CN1788917A - 激光束钻孔头或加工头喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明是针对钻孔机的激光束钻孔头的喷嘴(14)的，它发射脉冲式激光束，钻孔头上带有一个喷嘴安装装置，喷嘴上有第一个激光束输入开孔和第二个脉冲式激光束输出开孔，在第二个开孔上方有一个光束聚焦装置，反射镜(145)放置在上述视准装置下方的光路上，使输出的光束与输入的光束形成一个小于180°的角，喷嘴上有一个激光束的辅助流体供给系统，该流体由第二个开孔沿着激光束方向射出。

Description

激光束钻孔头或加工头喷嘴
技术领域
本发明涉及金属件或非金属件的激光束钻孔。
它尤其涉及到激光束加工机械的激光束钻孔头的喷嘴，该激光束加工机械用来在老式激光束钻孔工具接触不到或很难接触到的金属或非金属壁板上钻孔。
背景技术
在航空工业中，人们经常使用YAG-Nd型脉冲式激光束技术在有一个涡轮或压气机的发动机的某些零件的壁板上打小孔。比如在机器的高压部分的涡轮叶片或涡轮导向器叶片等高温零件上，或者更进一步，在发动机燃烧室壁板的元件上。这些孔的作用是使零件内部有空气流通以保证零件的冷却和热保护。
根据该钻孔技术，我们将适量的脉冲式激光束引向壁板，使它聚焦在钻孔区，使材料达到很高的温度，达到局部熔化和部分挥发，熔化的物质被光束轴线上喷出的辅助流体带走，壁板上留下一个孔。我们经常钻一些直径在0.2至1.5毫米之间的、深度为0.8至20毫米的圆柱形孔以及形状各异的孔：菱形孔，不规则孔等等。燃气涡轮发动机领域使用的材料主要是镍合金或钴合金，有时带有隔热层。但是它涉及到所有的材料。在该应用领域使用的YAG-Nd型脉冲式激光束在一个例子中产生4焦耳的能量，频率为30赫兹，脉冲持续时间为1.2毫秒，平均功率为120瓦时其峰值功率为3.3千瓦。
目前使用的激光束加工机械包括一个管状或截锥形加工头，头上带有至少包括一个光束聚焦透镜的光学系统，通过该系统，发射的光束在由光学焦距确定的距离上被集中为密度很大的一个光束。加工头的端部有一个供光束通过的直形喷嘴，它也是辅助流体(比如气体)的喷嘴。为了钻孔，光束与要处理的区域表面有一个确定的角度。由于加工头的结构和几何图形，在壁板上要钻的孔的轴线上要留出足够的空间以便放置工具。现有的工艺规定，该空间至少等于焦点(钻孔区域)到聚焦透镜之间的距离，假设工具体积很大，接触钻孔位置很有可能就受到限制。
然而，随着某些零件制造技术的发展，由于呈现形状的复杂性，我们遇到的困难是激光束加工的实施。某些区域激光束难以到达。申请人所熟知的、端部带有喷嘴的激光束钻孔头都有一个直线的光路。因此，当一个零件的一部分表面被另一部分遮住时，喷嘴射出的光束就无法达到该部分。使安装喷嘴的钻孔头自由活动也解决不了这个问题。
随着铸造技术的发展，现在的主要问题集中在导向器扇形齿轮的制造上。
根据以往的工艺，这种扇形齿轮的制造技术是浇铸带有一个叶片的导向器元件，在叶片壁板上钻孔，用以往工艺的直形喷嘴是可以达到的，然后，沿着平台对两个元件进行钎焊以便得到一个双叶片部件。直形加工头适于叶片的单个钻孔。但是这种制造方法耗时、昂贵，并且由于叶片的钎焊组装风险以及通过截面的尺寸风险，会带来质量问题。此外，这种方法会使接缝处不坚固。
现在，我们可以制造双叶片铸件，或者更进一步，带有内装的冷却系统。在下平台和上平台之间带有至少两个叶片的元件或导向器扇形齿轮上钻冷却孔，用直形喷嘴是不可能的，某些部分是接触不到的。
