一种燃气轮机叶片的激光钻孔装置及方法与流程

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种燃气轮机叶片的激光钻孔装置及方法。

背景技术：

随着人们对生存环境要求的提高，在能源生产利用方面，燃气轮机发电技术的应用越来越受到人们的重视。在中国，西气东输工程的实施以及焦炭行业的发展，使得越来越多的煤气产出单位迫切需要寻找能源有效利用的新途径，采用燃气轮机发电成为焦炉煤气应用的最佳选择之一。

为了优化复循环发电机组的能力和效率,涡轮机入口温度必须尽可能高。这将提高火焰的温度，进而导致产生的NOx排放物的增长将超标。因此设计者不得不寻找燃烧室和涡轮机的结构特点，这些特点使之保留冷却空气以作为助燃空气。这对较高温度和较少冷却空气的需求的结合在复杂周期或蒸汽冷却里引入了其它的概念。

传统的叶片钻孔方法是使用机械刀头或电火花加工，机械刀头钻孔这种方法容易造成材料基底损伤，裂纹也较大，效率较慢，刀头非常贵且易磨损，需定期更换；电火花加工，虽比机械刀头钻孔精度高些，但是在实际加工中会对叶片表面特意溅射的陶瓷材料产生破坏，导致废片，缩短叶片的使用寿命。而且这些钻孔工序往往伴随着切割辅助剂，液态辅助剂的黏附问题，使得切割切面比较粗糙，存在微细的裂纹和局部应力。切割后还必须进行清洗、抛光等后处理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种燃气轮机叶片的激光钻孔装置，克服传统的叶片钻孔方法对叶片造成损坏的缺陷。

为此目的，本发明提出了一种燃气轮机叶片的激光钻孔装置，包括：控制系统、红外探测系统和钻孔系统；所述钻孔系统包括：用于发射红外脉冲激光的红外激光器以及依次设置的聚焦镜、振镜和远心场镜；所述红外脉冲激光经过依次设置的聚焦镜、振镜和远心场镜后聚焦在所述燃气轮机叶片表面；

所述红外探测系统用于在所述控制系统的控制下，对燃气轮机叶片表面的轮廓进行扫描；

所述控制系统用于根据所述燃气轮机叶片表面的轮廓，控制所述振镜的偏转角以及控制所述振镜和远心场镜在竖直方向上移动，以调整聚焦在所述燃气轮机叶片表面的焦点的位置，对所述燃气轮机叶片表面的指定位置进行钻孔。

优选的，所述聚焦镜绕其所在的光轴旋转，经过所述聚焦镜出射的所述红外脉冲激光绕所述光轴旋转。

优选的，所述钻孔系统还包括：与所述红外激光器的输出端衔接的光闸、与所述光闸的输出端衔接的扩束镜、与所述扩束镜的输出端衔接的反射镜；

所述红外脉冲激光经过依次设置的所述光闸、扩束镜、反射镜后进入所述聚焦镜。

优选的，该装置还包括：样品固定平台、分别设置在所述样品固定平台两侧的吹气系统和集尘系统；

所述吹气系统用于吹出气体；所述集尘系统与所述吹气系统相配合，用于收集所述吹气系统吹出的经过所述样品固定台的气体。

优选的，所述燃气轮机叶片的表面涂有保护胶，所述燃气轮机叶片的内部填充有特氟隆材料。

另一方面，本发明实施例还提供了一种采用上述任意一种所述的燃气轮机叶片的激光钻孔装置对燃气轮机叶片进行激光钻孔的方法，该方法包括：

控制红外探测系统对所述燃气轮机叶片表面的轮廓进行扫描；

控制红外激光器发射红外脉冲激光；其中，所述红外脉冲激光经过依次设置的聚焦镜、振镜和远心场镜后聚焦在所述燃气轮机叶片表面；

根据所述燃气轮机叶片表面的轮廓，控制振镜的偏转角以及控制所述振镜和远心场镜在竖直方向上移动，以调整聚焦在所述燃气轮机叶片表面的焦点的位置，对所述燃气轮机叶片表面的指定位置进行钻孔。

