在過去幾十年里，Nd:YAG脈沖激光器一直是材料加工的主力軍，其中相當一部分機器的使用時間甚至已經(jīng)超過30年。其中，波長為1070 nm的脈沖激光器應用最為廣泛，比如醫(yī)療器械、航空、電子等等。盡管如此，在某些方面，這種激光器仍有待改進，比如峰值功率高，但平均功率低，電效率不高，功率提升時光束質(zhì)量不穩(wěn)定，聚焦光斑尺寸近似高斯光束，在獲得穩(wěn)定輸出之前需要幾輪脈沖預熱等等。然而，縱有種種不盡如人意，這種激光器還是在相當長一段時間里發(fā)揮著重要的作用。在航空領域，Nd:YAG脈沖激光器更是占據(jù)著主導地位，廣泛用于各種器件的冷卻孔加工。
為何選擇光纖激光器
2009年初，從事材料加工行業(yè)的人開始將目光投向那些能夠提供高峰值功率的脈沖激光器，以及具有較高功率水平的連續(xù)激光器，這類激光器峰值功率一般可達到3 kW，平均功率300 W。技術(shù)的飛躍催生出更高的峰值功率及平均功率。如今，峰值功率高達20 kW，平均功率2 kW，以及超高功率連續(xù)激光器已經(jīng)問世。功率的不斷更新?lián)Q代，將光纖激光器推上了航空器件加工的舞臺。
相較于傳統(tǒng)的Nd:YAG激光器，光纖激光器在電光轉(zhuǎn)換效率及光束亮度（單模或低位操作）方面均有顯著的改善，且無需預熱，功率改變時，無論是平頂模式（如圖1所示），還是高斯模式，光斑直徑始終保持穩(wěn)定如一，同時，脈沖頻率更高，參數(shù)的實時調(diào)節(jié)性能也更強。由于光纖激光器利用的是單個發(fā)射器激發(fā)，所以在可靠性、功率穩(wěn)定性及靈活性方面較閃光燈泵浦激光器而言，有了質(zhì)的飛躍。
圖1：平頂模式
鑒于光纖激光器的應用方式靈活多樣，不僅可以作為新機安裝，也可以對現(xiàn)有生產(chǎn)線進行升級，所以正在占據(jù)越來越多的市場份額。之前所有使用Nd:YAG激光器的生產(chǎn)系統(tǒng)都能轉(zhuǎn)換為光纖激光器。隨著市場需求的發(fā)展，現(xiàn)在已有峰值功率達到20 kW高功率光纖激光器可供選擇（見下表）。
上述峰值功率及平均功率已經(jīng)可以覆蓋從微加工到大型加工，從微鉆孔到大型鉆孔，薄厚板材切割，深雕等多種應用需求。
航空領域的鉆孔需求
航空領域無疑是又一個因光纖激光器而獲益匪淺的行業(yè)。在現(xiàn)在航空業(yè)中，一個渦輪引擎可能會有多達數(shù)百萬計個孔，這些孔主要用于幫助器件在運轉(zhuǎn)過程中及時散熱?？椎暮穸?、角度、直徑、形狀各不相同。在航空領域鉆孔應用中，新型光纖激光器是一種更快，更靈活、更穩(wěn)定，也更具成本優(yōu)勢的選擇。
生產(chǎn)航空器件冷卻孔主要有兩種方式：一種是利用多重脈沖，依據(jù)所需孔徑形成鉆孔（脈沖鉆孔）；另一種是利用小光斑，在圓形范圍內(nèi)移動光束形成鉆孔（套孔）。總的來說，套孔速度慢，但形狀更完美。在某些應用中，只能選擇套孔，這些孔通常直徑為0.015–0.030 in（如圖2所示）。
圖2：脈沖鉆孔，左側(cè)孔徑為0.010 in，右側(cè)孔徑為0.030 in
航空領域還有一個特殊的鉆孔需求，就是連接限流孔的扇形孔（如圖3所示）。這些扇形孔是冷卻空氣的出口，目的是將同等流量的空氣分流至更大的范圍，以達到更好的冷卻效果。目前，生產(chǎn)扇形孔的工藝主要有以下幾種：第一種是小光斑調(diào)Q激光器+掃描儀。掃描儀用于掃描限流孔出口處的形態(tài)。使用這種方法加工扇形孔，需要兩臺機器分頭操作；第二種方法是縮小光斑尺寸創(chuàng)造錐度，然后利用CNC套形，但是這種方法比搭載掃描儀的“二步法”慢得多；第三種方法是利用EDM鉆孔技術(shù)，在形成限流孔后再增加一個扇形孔。有一點很重要，就是在鉆扇形孔時，需要避免熱障涂層的剝離，而現(xiàn)在絕大多數(shù)器件上都有熱障涂層。
圖3：連接限流孔的A .030 in扇形孔
光纖激光器在航空領域鉆孔應用
與Nd:YAG脈沖激光器相比，光纖激光器的優(yōu)勢顯而易見。首先，光纖激光器的泵浦源是二極管而非閃光燈，所以能夠形成完美的方波；其次，采用閃光燈泵浦的Nd:YAG激光器升降較慢，所以總有一部分激光能量低于目標區(qū)域的蒸發(fā)閾值，這部分能量會使材料熔化，導致熱障涂層剝離。要達到重鑄層的規(guī)格要求，脈沖周期必須小于1 ms。在這一點上，光纖激光器擁有絕對優(yōu)勢，因為它能夠產(chǎn)生方波波形，所以使用10 ms脈沖就能滿足航空器件對于重鑄層和裂化的規(guī)格要求。