发明专利内容
因此，申请公司确定了一个目标，即制造一种可以到达别的喷嘴难以达到的地方的喷嘴。
根据发明，我们用一个钻孔机激光束钻孔头喷嘴达到该目标，该喷嘴发射脉冲式激光束，钻孔头带有适合的喷嘴安装装置，喷嘴上有第一个激光束输入开孔和第二个脉冲式激光束输出开孔，光束聚焦装置在第二个开孔的上方。
该喷嘴的特点是：在该视准装置的下方的激光束光路上放置一面反射镜，使射出的光束与输入的光束之间形成一个小于180°的角；喷嘴上有一个激光束辅助流体的供给系统，使辅助流体在激光束方向上从第二个开孔射出。
借助该发明，我们可以制造一种喷嘴，它根据要处理零件表面上方可用空间和钻孔轴线，相对于该表面可以大幅度倾斜。
另一方面，能够在原来不可接触的表面钻孔的喷嘴打开了实现冷却效率重大增益的可行之路。
这种喷嘴可以使制造方法最佳化，为某些不再需要考虑钻孔设备的可接触性的零件设计开辟道路。
辅助流体最好是气体，其功能不仅是清除光束产生的碎渣，而且还可以冷却聚焦激光束反射镜，并且可以辅助熔化和清除可能有的颗粒。
我们已经知道，端部带有喷嘴的激光束焊接头有一个90°的光束反射镜。例如，注册者是EP 1 273 382专利的所有人，它涉及微型激光束焊接装置。该专利的主题是焊接头，其前面的开孔可以距离要焊接的表面非常非常近而光学部件不会被熔化时的蒸气和进出的金属屑沾污，并且熔化的金属也不会受到前面开孔出来的气流的干扰。然而这种工具是为光纤延长线而设计的，它带有一个与视准透镜和聚焦透镜相配合的光学系统。虽然叫做微型装置，但与本发明的应用比，其体积仍然很大。从另一方面讲，焊接使用的激光装置是连续性的CO2(二氧化碳)型气体装置。相反，加工激光装置的特点是以脉冲方式工作，并且峰值功率是确定的。该专利的教义不适用于金属零件的加工。
反射镜最好是用一个活动的固定装置来固定，通过一系列的发射以后，能快速更换反射镜而无需更换喷嘴。
根据另外一个特性，喷嘴的第二个开孔有一个防碎渣的保护装置。该保护装置可以是一个薄垫板，防止碎渣沾污反射镜。
同样根据发明，我们使用这种喷嘴来在燃气涡轮发动机、尤其是航空燃气涡轮发动机的至少有两个叶片的导向轮元件的叶片上钻冷却孔。尤其是考虑用在完整的轮子上，如整体叶片盘。
直径是根据燃气涡轮发动机的高压导向器扇形齿轮的叶片之间的位置而定的。
能够在双叶片导向器部件的叶片上钻孔是制造方面的一重大优势。导向器叶片间的通过截面是发动机运行的一个重要参数，是该截面校准从燃烧室出来的气流并带动高压转子。通常单叶片铸件是通过钎焊来组装的，钎焊和加工允差是与发动机运行要求的通过截面的非常小的允差一致的。因此，除了生产效率上的增益以外，能够直接生产带两个叶片的导向器部件对提高发动机的效率也是很有好处的，使零件无需组装而变得更加坚固。
根据另一个特性，光束的焦点距反射镜的距离小于15毫米。对于导向器，该距离使喷嘴相对于叶片间的可用空间变得非常小，能非常理想地接触到下表面和上表面的每一个点。这一很小的距离对其它各种类型的零件，其可接触性也是很大的，例如，燃烧室环，或其它用老技术直形喷嘴工艺不能接触到的需要钻孔的应用。
用于钻孔机的激光束钻孔头的发射脉冲式激光束的喷嘴，钻孔头上有一个用来安装喷嘴的装置，喷嘴上有第一个激光束输入开孔和第二个脉冲式激光束输出开孔，在第二个开孔上方有一个光束聚焦装置，反射镜放置在上述视准装置下方的光路上，使输出的光束与输入的光束形成一个小于180°的角，喷嘴上有一个激光束的辅助流体供给系统，该流体由第二个开孔沿着激光束方向射出。
