[发明专利]环形复合脉冲激光打孔方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光打孔领域，尤其涉及一种环形复合脉冲激光打孔方法及装置，特别是一种用于航空发动机构件的环形复合脉冲激光打孔的方法及装置。

背景技术

已知目前现有的各种特别是使用特定激光装置的用于在上述构件中打孔的方法，按照激光的脉宽大致可以分为三类。

第一类方法是采用闪光灯泵浦的毫秒脉冲激光器。这种激光器产生脉宽较长的大能量长脉宽脉冲，脉宽一般不小于0.1毫秒，例如1毫秒；能量一般在1焦和300焦之间，例如10焦。长脉宽脉冲激光打孔产生较大的熔流，过程难以控制，会产生较厚的再铸层与扩展到基体上的微裂纹。

另一类方法是采用激光谐振腔内置有调Q开关的纳秒脉冲激光器以及锁模元件的激光器产生的短脉宽脉冲。这种激光器产生的脉宽非常短，远小于1微秒，例如10纳秒。短脉宽脉冲的另一个含义是仅仅与长脉宽脉冲相对而言。

通用电气公司研发中心的陈湘立(Xiangli Chen)，使用1064纳米波长的毫秒、纳秒脉冲激光，对航空发动机气膜孔打孔进行了对比研究(J.Laser Appl.8(5),233,1996；J.Laser Appl.9(6),287,1997；Patent No.US 6172331B1,2001)。实验中使用了金属间单晶镍铝(NiAl)与单晶镍基(N5)两种高温合金。微秒脉冲列打孔的再铸层厚度20微米至50微米，常规微秒脉冲打孔的再铸层厚度20微米至250微米。微秒脉冲列可以降低再铸层厚度，“但是不能减轻有害的微裂纹问题”。使用了两种短脉宽脉冲形式，脉宽300纳秒重频5千赫的调Q脉冲；以及脉宽260皮秒的脉冲间隔为12纳秒的调Q/锁模脉冲。高温合金N5再铸层厚度为10微米至130微米，“与长脉宽脉冲列相比并没有明显的优点”；高温合金NiAl的微裂纹被局限在再铸层附近，最大再铸层75微米。

北京航空制造所的张晓兵研究了纳秒脉冲列对高温合金再铸层的影响(100纳秒至700纳秒脉冲列YAG激光加工镍基合金小孔,应用激光,25(2),90,2005)。使用脉宽250纳秒单脉冲能量18毫焦、脉冲列中脉冲重频30千赫、脉冲列重频2赫兹的短脉冲列打孔。实验发现对于2毫米厚的定向结晶镍基合金DZ125试件，小孔为入口直径250微米出口直径40微米的锥形孔，比小孔入口直径120微米的1毫米厚的试件，入口直径增大1倍。小孔入口再铸层较厚，而出口再铸层较薄。这是由于纳秒脉冲持续时间很短，孔壁能量的损耗，使得熔流还没有完全喷出就凝结在出口附近。

伯尔尼大学的万奥曼(M.von Allmen)指出，纳秒脉冲激光打孔，“由于等离子体的横向膨胀，从等离子体传递到靶体的能量分布在一个比光斑大得多的面积上”，即熔坑直径远远大于光束聚焦的光斑直径(Laser-Beam Interactions with Materials,Springer,p.181,1987)。

改善短脉宽脉冲打孔熔流的一个技术措施是提高脉冲重频。通用原子公司的弗斯曼(A.C.Forsman)提出双脉冲间隔70纳秒脉冲能量1.2毫焦脉宽4纳秒重频10千赫的双脉冲打孔，可提高1倍的纳秒或者皮秒脉冲的打孔效率，(J.Appl.Phys.98(3)，033302,2005；Patent No.US 6664498B2,2003)。这实际上等价于重频为14.3兆赫的脉冲列以10千赫的频率打孔。但这种技术使用1.2毫焦的脉冲打孔，打孔直径很小，效率仍然很低，只适合微加工，不适合于加工涡轮叶片气膜孔。

亚琛工大的冯格(J.Finger)研究了高重频皮秒脉冲打孔(Opt.Express 22(15),18790,2014)。使用脉宽10皮秒最高重频10兆赫的激光器，在重频超过2兆赫时烧蚀速率明显加快，但是出现熔流。“加工质量的降低，是由于明显的再铸层的形成”。这类技术的特点是，单脉冲能量非常小，抑制了等离子体的横向膨胀导致的孔径扩大，打出的小孔直径很小。微焦级的高重频打孔技术适用于环转打孔，不能采用冲击打孔方式在构件上打出所需直径的小孔。

提高短脉宽脉冲的重频，即提高能流密度以后，应考虑等离子体的扩张对孔壁的烧蚀效应以及由于能量扩散损失产生的再铸层。高能流密度短脉宽脉冲打孔要解决的技术难题是，控制等离子体横向膨胀产生的熔流。

为了兼顾使用长脉宽脉冲打孔效率高以及短脉宽脉冲的高峰值功率打孔的特性，出现了同时使用长脉宽脉冲和短脉宽脉冲进行打孔的第三类复合脉冲激光打孔技术。