专利名称：无重铸层微深孔的激光复合加工及修形方法
技术领域：
本发明涉及一种激光复合加工及修形方法，具体涉及一种无重铸层微 深孔的激光复合加工及修形方法。
技术背景燃气轮机是一种将气体或液体燃料(如天然气、燃油)燃烧产生的热 能转化为机械功的旋转式叶轮动力机械装置，广泛应用于能源、航空、交 通、国防等领域，是适应我国能源结构调整和航空工业发展的关键重大装备。高温涡轮叶片处于燃气轮机温度最高(140(TC以上)、应力最复杂、 环境最恶劣的部位，其价值占产品整机的近50%，是燃气轮机中的关键部 件。随着大型燃气轮机推力和推重比要求的不断提高，涡轮前燃气温度不 断提高，涡轮动叶片的冷却技术成为决定燃气轮机性能的关键因素之一。 为形成冷却气膜保护高温下工作的叶片，目前涡轮动叶片上所采用的冷却 措施多为叶身内部有异型孔冷却通道，叶身表面上尤其是在进气边开有密 布小孔的冷却结构形式。因而，叶片表面微深冷却孔群的加工质量也就成 为保证叶片在高温、高速旋转等恶劣环境下使用寿命的关键。燃气轮机的 高温涡动叶片结构非常复杂，由叶型、叶台、叶柄和叶根组成；每个叶片 有数十至数百个冷却孔，孔径一般在O. 25 1. 25mm之间，孔的深度《0. 5mm， 深径比《10;由于高温涡动叶片的苛刻工作环境和工况要求，这些微冷却 孔应该无微观裂纹、无再结晶层，以保证其高速和长寿命可靠地运行。 目前，大约有50余种微小孔加工方法用于不同情况的微小孔加工,而较常用的微小孔加工方法主要包括传统的机械加工(钻削、冲压、研磨 和磨料流)、电火花加工、电解加工、超声加工、电子束加工、离子束加 工和激光加工。在涡轮动叶片微深冷却孔加工中，用的最多的是电火花加 工方法和普通大功率激光加工方法。由于叶片是用高温钛合金等难加工材 料制造，采用电火花加工的微深孔存在加工效率低、成本高、质量不稳定、 加工深度受到限制、盲孔加工时排屑困难等问题，而且所加工的微孔壁存 在一定厚度的重铸层。同样，使用激光加工微深孔虽然也有诸多优点，如 加工材料范围广、加工能力强、加工精度高、生产率高、投资小等。但是， 由电火花和大功率激光器等方法加工出的孔的孔壁光洁度差，有锥度，孔 形圆整度不好，特别是在孔壁上产生重铸层和微裂纹，这成为制约涡轮叶 片微冷却孔加工技术发展的主要因素，因此目前主要用于涡轮静叶片加 工。近年来， 一种超短脉冲激光——飞秒激光以其作用时间短、峰值功率 高、热效应小等特点受到人们的普遍关注。飞秒激光加工就是使激光能量 在飞秒时间内注入加工区域,使加工区域温度迅速升高。由于注入时间极 短，能量来不及扩散，加工区域材料迅速气化并从材料表面喷出。因此， 飞秒激光加工的熔融区很小或没有(优化激光参数后)，所加工的孔洞边 缘较为光滑、轮廓清晰、整齐，且加工表面无重铸层和微裂纹。发明内容本发明的目的在于提供一种使用大功率激光器或者电火花等方法对 涡轮叶片微深冷却孔初步加工之后，再利用飞秒激光对这些微深冷却孔进 行二次精加工去除重铸层与孔边缘修整的无重铸层微深孔的激光复合加 工及修形方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是首先采用大功率激光器、 电火花或其它钻孔方法对涡轮叶片微深冷却孔进行粗加工，孔径所留的精 加工余量大于该加工方法产生的重铸层厚度，再利用飞秒激光按照螺旋式 进给方式对微深冷却孔进行二次精加工和修形。具体步骤如下1) 首先，利用大功率激光器、电火花或其它钻孔方法在涡轮叶片上 孔加工出一个尺寸和精度接近要求值的粗糙孔，孔径所留的精加工余量大 于该加工方法产生的重铸层厚度；2) 采用飞秒激光按照螺旋式钻孔加工方法，使飞秒激光光束与粗糙孔的孔边缘进行接触加工，并同时围绕孔的中心轴线旋转，以实现对该激 光覆盖深度范围内的环形孔内壁上重铸层材料的蚀除；3) 在该层环形孔内壁加工完成之后，将飞秒激光光束向下移动至下 一个加工位置，根据孔径的大小调整光束倾斜的角度并采用长焦距透镜使 焦深变长以减小光束照射范围；4) 如此循环往复，逐步完成对整个冷却孔内壁的精加工和修形，最 终得到尺寸和精度均符合加工要求的微冷却孔。由于本发明首先采用大功率激光器、电火花或其它钻孔方法对涡轮叶 片微深冷却孔进行粗加工，再利用飞秒激光按照螺旋式进给方式对微深冷 却孔进行二次精加工和修形，解决了涡轮叶片微深孔群的高效、高精度加 工的问题。