所述的喷嘴的反射镜由一个活动的固定装置(固定。
所述的喷嘴的第二个开孔要有一个防碎渣的防护装置。
所述的喷嘴的输出光束与输入光束形成一个小于85°的角。
所述的喷嘴的直径应允许它放置在燃气涡轮发动机的涡轮高压导向器扇形齿轮的叶片之间。
所述的喷嘴用于发动机零件、尤其是燃气涡轮发动机零件的钻孔和修理。
所述的喷嘴用于在燃气涡轮发动机至少有两个叶片的导向器扇形齿轮的叶片(71，72)上钻冷却孔。
所述的喷嘴装置中光束焦点距反射镜(145)的距离小于15毫米。
所述的喷嘴用于在直形喷嘴不能达到的区域进行钻孔。
附图说明
其它特性和优点会在与附图有关的实施方式的描述中凸显出来：
-图1以图解形式介绍发明的激光束钻孔装置，
-图2以纵向剖面图的形式介绍发明的加工头和喷嘴，
-图3是图2中的3-3向剖面图的喷嘴端部的放大视图，
-图4展示了喷嘴端部的分解的各元件视图。
具体实施方式
在图1中我们介绍了发明的激光束钻孔装置的制造示例，这里只再现了主要元件，它们处于导向器叶片钻孔位置。
比如，激光源1是YAG-Nd型和脉冲式的，波长为1064微米；激光束2是通过机器传送至加工头3。加工头包括一个辅助流体输入口31和沿着光束光路C的一部分管状件32。加工头内部还有光束聚焦的光学系统33，这是一个焦距决定在透镜下方的光束聚焦点的透镜。
金属喷嘴4被固定在激光束光路延长线上的加工头3下端。喷嘴包括一个来自加工头3管状部分的激光束输入的第一个开孔41和光束输出的第二个开孔42。按照介绍的实施方式，输出42是侧面的。反射镜5以45°角横向安装在光路C上，使光束偏斜90°。会聚的激光束以反射镜的距离集中于一个点，叫做焦点。与发明一致的喷嘴4取代老式直形喷嘴，安装在加工头3上。在该实施方式中，加工头3和机器整体无需改动，只有喷嘴4是新的。
反射镜截获聚焦后的光束，反射的能量密度是非常大的，要加以考虑的反射镜因素主要是其强度极限和寿命。第一个因素由激光能量的密度决定，第二个因素由峰值功率决定。高抗流性能反射镜由基质和按使用的波长进行的处理组成。组成基质的两种材料是熔化的硅石和硼硅酸盐玻璃(BK7)。BK7的抗流性为73J/cm2，熔化硅石的抗流性为75J/cm2。处理由决定反射镜波长和入射角的介质层组成。
由于光束侧向反射，我们可以在零件难以接触到的区域进行钻孔。正如我们在图1中看到的，零件71和72分别是由两个叶片71和72组成的燃气涡轮发动机导向器部件8上的一个叶片，由于有了发明的装置，就不需要将两个叶片分开了。加工头3端部的喷嘴4可以自己滑到该部件两个叶片之间的空间，沿着叶片71的上表面和叶片72的下表面进行钻孔。喷嘴端部的直径为10毫米。喷嘴可以被放置在一个20毫米的小空间中。
在图2中，介绍了第二种喷嘴实施方式。加工头13包括一个安装板131，板上有一个由薄垫板133保护的聚焦透镜132。总体被管节134覆盖，管节通过一个支架135延长至喷嘴14。喷嘴14通过外部连接机构140安装在支架135上。喷嘴体本身由直径向端部逐渐减小的圆筒形部分141组成。
图3更详细地展现了喷嘴的端部，图4以分解的方式展现了喷嘴的各个零件。喷嘴管状部分的延长体中有钻孔，喷嘴上有一个反射镜145的安装槽142。反射镜在其槽中由一个弹性夹146固定，弹性夹由一个环和两个带钩的臂组成，钩子安装在管子里的凹槽中，环可使未被反射镜反射的光束不被喷嘴吸收。反射镜被放置在槽中，和激光束光路形成一个预定的角度。在经过反射镜145反射以后的光路方向上，喷嘴包括在横向槽144处结束的-部分管状体143，保护用的薄垫板147横向安装在光路上，薄垫板147由一个形成喷射器148的并有一个螺纹的零件保持在位。
