把飞秒激光制孔过程中的不断变化的孔深纳入为取样光路的一部分，再采用反射方式实现光程不变的参考光与光程变化的取样光的谱域干涉，最后通过反演变化的干涉条纹获得孔深数据，实现飞秒激光打孔时孔深参数在线实时测量，用以供操作人员参考或者为加工激光提供控制信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统的结构简图。
图中：
1-宽谱超亮二极管；2-光隔离器；3-光耦合器；4-三环相位匹配器；5-准直透镜一；6-反射镜；7-准直透镜二；8-五维光学调整架二；9-合束镜；10-五维光学调整架三；11-准直透镜三；12-光栅；13-聚焦透镜一；14-线阵列相机；15-五维光学调整架一；16-工控机；17-光纤；18-光纤适配器；19-聚焦透镜二；20-喷嘴；21-发动机叶片；22-五轴转台；23-光耦合器端口一；24-光耦合器端口二；25-光耦合器端口三；26-光耦合器端口四；27-激光器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，包括光耦合器3，所述光耦合器3的光耦合器端口一23连接有相干光源，所述光耦合器3的光耦合器端口二24连接有参考光路，所述光耦合器3的光耦合器端口三25连接有取样光路，所述光耦合器3的光耦合器端口四26连接有探测光路；所述相干光源包括宽谱超亮二极管1，所述宽谱超亮二极管1通过光纤连接光隔离器2；所述参考光路的光路上依次设有三环相位匹配器4、准直透镜一5和反射镜6；所述取样光路的光路上依次设有准直透镜二7、合束镜9，所述合束镜9设置于激光加工光路中；所述探测光路的光路上依次设有准直透镜三11、光栅12、聚焦透镜一13和线阵列相机14。所述参考光路、所述取样光路、所述探测光路中的相干光在所述准直透镜一5、所述准直透镜二7、所述准直透镜三11之前均采用光纤传播，所述相干光出射所述准直透镜一5、所述准直透镜二7、所述准直透镜三11后均采用自由空间传播；所述聚焦透镜一13安装于五维光学调整架一15上，所述聚焦透镜一13通过C型接口连接所述线阵列相机14，所述线阵列相机14通过线缆连接工控机16；所述激光加工光路的光路中依次设有激光器27、所述合束镜9、聚焦透镜二19、喷嘴20和固定于五轴转台22上的发动机叶片21；所述准直透镜二7采用五维光学调整架二8固定于飞秒加工激光机床上，所述准直透镜二7的法线水平；所述合束镜9采用五维光学调整架三10固定于飞秒加工激光机床上，所述合束镜9的平面与水平面呈45°角，并与竖直方向的飞秒加工激光成45°角；所述合束镜9上下表面均镀膜，所述合束镜9对1024nm-1060nm的激光全透射，对810nm-850nm的激光全反射；所述光纤为单模HI780光纤。
本发明中的一个实施例中，相干光源的发光组件为宽谱超亮二极管1，该二极管为放大自发辐射光源，采用专用电源为其供电，当控制供电电源达到5V时，该二极管发出稳定的光，作为整个诊断设备的诊断相干光，其中心波长为830nm，半高宽为±13nm，功率稳定在9.5mW。该二极管发出的光通过光纤17及光纤适配器18传播至光隔离器2，该光隔离器2可以有效的保护光源，选用的中心波长为830nm，带宽±15nm，可防止漏光导致的杂散光进入下一级组件，同时，本实施例中，设计光隔离器最大功率500mW，隔离度26dB，该功率阈值满足9.5mW的正向传输需求，同时，如前所述，参考光路和取样光路中都有光反向传播，设计的光隔离器26dB的高隔离度可以确保这些反射光不会返回至宽谱超亮二极管1，避免该二极管被反射光损坏。
诊断相干光将从光隔离器2传输至光耦合器端口一23，在待加工的发动机叶片材料反光率较高时，比如加工表面材料反光率高且加工平整面处的气膜孔时，可以设计光耦合器的分光比为50∶50，若反光率较低，也可以设计为10∶90，甚至1∶99，本实施例中选用分光比50∶50。则50％的诊断光通过光耦合器端口二24进入参考光路，另50％的诊断光通过光耦合器端口三25进入取样光路，当进入参考光路的光几乎全部返回、进入取样光路的光部分返回光耦合器3时，此两束反射光将在光耦合器3处发生干涉现象。
本发明中的一个实施例中，进入参考光路的光将从参考光路的准直透镜一5出射进自由空间，摆放在该自由空间中的反射镜6法线方向与参考光传播方向完全重合，又由于该反射镜6表面镀有高反射率金属涂层，在本实施例中反射镜6表面镀金，故几乎全部参考光被反射回准直透镜一5，并经过光纤传输回光耦合器3。该参考光路中还串联一只三环相位匹配器4，该三环相位匹配器4可选用手动调节相位匹配器，也可选用电动调节相位匹配器，在本实施例中，选用手动的三环相位匹配器，通过将光纤缠绕在三只相位环上，并通过扭动相位环的角度，可以有效的匹配整个光路的相位。
