OFweek激光網(wǎng)訊：在過(guò)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(shí)間甚至已經(jīng)超過(guò)30年。其中，波長(cháng)為1070nm的脈沖激光器應用最為廣泛，比如醫療器械、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(jìn)，比如峰值功率高，但平均功率低，電效率不高，功率提升時(shí)光束質(zhì)量不穩定，聚焦光斑尺寸近似高斯光束，在獲得穩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(cháng)一段時(shí)間里發(fā)揮著(zhù)重要的作用。在航空領(lǐng)域，Nd:YAG脈沖激光器更是占據著(zhù)主導地位，廣泛用于各種器件的冷卻孔加工。

　　光纖激光工藝
　　2009年初，從事材料加工行業(yè)的人開(kāi)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激光器，這類(lèi)激光器峰值功率一般可達到3kW，平均功率300W。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20kW，平均功率2kW，以及超高功率連續激光器已經(jīng)問(wèn)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。
　　相較于傳統的Nd:YAG激光器，光纖激光器在電光轉換效率及光束亮度（單�；虻臀徊僮鳎┓矫婢�有顯著(zhù)的改善，且無(wú)需預熱，功率改變時(shí)，無(wú)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定如一，同時(shí)，脈沖頻率更高，參數的實(shí)時(shí)調節性能也更強。由于光纖激光器利用的是單個(gè)發(fā)射器激發(fā)，所以在可靠性、功率穩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。

   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，也可以對現有生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行升級，所以正在占據越來(lái)越多的市場(chǎng)份額。之前所有使用Nd:YAG激光器的生產(chǎn)系統都能轉換為光纖激光器。隨著(zhù)市場(chǎng)需求的發(fā)展，現在已有峰值功率達到20kW高功率光纖激光器可供選擇（見(jiàn)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(lǐng)域的鉆孔需求
　　航空領(lǐng)域無(wú)疑是又一個(gè)因光纖激光器而獲益匪淺的行業(yè)。在現在航空業(yè)中，一個(gè)渦輪引擎可能會(huì )有多達數百萬(wàn)計個(gè)孔，這些孔主要用于幫助器件在運轉過(guò)程中及時(shí)散熱�？椎暮穸�、角度、直徑、形狀各不相同。在航空領(lǐng)域鉆孔應用中，新型光纖激光器是一種更快，更靈活、更穩定，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，在圓形范圍內移動(dòng)光束形成鉆孔（套孔）�？偟膩�(lái)說(shuō)，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0.015–0.030in（如圖2所示）。

圖2：脈沖鉆孔，左側孔徑為0.010in，右側孔徑為0.030in

    航空領(lǐng)域還有一個(gè)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(gè)扇形孔。有一點(diǎn)很重要，就是在鉆扇形孔時(shí)，需要避免熱障涂層的剝離，而現在絕大多數器件上都有熱障涂層。

    圖3：連接限流孔的A.030in扇形孔

    航空領(lǐng)域鉆孔應用——光纖激光器
　　與Nd:YAG脈沖激光器相比，光纖激光器的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。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域的蒸發(fā)閾值，這部分能量會(huì )使材料熔化，導致熱障涂層剝離。要達到重鑄層的規格要求，脈沖周期必須小于1ms。在這一點(diǎn)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10ms脈沖就能滿(mǎn)足航空器件對于重鑄層和裂化的規格要求。
　　我們用燃燒室來(lái)舉例說(shuō)明。使用脈沖鉆孔時(shí)，燃燒室會(huì )在鉆孔的過(guò)程中同步旋轉數圈，在這種情況下，鉆透需要5個(gè)脈沖，另外再用2個(gè)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(gè)長(cháng)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(lái)的10倍。無(wú)論是單個(gè)或兩個(gè)長(cháng)脈沖，還是多重脈沖，都能獲得相同的鉆孔質(zhì)量。另外，光纖激光器還能調節鉆透時(shí)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(diǎn)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(guò)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(gè)特性，光纖激光器在鉆孔時(shí)效率更高，熱損傷更少。熱損傷少了，涂層剝離及重鑄層均會(huì )隨之改善。
　　Nd:YAG激光器之所以曾經(jīng)備受關(guān)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(zhù)功率的升高或降低改變，只要經(jīng)過(guò)重新調焦，就能達到所需孔徑。有的Nd:YAG激光器集成了內調焦望遠鏡，用于改變光束的發(fā)散角，但是這種調整需要操作人員具有極高的專(zhuān)業(yè)度，耗時(shí)，還要有正確的參數，所以很多人不看好這種方法。在這一點(diǎn)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(shí)均不會(huì )發(fā)生改變，而且，如果在系統中置入一個(gè)可縮放的望遠鏡，就能夠在飛行鉆孔時(shí)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(shí)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(kāi)始鉆孔時(shí)用低功率、短脈沖，然后根據特定的鉆孔需求，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(shí)，調整光斑尺寸及脈沖周期（低至10μs），所以只用一臺機器就夠了。
　　使用套孔技術(shù)時(shí)，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(shí)，光纖激光器還能轉換為功率高達2kW的連續輸出，實(shí)現高速切割。對于某些燃燒室設計而言，這一數據還能進(jìn)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。
　　航空領(lǐng)域鉆孔應用——生產(chǎn)系統
　　光纖激光器的另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢就是易于與現有機器或是機器人系統整合。光纖激光器的能量傳輸是通過(guò)光纜實(shí)現的，所以無(wú)論是現有系統升級，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(guò)編程實(shí)現精準控制，這樣人們就可以建立一種新的鉆孔系統，用較少的資本投入，獲得機器人系統的高度靈活性。此外，將機器人與六軸系統相結合，也能滿(mǎn)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的開(kāi)發(fā)，現有生產(chǎn)線(xiàn)的升級等等。
　　長(cháng)脈沖光纖激光器能夠顯著(zhù)改善冷卻孔的參數，因此獲得了航空領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。使用光纖激光器鉆孔，速度更快，質(zhì)量更高，孔的性狀更統一，操作成本更低，還能形成一些過(guò)去無(wú)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(cháng)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)系統中，而這種需求也必將推動(dòng)著(zhù)光纖激光工藝進(jìn)一步發(fā)展。