优选的，所述聚焦镜绕其所在的光轴旋转，经过所述聚焦镜出射的所述红外脉冲激光绕所述光轴旋转。

优选的，所述红外脉冲激光经过依次设置的光闸、扩束镜、反射镜后进入所述聚焦镜。

优选的，在对所述燃气轮机叶片表面的指定位置进行钻孔的同时，还包括：

通过设置在样品固定平台一侧的吹气系统吹出气体；

通过设置在所述样品固定平台另一侧的与所述吹气系统相配合集尘系统，收集所述吹气系统吹出的经过所述样品固定台的气体。

优选的，在对燃气轮机叶片表面的轮廓进行扫描之前，还包括：

在所述燃气轮机叶片的表面涂覆保护层，并在所述燃气轮机叶片的内部填充特氟隆材料。

本发明实施例提供的燃气轮机叶片的激光钻孔装置和方法，通过高功率的红外激光器发射红外脉冲激光，并借助于红外探测系统对叶片表面区域进行扫描并反馈到控制系统，由控制系统根据扫描结果控制振镜的位置，从而调整焦点的位置，以使得所加工的叶片表面都在高功率的红外激光焦点上，使得叶片表面孔型尺寸和孔位置精确控制，以达到钻孔孔壁面较为光滑，钻孔后叶片强度保持较高，孔型尺寸和位置保持较高水准的加工效果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供了一种燃气轮机叶片的激光钻孔装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供了一种燃气轮机叶片的激光钻孔方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

需要说明的是，传统的燃气轮机叶片钻孔采用机械刀头和电火花加工，会对加工材料的基底造成损伤或者对叶片表面的陶瓷材料造成破坏，导致废片或者缩短叶片的使用寿命，在钻孔后还需进行清洗抛光等处理工序。本发明实施例采用激光钻孔可以避免这些问题的出现，而且激光具有非接触、不污染环境、易控制等特性。首先，燃气轮机叶片是含镍基的耐高温的金属材料，强度和硬度较高，传统的机械加工和电火花加工并不适宜加工。其次，激光作为一种新颖的加工方法，对材料的适用性比较强，适合不同曲面的叶片表面加工；而高功率的脉冲激光所产生瞬时峰值功率极强，能瞬间将叶片表面基体材料去除，而对基底材料伤害较小。所以本发明实施例采用红外激光器作为激光源进行叶片钻孔，借助于外部光学系统，在独特的聚焦装置下，来实现一种新颖的激光对叶片表面钻孔的手段。

如图1所示，本发明实施例提供了一种燃气轮机叶片的激光钻孔装置，该装置包括：控制系统、红外探测系统8和钻孔系统；所述钻孔系统包括：用于发射红外脉冲激光的红外激光器1以及依次设置的聚焦镜5、振镜6和远心场镜7；所述红外脉冲激光经过依次设置的聚焦镜5、振镜6和远心场镜7后聚焦在所述燃气轮机叶片表面；

所述红外探测系统8用于在所述控制系统的控制下，对燃气轮机叶片表面的轮廓进行扫描；

所述控制系统用于根据所述燃气轮机叶片表面的轮廓，控制所述振镜6的偏转角以及控制所述振镜6和远心场镜7在竖直方向上移动，以调整聚焦在所述燃气轮机叶片表面的焦点的位置，对所述燃气轮机叶片表面的指定位置进行钻孔。

需要说明的是，燃气轮机叶片是对红外吸收率较高的含镍基的耐高温的高硬质的金属材料，耐高温镍基金属类材料强烈吸收波长1064nm的红外脉冲激光，所以本发明实施例可以采用吸收率较高的波长为1064nm的红外脉冲激光器，从而几乎所有的激光能量都能将燃气轮机叶片表面所吸收。同时，激光焦点能够相对于所加工燃气轮机叶片表面孔型高速上下移动且光束能高速旋转，激光焦点会形成所需要的钻孔切割线，将会使得激光焦点沿着固定的切割道向下进阶，直至最终完成燃气轮机叶片的打孔。激光光轴再移动至下一叶片孔型方向，如此反复完成叶片表面孔型的加工。