本发明中的一个实施例中，进入取样光路的光将从取样光路的准直透镜二7出射进自由空间，并通过反射机制将取样光反射回光耦合器3。这里与参考光路不同的是，参考光路中所有组件固定，工作过程中，光程保持不变，但是对于取样光路，通过设计将激光制孔过程中的孔内光程集成到取样光路中，这样，通过测量取样光路光程的变化，就可以获得孔深的变化。在本实施例中，通过调节准直透镜二7处的五维光学调整架二8，可以使得从准直透镜二7出射的诊断相干光在自由空间中保持水平传播。加工激光竖直向下传播并打在发动机叶片21上，将合束镜9安装在诊断相干光和加工激光的交点处，并通过五维光学调整架三10确保合束镜9与水平的夹角为45°，则水平传来的诊断相干光将在合束镜9的下表面全反射，并继续竖直向下传播，而合束镜9的表面镀膜确保对加工激光的全透射，加工激光打到合束镜9上表面后，将穿过合束镜9继续竖直向下传播，这样，实现了诊断相干光和加工激光的完美合束。合束后的合束光将打在待制孔的发动机叶片上，加工光即飞秒激光脉冲序列将与叶片材料相互作用，进行打孔，而诊断相干光将会被孔内的端面反射，其部分反射光将经过合束镜9返回至准直透镜二7，进而沿着光纤返回至光耦合器3。
本发明中的一个实施例中，在激光打孔过程中，加工激光、加工过程中孔内等离子体发出的光、加工大厅中的背景光等也有可能部分的反射到准直透镜，本实施例中，采用的光纤是HI780，该光纤可以保证诊断相干光在其中的有效传输，但是，对于其它波长的反射光，该光纤不能传播，这样，有效消除了加工激光等其它非诊断相干光对诊断系统的干扰。
本发明中的一个实施例中，从参考光路返回的诊断相干光和从取样光路返回的诊断相干光将在光耦合器3处相遇，这样，将发生光的干涉现象，形成干涉条纹，由于从宽谱超亮二极管1中产生的诊断相干光具有一定的半高宽，故在此处的干涉为谱域干涉。该干涉后的光将从光耦合器端口四26进入探测光路，并经过该探测光路的准直透镜1传播到自由空间中摆放的光栅12，本实施例中选用的光栅为圆形光栅，密度1800线/毫米，光栅12可以有效的实现光的谱域展开，经过光栅12出射的光将形成明暗相间的清晰的干涉条纹，通过对该干涉条纹进行成像，可以将像呈现在线阵列相机14的感光阵列上，线阵列相机14将探测并通过信号线将测得的干涉图像传输至工控机16。
具体测量原理：
当加工激光的飞秒激光脉冲不断的打在叶片气膜孔上时，气膜孔的深度将逐渐变深，设其深度为z，深度变化量为Δz，由于孔被耦合进了取样光路，则取样光路的光程变化为2Δz。可见，当z持续变化时，由于取样光路的光程持续变化，而参考光路光程不变，则线阵列相机探测到的相干图像将持续变化，通过在线的、实时的探测、分析相干图像的变化，可以反演出取样光路光程的变化，从而可实时的给出气膜孔的孔深数据。
对于本申请中的诊断光，其光强可以表达为：I(t)＝V*(t)V(t)，其中
*表示共轭，FT指傅里叶变换，E(t)为电场，f表示频率，
表示平均频率，A(t)为V(t)的包络。在发生干涉时，参考光路和取样光路的光互相干为
这里<>表示系综平均，
表示参考光和取样光之间的时间差，c表示真空光速，下标M、R、S依次表示互相干、参考、取样，z表示激光制孔的孔深，该孔深是参考光路和取样光路之间光程差的来源。则干涉条纹强度为公式一：
，这里，初始相位θ0可以赋值为0，γM(Δt)表示从参考光路和取样光路返回光的相干程度。对于取样光路中返回的诊断相干光，γM(Δt)＝1；而对于非相干光，比如制孔过程中孔内等离子体发出的光、反射的加工激光、周围空间的背景光等，γM(Δt)＝0。所以在本实施例中，从孔底部表面反射回的相干光可以有效的被本干涉系统滤出，而孔深的变化信息就包含在该相干光的光程变化中。
对于本申请，9.5mW的宽谱超亮二极管作为诊断相干光的光源，由于采用分光比为50：50的光耦合器，故该光源发出的诊断光在光耦合器内被均分成两束，分别进入参考光路和取样光路，所以
这里IS，B表示取样光路中相干光未被孔底部反射前的光强，ID表示超亮二极管发出光的总光强。孔底部反射诊断光后，部分反射进准直透镜的光强可记为
这里η表示能反射进准直透镜的光比率。在本申请中，尽管发动机叶片的制造材料是高光反射率的金属，但是由于孔底部可能会凹凸不平，以及准直透镜相对于孔的立体角较小等诸多原因，η取值非常小，即0＜η＜＜1。
对于本申请，飞秒激光用于制孔，随着激光脉冲序列持续打在叶片金属上，金属上的孔会越来越深，对于连续作用在叶片金属上的飞秒激光脉冲序列p，则会形成一系列的孔深度zi|i＝1～p，分别对应于一系列的p个孔底部反射面。将其代入公式一，可以得到一系列的干涉图像，其条纹强度为公式二：
