复合脉冲激光打孔方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光打孔领域，尤其涉及一种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激光打孔的方法及装置。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]第一类方法是采用闪光灯栗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，打孔过程特别是在激光脉冲结束后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。但是，激光熔化打孔所需的激光峰值功率较小，在相同的激光脉冲能量下可以去除较多的材料，在较短的时间内达到较深的加工深度，因此，长脉宽脉冲打孔效率较高。
[0004]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。与不加调制的毫秒脉冲相比，短脉宽脉冲激光的峰值功率高，与被加工材料作用时间短，有利于对加工过程的控制。但是由于短脉宽加工过程的等离子体屏蔽问题，短脉宽脉冲激光加工效率很低。
[0005]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，对航空发动机气膜孔打孔进行了对比研究(J.Laser Appl.8，233，1996 ；J.LaserAppl.9, 287, 1997 ；Patent N0.US 6172331 Bl, 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，300纳秒脉宽、重频5千赫的调Q脉冲，间隔为12纳秒的260皮秒脉宽的调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。
[0006]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，以及在实质上是提高短脉宽脉冲的重复频率的双脉冲激光打孔技术，后一种技术原则上属于第二类方法。
[0007]布法罗州立大学的莱涵(C.Lehane)使用复合脉冲进行打孔实验(Appl.Phys.A, 73，45，2001)。该实验使用能量2.5焦脉宽0.15毫秒的短脉宽脉冲相对于能量22.5焦脉宽3.5毫秒的长脉宽脉冲延迟4毫秒至8毫秒条件下，打孔效率明显提高。这种方法属于大能量毫秒脉冲打孔，不能降低热影响区大小和减少进入构件基体的微裂纹条数。
[0008]江苏大学的戴峰泽申请了“一种双脉冲激光系统打孔方法”专利(中国发明专利申请，申请公布号CN 104043906A，2014)。该申请没有定量说明两个脉冲的相对延迟关系。使用长脉宽脉冲熔化和短脉宽脉冲辅助打孔方法，与莱涵的实验一样，实质上属于第一类大能量毫秒脉冲打孔技术。
[0009]亚琛工大的魏泽(K.Walther)和布拉迪克(M.Bra j die)对复合脉冲打孔进行实验研究(Int.J.Adv.Manuf.Tech.35，895，2008 ；0pt.Laser.Eng.46，648，2008)。该实验使用频率20赫兹脉宽0.5毫秒能量0.64焦的灯栗板条激光器的微秒脉冲，与频率10千赫脉宽17纳秒的二极管连续栗浦固体激光器的纳秒脉冲，组成复合脉冲，对不锈钢进行打孔实验。毫秒脉冲是打孔的主脉冲，纳秒脉冲起辅助作用。孔壁上有近100微米深的爆炸坑。这种技术没有明显地改善打孔质量。
[0010]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纳秒的双脉冲打孔方法，可把纳秒或者皮秒脉冲的打孔效率提高1倍，(J.Appl.Phys.98，033302，2005 ；Patent N0.US 6664498B2, 2003)。但这种技术打孔直径很小，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。
[0011]综上所述，第一类大能量长脉宽脉冲激光打孔存在四大问题:一是孔壁周围存在超过100微米厚的再铸层，并且激光与喷溅物以及再铸层相互作用，使得激光加工小孔具有一个深度和深径比的极限；二是再铸层冷却产生的热应力会在再铸层以及基体上产生微裂纹，微裂纹是导致涡轮机扇叶损坏的主要原因；三是激光被金属吸收后，会产生一定的热影响区；四是打孔过程中会出现粘胶层与热障涂层间的分层现象，使得扇叶达不到要求的温度，进一步缩短扇叶的工作寿命。
[0012]第二类短脉宽脉冲打孔方法，在脉宽为50纳秒至500纳秒范围内，不能明显减小再铸层厚度，当脉宽小于10纳秒，打孔效率变得极低。
