[发明专利]高功率纤维激光器泻流孔钻孔装置和使用该装置的方法

说明书

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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，如激光技术领域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O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。

发明内容

通过本发明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″。