这里k是光的波数，A(k)为光的谱包络。公式二等号右边第一项是不变量，可以通过软件识别并作为背景项；由于0＜η＜＜1，第二项非常小，可以忽略；第三项是相干项，为余弦函数，通过分析线阵列相机实测的干涉图像，可以获得zi值，即孔深。
在本申请中，宽谱超亮二极管发出的光服从高斯分布，对于一个高斯谱A(k)∝exp(-k2/2σ2)＝exp[-4ln2(k/ΔkFWHM)2]，可以算出ΔkFWHMΔ2zFWHM＝8ln2，式中FWHM表示高斯分布的半高宽，则ΔkFWHM表示k空间的半高宽，Δ2zFWHM＝2ΔzFWHM表示z空间的半高宽，由于z为孔的深度，则2z为孔深对取样光路光程的贡献。对于本本申请，光源中心波长为
波长空间的半高宽为ΔλFWHM＝26nm，则实测孔深的分辨率则可以算出为
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，包括光耦合器（3），所述光耦合器（3）的光耦合器端口一（23）连接有相干光源，所述光耦合器（3）的光耦合器端口二（24）连接有参考光路，所述光耦合器（3）的光耦合器端口三（25）连接有取样光路，所述光耦合器（3）的光耦合器端口四（26）连接有探测光路；所述相干光源包括宽谱超亮二极管（1），所述宽谱超亮二极管（1）通过光纤连接光隔离器（2）；所述参考光路的光路上依次设有三环相位匹配器（4）、准直透镜一（5）和反射镜（6）；所述取样光路的光路上依次设有准直透镜二（7）、合束镜（9），所述合束镜（9）设置于叶片激光加工光路中；所述探测光路的光路上依次设有准直透镜三（11）、光栅（12）、聚焦透镜一（13）和线阵列相机（14）。
2.根据权利要求1所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，所述参考光路、所述取样光路、所述探测光路中的相干光在所述准直透镜一（5）、所述准直透镜二（7）、所述准直透镜三（11）之前均采用光纤传播，所述相干光出射所述准直透镜一（5）、所述准直透镜二（7）、所述准直透镜三（11）后均采用自由空间传播。
3.根据权利要求1所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，所述聚焦透镜一（13）安装于五维光学调整架一（15）上，所述聚焦透镜一（13）通过C型接口连接所述线阵列相机（14），所述线阵列相机（14）通过线缆连接工控机（16）。
4.根据权利要求1所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，所述叶片激光加工光路的光路中依次设有激光器（27）、所述合束镜（9）、聚焦透镜二（19）、喷嘴（20）和固定于五轴转台（22）上的发动机叶片（21）。
5.根据权利要求1所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，所述准直透镜二（7）采用五维光学调整架二（8）固定于飞秒加工激光机床上，所述准直透镜二（7）的法线水平；所述合束镜（9）采用五维光学调整架三（10）固定于飞秒加工激光机床上，所述合束镜（9）的平面与水平面呈45°角，并与竖直方向的飞秒加工激光成45°角。
6.根据权利要求1所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，所述合束镜（9）上下表面均镀膜，所述合束镜（9）对1024nm-1060nm的激光全透射，对810nm-850nm的激光全反射。
7.根据权利要求1所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，所述光纤为单模HI780光纤。
8.根据权利要求1所述的一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统，其特征在于，所述反射镜（6）的反射面镀有高反射率金属涂层。
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| CN202211343584.3A CN115682979A (zh) | 2022-10-31 | 2022-10-31 | 一种发动机叶片飞秒激光制孔孔深的实时在线诊断系统 |
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2022
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