一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及皮秒、飞秒等超快激光加工系统方面的技术领域，特别涉及了一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的飞速发展，提高飞机发动机的效率和推重比是通过提升燃烧室的温度来实现，由于燃烧室的温度在发动机工作时会达到1800°C以上，并且该温度值与耐高温的单晶高温合金材料的涡轮叶片的熔点相近，造成了叶片的使用寿命缩短，发动机性能降低，使叶片在工作时，处于一个有安全隐患的环境下。目前，普遍采用了先进的气膜孔冷却技术，使得涡轮叶片的使用寿命得到了延长，为叶片的正常工作提供了一个安全有效的环境，同时也使发动机的性能得到了提升。
[0003]气膜孔冷却技术是需要在叶片上打出成百上千个孔，冷却气体可以通过叶片上的小孔覆盖整个叶片表面形成气膜，从而隔绝外界温度达到冷却的作用。常规加工冷却气膜孔的方法包括:高速电火花打孔(EMD)、电化学打孔(ECM)、传统的激光打孔(Laser)等方法。高速电火花打孔属于热加工，只能加工导电材料。高速电火花打孔加工速度快，但是，其电极制作和修复困难，加工尺寸精度不可控，加工锥度不可控，表面粗糙度低，毛刺多，容易产生重熔层。电化学打孔也叫电解打孔。电化学打孔不会产生重熔层，但是，其孔的轮廓形状不可控，加工粗糙度差，不能加工异型孔，加工速度极慢，生产效率低，成本高。激光打孔加工能力较强，生产效率高，气膜冷却孔的尺寸可以任意调节，对空间狭窄的加工难度大的部位进行打孔，加工过程中不存在电极损耗的问题，不污染材料，工作噪声小，对环境友好，在数控工作台上安装零件不需要制作复杂的工装，是最适宜作为新机研制时打孔的工艺方法。传统的激光打孔使用的是微秒Us)和纳秒(ns)激光，由于脉冲宽度长，导致和物质作用时间长，属于热加工。热加工对材料会产生一些影响，使用传统脉冲激光打孔对被加工叶片损伤的示意图如图1所示，传统脉冲激光的脉宽比较长，图中黑色部分越长代表脉冲宽度越长，与被加工件作用时间越长，热效应越大。传统脉冲激光加工原理是使被加工件内部会沸腾，并通过气化方式去除。在此过程中在被加工件内部形成熔化区、重熔层，并且有很大范围的热影响区，在热影响区内会产生微裂纹。同时在材料内部还产生冲击波，热量传向周围材料。在被加工件表面有喷射的熔化材料形成的碎片，冲击波导致的褶皱，并且对临近结构产生一定程度的破坏，因此重熔层比较厚，严重影响加工质量。
[0004]先进的新型发动机对气膜孔加工质量要求越来越高，为了避免影响叶片的使用性能，不允许重熔层的存在。重熔层也可以称为再铸层，内部常含有微裂纹，大大降低了材料的高温力学性能。曾经报道过飞机发动机在工作时从气膜孔处疲劳断裂的事故。因此，消除重熔层，并且适合大批量生产的加工叶片气膜孔的方法急待提出。
[0005]高速电火花打孔和传统的激光打孔都属于热加工，都不可避免的存在重熔层。高速电火花打孔还有一个缺点，只能加工导电材料。叶片表层有不导电的热障层，高速电火花无法直接加工叶片，需要除掉叶片表层的热障层之后才能加工。电化学打孔虽然不产生重熔层，但是效率太低，成本高，不适合大批量生产。电火花一电解组合加工虽然可以去除重熔层，但加工过程繁琐、效率低、精度不可控，还有设备腐蚀损耗等问题。现有技术尚不能解决在高效加工时不产生重熔层的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，为解决现有的气膜冷却技术中，飞机发动机叶片加工时产生的重熔层，生产效率低，成本过高，电极损耗大的技术问题，本发明提供了一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置。
[0007]为达到上述目的，本发明提供了一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，其包括:超快激光系统1、光束整形部分2、激光加工头3和叶片夹具及控制系统4。所述的超快激光系统1可以是皮秒或飞秒激光系统；所述的光束整形部分2，包括若干个透镜和光学元件；所述的激光加工头3，包括上面的反射装置和下面的聚焦透镜，所述的叶片夹具及控制系统4用于精确调整叶片的位置和姿态。
[0008]所述的超快激光系统1输出的脉冲激光的脉冲宽度在5皮秒以下。
[0009]所述的反射镜是一个反射镜或者是一对XY方向的扫描振镜。
[0010]所述的叶片夹具及控制系统4是七自由度机械手或者是五轴加工系统。
[0011]所述的超快激光系统1输出皮秒或飞秒激光束，所述的皮秒或飞秒激光束经过光束整形部分将光束整形，使其可以用于加工叶片，所述的整形后的皮秒或飞秒激光束经过反射镜转向工作台方向，再经过聚焦透镜聚焦在叶片的加工部位上，所述的叶片夹具及控制系统4可以精确调整叶片的位置和姿态，满足了对打孔的精确度和激光质量的要求。
