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(yīng)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(yù)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(lǐng)域，Nd:YAG脈沖激光器更是占據(jù)著主導(dǎo)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?；虻臀徊僮鳎┓矫婢酗@著的改善，且無需預(yù)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(yīng)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(yīng)用需求。
航空領(lǐng)域的鉆孔需求
航空領(lǐng)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?？椎暮穸取⒔嵌?、直徑、形狀各不相同。在航空領(lǐng)域鉆孔應(yīng)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(yīng)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(lǐng)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(lǐng)域鉆孔應(yīng)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(dǎo)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(fù)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(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(yīng)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(shè)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(yīng)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(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(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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