一个图上看不见的沟槽使管子141内部与喷射器148相通。
工作时，激光束被透镜132聚焦并被反射镜145反射；光束密度在处于喷射器148下方的焦点时最大。辅助流体被压入喷嘴，与光束同轴，通过喷射器148在光束方向上喷出。该流体吹除反射镜表面的污物并对其进行冷却。防护薄垫板阻止加工区的碎渣去污损反射镜。
从喷嘴的第二个开孔出来的光束和入射光束形成的角由待加工零件的几何图形决定。这里该角为45°，它可以是另外的数值，最好小于85°，比如在30°和80°之间。
我们可以通过调整反射镜145和聚焦透镜132之间的距离来调整焦点F相对于反射镜145之间的距离，在考虑到反射镜对它应吸收的能量的抗击强度的情况下，使它达到一个最佳值。实际上，在使反射镜后退时，焦点就接近反射镜，但反射镜上的光束能量的密度增加直至达到极限值，在该值以外，反射镜迅速被损坏。为了克服该缺陷，我们可以使用合适的聚焦透镜延长焦距。
要指出的是，由于喷嘴的微缩，其位置的细微调整是可以预测的。
按照未介绍的另一种实施方式，反射镜145是凹透型的。
按照另一种实施方式，可以在反射镜145的下方安放一个附加的聚焦透镜。
我们已经在一个由在两个平台之间装配的两个叶片组成的部件上进行过钻孔试验，该部件是用于燃气涡轮发动机的经过冷却的单晶或等轴高压导向器的。喷嘴，尤其是其支承反射镜的端部，体积非常小，能够到达面对面的下表面和上表面的绝大部分地方。所以我们使用一套根据不同的工作区域反射镜各异的喷嘴，也使用一部分直形喷嘴。使用的激光源是YAG Nd型和脉冲式的，其特性与上面介绍的激光源相同。

Claims (9)

1.用于钻孔机的激光束钻孔头的发射脉冲式激光束的喷嘴(4，14)，钻孔头上有一个用来安装喷嘴的装置，喷嘴上有第一个激光束输入开孔和第二个脉冲式激光束输出开孔，在第二个开孔上方有一个光束聚焦装置，反射镜(5，145)放置在上述视准装置下方的光路上，使输出的光束与输入的光束形成一个小于180°的角，喷嘴上有一个激光束的辅助流体供给系统，该流体由第二个开孔沿着激光束方向射出。
2.按权利要求所述的发射脉冲式激光束的喷嘴，其特征在于：1所述的发射脉冲式激光束的喷嘴，其特征在于：喷嘴的反射镜(145)由一个活动的固定装置(146)固定。
3.按上述权利要求之一所述的发射脉冲式激光束的喷嘴，其特征在于：喷嘴的第二个开孔要有一个防碎渣的防护装置(147)。
4.按上述权利要求之一所述的发射脉冲式激光束的喷嘴，其特征在于：喷嘴的输出光束与输入光束形成一个小于85°的角。
5.按上述权利要求之一所述的发射脉冲式激光束的喷嘴，其特征在于：喷嘴的直径应允许它放置在燃气涡轮发动机的涡轮高压导向器扇形齿轮的叶片之间。
6.按上述权利要求之一所述的发射脉冲式激光束的喷嘴，其特征在于：喷嘴用于发动机零件、尤其是燃气涡轮发动机零件的钻孔和修理。
7.按上述权利要求，用于在燃气涡轮发动机至少有两个叶片的导向器扇形齿轮的叶片(71，72)上钻冷却孔。
8.按上述权利要求，光束焦点距反射镜(145)的距离小于15毫米。
9.按上述权利要求，喷嘴用于在直形喷嘴不能达到的区域进行钻孔。
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