[0012]本发明的优点在于:激光与物质作用过程中，激光能量首先传输给电子，电子把能量传输给晶格，然后在晶格内部经过原子晶格的碰撞，能量向材料内部扩散。这个过程中，电子对光子的吸收需要大约为飞秒量级(10 15s)，吸收的能量向晶格中传输大约需要lOOfs?几个ps(10 12s)的时间。因此，超快激光由于作用时间极短，根本上避免了热扩散。由于超快激光有非常高的瞬时功率，使作用区域温度瞬间急剧上升，远远超过熔点、沸点，材料高度电离，使处于高温、高压、高密度等离子体状态。又由于光电场强度比原子内部库仑场高数倍，材料内部原有束缚力已不足以遏制离子、电子的迅速膨胀，最终使材料以等离子体形式喷发并去除，而且几乎带走了全部热量，从而实现所谓“冷加工”。超快激光加工时无熔化区，无细微裂痕，无冲击波，因而在材料表面不会产生加工碎片，无重熔层，对周围材料无损伤，加工效率高，成本低，加工过程中不存在电极损耗的问题。使用超快激光加工，将加工过程涉及的空间范围大大缩小，提高了激光加工质量和打孔的精确度，进而提高了飞机发动机叶片的可靠性和安全性。由于加工效率高，成本低，因此，超快激光可用于大规模飞机发动机叶片的生产。
【附图说明】
[0013]图1是使用传统脉冲激光技术打孔示意图
[0014]图2是基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置示意图
[0015]图3是使用超快激光技术打孔示意图
[0016]1超快激光系统 2光束整形部分
[0017]3激光加工头4叶片夹具及控制系统
【具体实施方式】
[0018]现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0019]超快激光是脉冲宽度很短的脉冲激光，如皮秒和飞秒激光。如图2所示，所述的一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，其包括:超快激光系统1、光束整形部分2、激光加工头3和叶片夹具及控制系统4。所述的超快激光系统1可以是皮秒或飞秒激光系统；所述的光束整形部分2，包括若干个透镜和光学元件；所述的激光加工头3，包括上面的反射装置和下面的聚焦透镜；所述的叶片夹具及控制系统4用于精确调整叶片的位置。所述的反射装置是一个反射镜或者是一对XY方向的扫描振镜，所述的叶片夹具及控制系统4是七自由度机械手或者是五轴加工系统。
[0020]所述的超快激光系统1输出皮秒或飞秒激光束，所述的皮秒或飞秒激光束经过光束整形部分2将光束整形，使其可以用于加工叶片，所述的整形后的皮秒或飞秒激光束经过激光加工头中的上面的反射镜转向工作台方向，再经过其下面的聚焦透镜聚焦在叶片的加工部位上，所述的叶片夹具及控制系统4可以精确调整叶片的位置和姿态，满足了对打孔的精确度和激光质量的要求。
[0021]如图3所示，当脉冲激光的脉冲宽度在5皮秒以下时，脉冲激光与物质作用时，由于作用时间极短，避免了热扩散，实现了 “冷加工”。根据图3可以看出脉冲激光的脉宽很短，加工时对被加工件损伤小，无熔化区，无重熔层，无热影响区，无细微裂痕，无冲击波，在被加工件表面不会产生加工碎片，对周围材料无损伤。使用5皮秒以下脉宽激光加工，将加工过程涉及的空间范围大大缩小，提高了激光加工质量和打孔的精确度。
[0022]本发明提供的一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，使用了超快激光系统，并且脉冲激光的脉冲宽度在5皮秒以下，无重熔层，不会产生微裂纹，不需要工作电极，气膜冷却孔的尺寸可以任意调节，加工效率高，成本低，大大提高了发动机叶片的可靠性和安全性，可用于大规模飞机发动机叶片的生产。
[0023]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，其特征在于，其包括:超快激光系统(I)、光束整形部分(2)、激光加工头(3)和叶片夹具及控制系统(4)，所述的超快激光系统(I)是皮秒或飞秒激光系统；所述的光束整形部分(2)，包括若干个透镜和光学元件；所述的激光加工头(3)，包括上面的反射装置和下面的聚焦透镜，所述的叶片夹具及控制系统(4)用于精确调整叶片的位置和姿态。2.根据权利要求1所述的基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，其特征在于，所述的超快激光系统(I)输出的脉冲激光的脉冲宽度在5皮秒以下。3.根据权利要求1所述的基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，其特征在于，所述的反射装置是一个反射镜或者是一对XY方向的扫描振镜。4.根据权利要求1所述的基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，其特征在于，所述的叶片夹具及控制系统(4)是七自由度机械手或者是五轴加工系统。
【专利摘要】本发明涉及一种基于冷加工方式的叶片打孔的超快激光加工装置，其包括：超快激光系统、光束整形部分、激光加工头和叶片夹具及控制系统。所述的超快激光系统可以是皮秒或飞秒激光系统；所述的光束整形部分，包括若干个透镜和光学元件；所述的激光加工头，包括上面的反射装置和下面的聚焦透镜，所述的叶片夹具及控制系统用于精确调整叶片的位置和姿态。
【IPC分类】B23K26/064, B23K26/382
【公开号】CN105312782
【申请号】CN201510213306
【发明人】彭海波, 彭俊
【申请人】北京中科思远光电科技有限公司
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年4月29日