一种纤维激光处理工件配置成具有主体，主体具有不连续表面，其限定多个间隔开的贯穿的通道，使得每个通道由外围层界定，所述外围层具有表面特性，所述表面特性包括再铸层或和一个或多个微裂纹或其组合。通道是由高功率Yb纤维激光器提供，所述高功率Yb纤维激光器操作脉冲机制并且被配置为在每一个整个通道上输出单个脉冲或者在每一个通道上输出脉冲串。所述Yb纤维激光器如此配置使得，如果形成再铸层和微裂纹，每一个比航空工业中相关标准小。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高功率纤维激光器泻流孔钻孔装置和使用该装置的方法
本专利技术涉及一种用于处理航天发动机材料的高功率纤维激光装置。特别地，本专利技术涉及一种用于在航天材料中钻孔/通道的高功率脉冲纤维激光系统，和使用高功率脉冲纤维激光有效和重复地钻大致均匀的孔的方法。
技术介绍
包括钻孔的激光加工是熔化过程，其中在液体状态过程中未被蒸发或移除的基材再固化且变成再铸层。在传统的激光钻孔过程的情形中，再铸层通常在被钻孔的侧壁处由再固化的熔化材料形成。在钻的孔/通道由冷却介质通过的位置，再铸层是特别不期望的。工业标准要求再铸层是大约0.005″厚或更小。但是即使这样薄的再铸层也是极不可取的。处理后的金属的快速固化导致通常延伸进入母材的微裂纹。工业上可接受的微裂纹的宽度为约0.0016″。然而，可接受的宽度是如此微小，这种微裂纹往往降低零件寿命。航天燃气涡轮机要求有大量的小直径的孔(＜1nam)以对涡轮叶片、喷嘴引导翼或导向叶片、燃烧室和后燃烧室提供冷却。成千上万的孔被引入这些部件的表面，以允许冷却空气的薄膜在涡轮机的操作在部件之上流动。冷却薄膜延长部件寿命且允许从发动机实现额外的性能。典型的现代发动机将具有100,000个这样的孔/通道。现在已经令人满意地确立通过高峰值功率脉冲Nd-YAG激光器钻孔这些冷却孔，但是再铸和微裂纹的问题仍然悬而未决。正如在激光领域的普通技术人员所知道的，每一种类型的激光器在诸如提供具有多个孔的航天部件的特定用途的情况下都有其优点和缺点。具体地，参见Nd-YAG激光器，优点包括(除其他优点外)将在1μm波长范围内的辐射良好耦合为部分和高脉冲能量和峰值功率。然而，已知单模式(“SM”)Nd-YAG激光也有多种局限性，这可能并不总是导致其在航天工业中的有效的使用，因为其性能任意变化或偏离。例如，由于通常使用的高斯束具有小半径圆顶形横截面，因此在整个激光光束上的功率分布可能并不总是均匀的或一致的。此外，脉冲宽度可能会波动。同样令人不安的是，难以控制相应的随后脉冲的峰值-峰值的功率。因此，钻出的孔，除了典型的再铸层和微裂纹以外，可能具有不同的圆度、密度，因此，可能不是期望的工业要求的质量。由于通常设计用于低的重复率和每个脉冲高峰值功率的电源和闪光灯的限制，进一步的限制可能涉及相对低的脉冲频率。作为一般规律，试图增加重复频率导致每个脉冲的最大功率急剧下降。在当前对于高功率和更高的重复频率的需求的情况下，目前使用的Nd-YAG激光器可能无法满足这些需求。此外，如激光
的普通技术人员所知道的，传统的Nd-YAG激光器具有复杂的腔体设计，通常需要在封闭在水套中使用0形圈密封的直接地冷却的晶体杆。存在很多需要校正Nd：YAG杆中的热变形的特大腔体的光学元件。全部这些元件必须被适当地维护，这需要一个复杂的控制装置；否则，腔体内部和外部的热不稳定性可能会导致光束输出特性的明显差异，导致钻出通道具有明显不同的再铸厚度和因此较差的均匀性。因此，对于设置有多个不均匀通道的激光处理过的工件有如下要求：使得平均再铸层(如果形成)比工业标准薄很多。对于设置有多个不均匀通道的激光处理过的工件还有如下要求：使得在部件中的基体裂纹深度水平低于工业标准。纤维激光器系统存在的另一个要求：构造成使得在工件上激光钻孔的多个均匀通道的各自的外围形成有具有低于工业确立标准的相应水平的最小程度的再铸层和微裂纹。另一个要求是在工件上激光钻孔多个通道使得再铸层和基体微裂纹水平(如果形成在相应的外围上)远低于相应的工业标准的方法。另一个要求是在工件上激光钻孔多个通道使得通道直径的直径一致性远低于相应的工业标准、优选地小于XXX标准偏差的方法。
技术实现思路
通过本专利技术提供的教导满足上述的和其它的需要。特别地，本公开教导一种工件、一种激光处理工件的方法和一种用于实施本方法的装置。该装置如此配置和该方法如此实施使得工件的主体被设置有多个大致均匀或一致的通道，所述通道的质量比由航天工业中目前的Nd：YAG技术提供的好。根据本公开的一个方面，提供一种激光处理的工件，其具有限定多个钻孔通道的不连续的主体。每个钻孔通道的壁构造为使得再铸层，如果形成，具有显著小于目前工业标准的约0.005″的厚度。再固化再铸层上的微裂纹的宽度小于目前工业标准的0.0015″。根据本公开的又一个方面，一种高功率单模Yb光纤脉冲激光器被用于机加工件的主体。Yb光纤脉冲激光器被配置为激光处理主体从而钻出多个贯穿的通道，使得每个通道的壁可以具有远小于约0.005″的目前工业标准的再铸层，其中在再铸层中的至少一个微裂纹的深度至少小于目前工业标准的0.0015″的50％。