图1，图2是初加工后孔内壁成分结构示意图； 图3是激光有效加工部分的能量图；图4是飞秒激光光束倾斜角度精加工的示意图； 图5是调焦技术(使用长焦距透镜使焦深变长)图； 图6是复合加工工艺流程示意图； 图7是飞秒^[光精加工修形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参见图l, 2，首先，利用大功率激光器、电火花或其它钻孔方法在涡 轮叶片上孔加工出一个尺寸和精度接近要求值的粗糙孔，参见图3，孑L径 所留的精加工余量大于该加工方法产生的重铸层厚度；采用飞秒激光按照 螺旋式钻孔加工方法并结合图4的倾斜角度加工、与图5中的选用长焦距 透镜来使焦深变长的调焦手段，对粗加工后的粗糙孔内壁进行精加工处 理，去除多余材料和重铸层，最终得到符合加工要求的微冷却孔，参见图 6， 7，其具体过程为使飞秒激光光束与粗糙孔的孔边缘进行接触加工， 并同时围绕孔的中心轴线0旋转，以实现对该激光覆盖深度范围内的环形 孔内壁上重铸层材料的蚀除；在该层环形孔内壁加工完成之后，将飞秒激 光光束向下移动至下一个加工位置，在该过程中，由于随着加工深度的增 加，若光束仍保持原有方式入射，对于小于0. 01,的微深孔，则可能对 已加工好的孔壁造成破坏，本发明采用将光束倾斜一定角度并结合选用长 焦距透镜而使焦深变长以减小光束照射范围的方法，来避免这一情况的发 生；根据孔径的大小调整光束倾斜的角度并采用长焦距透镜使焦深变长以 减小光束照射范围；如此循环往复，逐步完成对整个冷却孔内壁的精加工 和修形，最终得到尺寸和精度均符合加工要求的微冷却孔。
权利要求
1、无重铸层微深孔的激光复合加工及修形方法，其特征在于首先采用大功率激光器、电火花或其它钻孔方法对涡轮叶片微深冷却孔进行粗加工，孔径所留的精加工余量大于该加工方法产生的重铸层厚度，再利用飞秒激光按照螺旋式进给方式对微深冷却孔进行二次精加工和修形。
2、 根据权利要求1所述的无重铸层微深孔的激光复合加工及修形方 法，其特征在于具体步骤如下1) 首先，利用大功率激光器、电火花或其它钻孔方法在涡轮叶片上 孔加工出一个尺寸和精度接近要求值的粗糙 L，孔径所留的精加工余量大 于该加工方法产生的重铸层厚度；2) 采用飞秒激光按照螺旋式钻孔加工方法，使飞秒激光光束与粗糙 孔的孔边缘进行接触加工，并同时围绕孔的中心轴线旋转，以实现对该激 光覆盖深度范围内的环形孔内壁上重铸层材料的蚀除；3) 在该层环形孔内壁加工完成之后，将飞秒激光光束向下移动至下 一个加工位置，根据孔径的大小调整光束倾斜的角度并采用长焦距透镜使 焦深变长以减小光束照射范围；4) 如此循环往复，逐步完成对整个冷却孔内壁的精加工和修形，最 终得到尺寸和精度均符合加工要求的微冷却孔。
全文摘要
无重铸层微深孔的激光复合加工及修形方法。首先，使用大功率激光器或者电火花等方式对涡轮叶片微深冷却孔进行粗加工，孔径所留的精加工余量大于该加工方法产生的重铸层厚度，再利用飞秒激光对微深冷却孔进行二次精加工和修形。当使用飞秒脉冲激光对这些初加工后的微深冷却孔进行精加工修形时，在保证与工件重铸层作用的激光能量高于材料的烧蚀阈值的前提下，按照螺旋式钻孔方式，将光束倾斜一定角度并结合选用长焦距透镜来使焦深变长的方法，对孔内壁的重铸层进行蚀除和修整。这一复合加工方法的思想和具体加工技术将用于解决关于涡轮叶片微深孔群的高效、高精度加工的问题。
文档编号B23K26/38GK101332559SQ20081015038
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者姜歌东, 杨成娟, 梅雪松, 王文君 申请人:西安交通大学