[0013]已提出的联合使用毫秒脉冲激光器和纳秒脉冲激光器打孔的第三类复合脉冲方法，采用微秒脉冲为主脉冲，纳秒脉冲为辅助脉冲，孔壁有氧气爆炸式排出残渣而造成的凹坑，超过70微米的较厚再铸层。
【发明内容】
[0014]本发明实施例提供一种复合脉冲激光打孔方法及装置，以提升激光打孔质量并提高打孔效率。
[0015]为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种复合脉冲激光打孔方法，包括:产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量，使其等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热；将所述短脉宽脉冲和长脉宽脉冲通过组束装置进行组束，构成高重频复合脉冲；将所述高重频复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
[0016]进一步地，所述长脉宽脉冲的重频与所述短脉宽脉冲的脉冲列间的重频相等，等于或大于1赫兹。
[0017]进一步地，所述长脉宽脉冲的脉宽等于或大于所述短脉宽脉冲列内脉冲重频倒数的10倍。
[0018]进一步地，所述短脉宽脉冲列和长脉宽脉冲的激光波长等于或小于1.064微米。
[0019]进一步地，所述短脉宽脉冲列和长脉宽脉冲的激光波长等于或小于0.532微米。
[0020]进一步地，所述构成的高重频复合脉冲中至少包括一种短脉宽的脉冲列，相邻两个短脉宽脉冲列的相对延迟为10纳秒至0.5微秒，相对定时抖动小于5纳秒。
[0021]进一步地，所述短脉宽脉冲列的首脉冲前沿相对于所述长脉宽脉冲的前沿同步对齐，定时抖动小于1微秒，相对延迟为0至100微秒。
[0022]为了达到上述目的，本发明实施例还提供了一种复合脉冲激光打孔装置，包括:短脉宽脉冲列激光谐振腔，用于产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；长脉宽脉冲激光谐振腔，用于产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量，使其等于或大于所述短脉宽脉冲列打孔过程中小孔侧壁与孔底的熔流层厚度熔化所需的熔化热；组束装置，用于将所述短脉宽脉冲和长脉宽脉冲进行组束，构成高重频复合脉冲；引导整形装置，用于将所述高重频复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。
[0023]本发明实施例的复合脉冲激光打孔方法及装置，吸取了纳秒脉冲列加工小孔熔流层较薄，而微秒脉冲补偿了纳秒脉冲的熔流时间以及在孔壁上损失的能量的特性，使得熔化的残渣可以有效地喷出孔外，故可以高效地并且高质量地加工航空发动机构件上的气膜孔，并可以有效地降低涡轮叶片气膜孔最大再铸层厚度最小到11.5微米，且提高短脉宽脉冲的打孔速率1倍左右。
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本发明实施例的复合脉冲激光打孔方法的处理流程图；
[0026]图2为本发明实施例的复合脉冲同步叠加的方法示意图；
[0027]图3为本发明实施例的复合脉冲延迟叠加的方法示意图；
[0028]图4为本发明实施例的双短脉宽脉冲列复合脉冲延时叠加的方法示意图；
[0029]图5为本发明实施例的复合脉冲激光打孔装置的结构示意图；
[0030]图6为本发明的复合脉冲激光打孔装置的一具体实施例的结构示意图；
[0031]图7为本发明的复合脉冲激光打孔装置的另一具体实施例的结构示意图；
[0032]图8为本发明实施例的复合脉冲同步叠加的一实验结果图；
[0033]图9为本发明的仅使用短脉宽脉冲列打孔的入口处的一金相实验结果图；
[0034]图10为本发明的使用复合脉冲打孔的入口处的一金相实验结果图；
[0035]图11为图10的一局部放大图。
【具体实施方式】
[0036]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]本发明的原理:纳秒脉冲列加工小孔熔流层较薄，而微秒脉冲可以补偿纳秒脉冲的熔流时间以及在孔壁上损失的能量，使得熔化的残渣可以有效地喷出孔外。即:将纳秒级脉宽的高重频短脉宽脉冲列作为主脉冲，毫秒级脉宽的长脉宽脉冲作为辅助脉冲，构成一种特别有效的高质量小孔的激光解决方案。
[0038]在本发明中，该激光打孔技术主要应用在航空发送机构件上，构件包括具有热障涂层的涡轮叶片。
[0039]图1为本发明实施例的复合脉冲激光打孔方法的处理流程图。如图1所示，包括:步骤S102，产生短脉宽脉冲，所述短脉宽脉冲由短脉宽脉冲列构成，所述短脉宽脉冲列的脉宽小于或等于500纳秒，脉冲列内的脉冲重频等于或大于100千赫，单脉冲能量等于或小于100毫焦；步骤S104，产生长脉宽脉冲，并调整所述长脉宽脉冲能量，使其等于或大于所