根据本专利技术的再一个方面，提供一种用于激光对工件钻孔的方法，使得高功率单个模块Yb光纤脉冲激光器操作以发射脉冲，其中发射脉冲的重复频率超过25赫兹、平均功率为至少10千瓦和峰值功率超过6千瓦。所述方法进一步使Yb光纤脉冲激光器以大致基本模式均匀的高脉冲间频率辐射平顶脉冲。后者特征在于，如此选择的参数除了别的以外包括大致一致的或均匀的小M2值和大致均匀峰值功率，多个均匀的通道的质量优于由目前可用的Nd-YAG激光器产生的通道。附图说明通过如下附图和具体的描述，更容易理解所公开的设备、方法和产品的上面的和其他特征和优点，其中：图1是所公开的纤维激光系统的示意图。图2是具有多个通道的工件，所述多个通道由根据所公开的方法和实施所公开的方法的装置提供。图3-7是计算机生成的拍摄照片，图示在通过所公开的装置和方法发射的不同地配置的脉冲情况下获得相应的微裂纹由。图8是总结在图3-7中图示的结果并且将这些结果与工业标准进行比较的图表。图9-13是相应的计算机生成的拍摄照片，图示在图1的纤维激光系统的不同操作条件下产生的再铸层。图14是图示分别地在图9-13中显示并且与工业标准进行比较的结果的图表。具体实施方式现在将详细地参考图示在附图中的本专利技术的几个实施例。只要有可能，相同或类似的附图标记在附图和说明书中指示相同或类似的部件或步骤。某些附图是以简化形式且不以精确比例。术语“耦合”和类似的术语不一定表示直接和即时的连接，而是还包括通过中间部件或装置的连接。图1图示纤维激光钻孔系统10，包括高功率纤维激光器12、通常具有导束光学部件的光束传输系统14，所述导束光学部件引导激光输出束到激光头16。激光头16操作以将光束聚焦在工件18的所希望的位置，并且通常具有高达12个自由度以便允许激光头和工件相对彼此沿着预定路径在对应于将要被钻出的相应通道的多个位置上方便地移动，如使用Y公司从(Z地址)获得的×产物提供。高功率纤维激光器12包括多个分离的激光模块，每一个设置有镱(“Yb”)振荡器，操作以输出约500瓦或更高。可以通过利用激光领域普通技术人员已知的主振功率放大器(“MOPA”)方案进行修改该结构。优选地，所述激光器是可从MA的Oxford的IPG光子公司获得的一种型号YLBxxxx。模块的累计输出系统光可以容易地达到约10kW和20kW之间的几千瓦级别和更高级别。Yb纤维激光器被配置成以在约25赫兹和50赫兹之间的重复频率以低的多模式(“MM”)发射约1070nm波长的方形或矩形脉冲。系统光具有与稳定的低的束产品参数(“BPP”)，其范围从约3至约本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纤维激光处理的工件，包括限定多个间隔的贯穿的通道的非连续主体，每个通道被具有表面特性的外围层界定，所述表面特性包括再铸层和一个或多个微裂纹，其中，如果形成，则再铸层深度或厚度和微裂纹宽度每一个比航空工业中相关标准小。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.20 US 61/577,7301.一种对工件钻孔的方法，包括：沿着路径在多个预定位置之间相对于彼此可控制地移动工件和单模高功率纤维激光器；和在每一个位置处周期性地触发纤维激光器，由此输出至少一个脉冲入射在该位置，以便在工件中钻出多个贯穿的隔开的通道，所述至少一个脉冲具有选定的光学特性，使得形成在限定通道的外围上的再铸层所具有的厚度以及形成在再铸层中的一个或多个微裂纹所具有的宽度分别地小于0.005″和0.0015″；其中纤维激光器的周期触发包括以在25赫兹和50赫兹之间变化的重复频率在每个位置输出多个脉冲。2.根据权利要求1所述的方法，其中脉冲的输出包括配置均匀或一致的矩形脉冲，每一个矩形脉冲具有0.5至3毫秒之间的脉冲宽度。3.根据权利要求2所述的方法，其中以大致基本模式进行均匀或一致的脉冲的输出，所述基本模式具有大致一致的参数，参数包括M2值、焦点、光斑尺寸和在6千瓦和20千瓦之间的范围的峰值功率。4.一种对工件钻孔的方法，包括：沿着路径在多个预定位置之间相对于彼此可控制地移动工件和单模高功率纤维激光器；和在每一个位置处周期性地触发纤维激光器，由此输出至少一个脉冲入射在该位置，以便在工件中钻出多个贯穿的隔开的通道，所述至少一个脉冲具有选定的光学特性，使得形成在限定通道的外围上的再铸层所具有的厚度以及形成在再铸层中的一个或多个微裂纹所具有的宽度分别地小于0.005″和0.0015″；其中纤维激光器的周期性触发包括每一个位置输出单独一个脉冲，所述一个脉冲被成形和配置以钻出整个通道，并且在每个位置处的所述一个脉冲具有约10毫秒的脉冲宽度、矩形形状、在6千瓦和20千瓦之间变化的峰值功率。5.一...
【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·什叶纳，史蒂文·梅纳德，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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