我們用燃燒室來舉例說明。使用脈沖鉆孔時，燃燒室會在鉆孔的過程中同步旋轉(zhuǎn)數(shù)圈，在這種情況下，鉆透需要5個脈沖，另外再用2個脈沖形成扇形孔。通常這種激光器最大的重復頻率是10 脈沖/秒。而光纖激光器用1個長脈沖就能形成扇形孔，如果采用與Nd:YAG激光器相同的脈沖周期和脈沖能量，則速度可以達到原來的10倍。無論是單個或兩個長脈沖，還是多重脈沖，都能獲得相同的鉆孔質(zhì)量。另外，光纖激光器還能調(diào)節(jié)鉆透時與鉆透后的脈沖周期，而不是一直使用多重脈沖，這樣有利于避免損壞本體。
光纖激光器的特點是可以以平頂模式輸出，而Nd:YAG激光器則為近似高斯模式。所以，得益于平頂模式，前者全部能量均超過蒸發(fā)閾值，而后者則有相當一部分在閾值之下。研究顯示，在相同條件下達到相同鉆孔效果，光纖激光器所需耗費的能量更少，究其原因，就是方波+平頂模式。也正是因為這個特性，光纖激光器在鉆孔時效率更高，熱損傷更少。熱損傷少了，涂層剝離及重鑄層均會隨之改善。
Nd:YAG激光器之所以曾經(jīng)備受關注，其原因之一就是獨特的光束發(fā)散屬性，其光斑尺寸能隨著功率的升高或降低改變，只要經(jīng)過重新調(diào)焦，就能達到所需孔徑。有的Nd:YAG激光器集成了內(nèi)調(diào)焦望遠鏡，用于改變光束的發(fā)散角，但是這種調(diào)整需要操作人員具有極高的專業(yè)度，耗時，還要有正確的參數(shù)，所以很多人不看好這種方法。在這一點上，光纖激光器正好相反，因為其聚焦形狀為完美的圓形，所以在功率升高或降低時均不會發(fā)生改變，而且，如果在系統(tǒng)中置入一個可縮放的望遠鏡，就能夠在飛行鉆孔時直接改變聚焦光斑的大小。范圍通常為3-1。
光纖激光器的靈活性遠在Nd:YAG激光器之上，這主要是由于前者的高應答二極管能夠在飛行鉆孔時改變脈沖周期和功率大小，使操作人員能夠利用不同的功率大小及脈沖周期，創(chuàng)建所需的脈沖序列。比如，在開始鉆孔時用低功率、短脈沖，然后根據(jù)特定的鉆孔需求，按照序列提高功率和脈沖。由于光纖激光器能夠在提供千瓦級高峰值功率的同時，調(diào)整光斑尺寸及脈沖周期（低至10 μs），所以只用一臺機器就夠了。
使用套孔技術(shù)時，光纖激光器的加工速度能達到燈泵浦Nd:YAG脈沖激光器的10倍。不僅如此，飛行鉆孔時，光纖激光器還能轉(zhuǎn)換為功率高達2 kW的連續(xù)輸出，實現(xiàn)高速切割。對于某些燃燒室設計而言，這一數(shù)據(jù)還能進一步提升。綜上所述，脈沖光纖激光器是切割較厚板材以及高速鉆孔應用的理想選擇。
光纖激光器與生產(chǎn)系統(tǒng)
光纖激光器的另一個顯著優(yōu)勢就是易于與現(xiàn)有機器或是機器人系統(tǒng)整合。光纖激光器的能量傳輸是通過光纜實現(xiàn)的，所以無論是現(xiàn)有系統(tǒng)升級，還是全新安裝，都很容易。連接光纖激光器的工業(yè)機器人能夠通過編程實現(xiàn)精準控制，這樣人們就可以建立一種新的鉆孔系統(tǒng)，用較少的資本投入，獲得機器人系統(tǒng)的高度靈活性。此外，將機器人與六軸系統(tǒng)相結(jié)合，也能滿足航空器件工業(yè)鉆孔對精確度的需求。直到今天，一些大型企業(yè)仍在不斷深入研究，包括多軸機器及機器人系統(tǒng)的開發(fā)，現(xiàn)有生產(chǎn)線的升級等等。
長脈沖光纖激光器能夠顯著改善冷卻孔的參數(shù)，因此獲得了航空領域的廣泛關注。使用光纖激光器鉆孔，速度更快，質(zhì)量更高，孔的性狀更統(tǒng)一，操作成本更低，還能形成一些過去無法形成的幾何形狀或效果。引擎生產(chǎn)商已經(jīng)充分意識到長脈沖光纖激光器的種種優(yōu)勢，并將其引入不同引擎器件的生產(chǎn)系統(tǒng)中，而這種需求也必將推動著光纖激光工藝進一步發(fā)展。
作者: Bill Shiner, IPG光子公司工業(yè)市場副總裁
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