具体的，待加工的燃气轮机叶片固定的样品固定平台上，并借助于红外探测系统8对燃气轮机叶片表面区域进行扫描并将扫描结果反馈到控制系统。控制系统控制红外激光器1发射红外脉冲激光，并根据扫描得到的燃气轮机表面的轮廓形状，通过控制振镜6电机驱动振镜6发生偏转，振镜6包括X轴振镜6和Y轴振镜6，通过改变X轴振镜6和Y轴振镜6的偏转角，均可以改变经过远心场镜7后聚焦在燃气轮机叶片表面的焦点的位置，通过控制振镜6和远心场镜7在Z轴方向上下移动，从而可以使焦点上下移动，以保证所加工的叶片表面都在高功率的红外激光焦点上，进而实现高能量的红外脉冲激光对叶片的精确钻孔。其中，红外脉冲激光经过聚焦镜5聚焦后，形成圆形光斑，在经过振镜6和远心场镜7后，使光路在叶片上聚焦成更小的光斑，从而使能量更高、密度更高的激光聚焦到所需加工区域。

本发明实施例提供的燃气轮机叶片的激光钻孔装置，通过高功率的红外激光器发射红外脉冲激光，并借助于红外探测系统对叶片表面区域进行扫描并反馈到控制系统，由控制系统根据扫描结果控制振镜的位置，从而调整焦点的位置，以使得所加工的叶片表面都在高功率的红外激光焦点上，使得叶片表面孔型尺寸和孔位置精确控制，以达到钻孔孔壁面较为光滑，钻孔后叶片强度保持较高，孔型尺寸和位置保持较高水准的加工效果。

在上述实施例的基础上，所述聚焦镜5绕其所在的光轴旋转，经过所述聚焦镜5出射的所述红外脉冲激光绕所述光轴旋转，从而使光束高速旋转，形成所需要的钻孔切割线。进一步的，所述钻孔系统还包括：与所述红外激光器1的输出端衔接的光闸2、与所述光闸2的输出端衔接的扩束镜3、与所述扩束镜3的输出端衔接的反射镜4；所述红外脉冲激光经过依次设置的所述光闸2、扩束镜3、反射镜4后进入所述聚焦镜5。

光路传输中光闸2起到激光通断的外部控制，不处于加工状态时可对激光进行阻拦，也起到一定的保护作用，防止操作人员受到意外伤害。扩束镜3的放大倍率从5～10倍可调，其作用是将激光光束的直径扩大到之前的5-10倍并进行准直，使出射光束的平行度更佳，有利于将光束在后续的系统中进行聚焦。该反射镜4为45°全反射镜，反射镜4主要起到光路偏转的作用，反射镜4与扩束镜3之间的距离没有特定的限制，但是其位置在机械设计时镜片的中心尽量保持水平一致或是垂直一致(图1中光路转角为直角，实现垂直改向)，以方便光路的调节，光路垂直改向后到达聚焦镜5，由聚焦镜5进行聚焦，形成圆形光斑，然后通过振镜6到达远心场镜7，使得光路在叶片上聚焦成更小的光斑，使能量更加集中，更加利用钻孔尺寸和位置的控制。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的燃气轮机叶片的激光钻孔装置还包括：样品固定平台、分别设置在所述样品固定平台两侧的吹气系统9和集尘系统10；所述吹气系统9用于吹出气体；所述集尘系统10与所述吹气系统9相配合，用于收集所述吹气系统9吹出的经过所述样品固定台11的气体。

需要说明的是，吹气系统9位于样品固定台11的一侧，为了利于钻孔，可以通过吹气系统9吹气来带走叶片加工过程中的粉尘和残渣等，同时可以在样品固定台11的另一侧设置集尘系统10，来接收吹气系统9吹出的经过所述样品固定台11的气体，从而收集粉尘和残渣。

其中，为了提高激光钻孔叶片的工艺重复性和稳定性，待钻孔的燃气轮机叶片的表面涂有保护胶，燃气轮机叶片的内部填充有特氟隆材料。具体的，在钻孔前，将燃气轮机叶片清洗干净，并涂上一层保护胶，在间隔1小时后，再涂上一层保护胶，待保护胶稳定固化后，在叶片内填充特氟隆材料以保护内腔，之后将叶片固定在样品固定台11的特定夹具上进行后续的钻孔工序。在钻孔后可以采用特定量具如针规作相应孔型测验，保证每个孔径大小符合设计要求，并且可以对钻孔后的燃气轮机叶片做气流检测以验证气流通过并进行热成像检测以保证孔径边缘裂纹最小，提高燃气轮机叶片的质量。

另一方面，如图2所示，本发明实施例还提供了一种采用上述的燃气轮机叶片的激光钻孔装置对燃气轮机叶片进行激光钻孔的方法，该方法包括以下步骤：

S1：控制红外探测系统8对所述燃气轮机叶片表面的轮廓进行扫描；

S2：控制红外激光器1发射红外脉冲激光；其中，所述红外脉冲激光经过依次设置的聚焦镜5、振镜6和远心场镜7后聚焦在所述燃气轮机叶片表面；

S3：根据所述燃气轮机叶片表面的轮廓，控制振镜6的偏转角以及控制所述振镜6和远心场镜7在竖直方向上移动，以调整聚焦在所述燃气轮机叶片表面的焦点的位置，对所述燃气轮机叶片表面的指定位置进行钻孔。

需要说明的是，上述步骤S1-S3以控制系统为执行主体，具体的，待加工的燃气轮机叶片固定的样品固定平台上，并借助于红外探测系统8对燃气轮机叶片表面区域进行扫描并将扫描结果反馈到控制系统。控制系统控制红外激光器1发射红外脉冲激光，并根据扫描得到的燃气轮机表面的轮廓形状，通过控制振镜电机驱动振镜6发生偏转，振镜6包括X轴振镜和Y轴振镜，通过改变X轴振镜和Y轴振镜的偏转角，均可以改变经过远心场镜7后聚焦在燃气轮机叶片表面的焦点的位置，通过控制振镜6和远心场镜7在Z轴方向上下移动，从而可以使焦点上下移动，以保证所加工的叶片表面都在高功率的红外激光焦点上，进而实现高能量的红外脉冲激光对叶片的精确钻孔。其中，红外脉冲激光经过聚焦镜5聚焦后，形成圆形光斑，在经过振镜6和远心场镜7后，使光路在叶片上聚焦成更小的光斑，从而使能量更高、密度更高的激光聚焦到所需加工区域。

本发明实施例提供的燃气轮机叶片的激光钻孔方法，通过高功率的红外激光器发射红外脉冲激光，并借助于红外探测系统对叶片表面区域进行扫描并反馈到控制系统，由控制系统根据扫描结果控制振镜的位置，从而调整焦点的位置，以使得所加工的叶片表面都在高功率的红外激光焦点上，使得叶片表面孔型尺寸和孔位置精确控制，以达到钻孔孔壁面较为光滑，钻孔后叶片强度保持较高，孔型尺寸和位置保持较高水准的加工效果。

在上述实施例的基础上，所述聚焦镜5绕其所在的光轴旋转，经过所述聚焦镜5出射的所述红外脉冲激光绕所述光轴旋转。

在上述实施例的基础上，所述红外脉冲激光经过依次设置的光闸2、扩束镜3、反射镜4后进入所述聚焦镜5。

其中较优的，为了去除加工过程中的粉尘和残渣，在对所述燃气轮机叶片表面的指定位置进行钻孔的同时，还包括：

通过设置在样品固定平台一侧的吹气系统9吹出气体；

通过设置在所述样品固定平台另一侧的与所述吹气系统9相配合集尘系统10，收集所述吹气系统9吹出的经过所述样品固定台11的气体。

其中较优的，为了对燃气轮机叶片进行保护，在对燃气轮机叶片表面的轮廓进行扫描之前，还包括：

在所述燃气轮机叶片的表面涂覆保护层，并在所述燃气轮机叶片的内部填充特氟隆材料。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。