一种皮秒激光精确制备涡轮叶片冷却孔的装置及方法与流程

本发明属于超快激光精密加工领域，特别涉及一种皮秒激光精确制备涡轮叶片冷却孔的装置及方法。

背景技术：

发动机推重比是衡量发动机技术性能的重要指标，增加推重比最为关键的是提高热效率，这对涡轮叶片的高温性能进一步提出了要求。目前发动机涡轮前温度已超过2000k,这已远远超过目前叶片高温合金材料的正常工作温度，一般通过采用优质的气膜孔冷却技术来解决这一问题。

传统加工气膜孔主要采用特种加工方法，包括电火花打孔、电化学打孔，长脉冲激光打孔等。但随着加工要求的不断提高，这些方法的缺点逐渐显现，如孔壁重铸层明显、加工效率低、工艺稳定性不足等。而随着激光技术的发展，超快激光以其极短的脉冲宽度、极强的光场强度以及独特的加工特性逐渐受到学术界与工业界的重视。超快激光加工具有无材料选择性、无机械与大面积热应变、可实现极小化重铸层、极小化微裂纹等特点。

目前，有飞秒激光加工系统配合振镜结构直接进行同心圆以及螺旋轨迹扫描的加工方法，但不能实现大深度、无锥度孔的加工，孔型难以符合要求；此外，道威棱镜旋转以及多光膜旋转等加工系统通过电机带动沿轴旋转调整激光定位，定位精度有限，且棱镜偏折过程中对于光束能量有着损耗；碍于设备结构问题，无法加工孔身径向与入口平面系非垂直关系等较复杂结构气膜孔；飞秒激光结构相对复杂、运行维护成本也较高。

因此，目前亟需一种加工方法,能够同时具备高平均功率，重复频率和加工精度以制备高精度气膜孔。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种皮秒激光精确制备涡轮叶片冷却孔的装置及方法,用以解决电火花加工，长脉宽激光加工等叶片冷却孔加工方式加工过程中产生叶片上下表面以及腔体内壁热影响区再铸层等缺陷,同时克服了飞秒激光器结构相对复杂、价格昂贵且运行维护成本较高，难以应用于实际生产中等技术与工程应用难题。

本发明的技术解决方案是提供一种涡轮叶片冷却孔的超快激光精确制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤一、根据所要加工的工件的对于355nm-1064nm波长的激光光束的吸收率不同，选择具有较高吸收率的激光波长，进行设备属性选择与性能调试；根据所要加工的冷却孔的孔径，深度与形状，进行程序编写与软件设定；

步骤二、对工件表面直接辐照皮秒高斯激光束，进行打孔加工，通过同轴ccd系统进行观测，实时监控加工进程。

本发明在采用一种涡轮叶片冷却孔的超快激光精确制备方法的加工过程中,采用ccd相机成像的功能。

将涡轮叶片冷却孔加工过程分为两段:设备属性选择与程序编写，加工工作开展与实时监控，分别根据不同的材料对于不同波长的激光光束吸收率不同，以及冷却孔的特定要求，采取不同的制孔工艺,实现制孔过程中冷却孔出入口与孔壁无损伤高质量加工，以及叶片腔体对面璧无损伤加工。

优选的,步骤一中将加工装置根据具体的加工需求，选择适用的组件进行装配与调试。具体为:

目前主流的皮秒激光器，绝大多数只有355nm，532nm，1064nm三个波长可供选择，查验曲线，可以得到吸收率最高的波长更靠近这三个当中的哪一个，据此选择波长为355nm-1064nm的激光；根据所加工冷却孔的入口平面与激光光束所呈角度，本着激光偏振方向始终垂直于孔壁的原则和具体的冷却孔出口形状要求，经过验证，圆偏振光束会实现正圆孔，线偏振光束会实现椭圆孔，即若冷却孔出口需求为椭圆形的，则激光光束选择线偏振态；若冷却孔出口需求为正圆形的，则激光光束选择圆偏振态，通过选择不同的偏振片，来调整激光为圆偏振激光光束或者线偏振激光光束；

选择适当焦距的聚焦透镜用于聚焦激光光束，调整激光光束焦平面与ccd摄像焦平面于同一平面，共同聚焦于待加工工件表面。激光与材料相互作用过程中反射的光线通过相机的镜头透射到同轴ccd系统上，整个激光辐照过程中同步采集加工表面的影像，进行加工过程的实时观测。

在控制系统中通过软件编程，调用皮秒激光以及六自由度平移台加工工艺参数，试运行所调用参数。

优选地，加工冷却孔时的皮秒激光以及六自由度平移台加工工艺参数如下：皮秒激光脉冲宽度为10-20ps，功率为1-20w，波长为355nm，532或1064nm，扫描方式为同心圆扫扫描或者螺旋线扫描，根据所加工冷却孔的半径，设置扫描线的最小半径与最大半径，范围均0-0.8mm，六自由度平移台的步进速度为0.2～0.8mm/s，激光辐照的重复率为50％-80％，以旋转10～80圈绘制一个完整的螺旋路径，设置为一次子流程；通过编程和实际测试，根据每个子流程烧蚀材料的厚度，在每次子流程运行过程中匀速结束时或者通过调控六自由度平移台，使得激光聚焦焦点下降0.05-0.3mm，根据所加工的冷却孔需要深度所加整个激光辐照加工流程由2-5个子流程组成，从而实现冷却孔制备。

优选的，整个冷却孔加工过程中添加吹辅助气装置，通过同轴吹辅助气装置，施加氮气或者氩气作为辅助保护气体，施加辅助气体压力为0.2～0.6mpa。

优选地，步骤二的整个过程为全自动，不需要人工操作，可以通过ccd对加工过程进行观测。

本发明还提供一种涡轮叶片冷却孔的超快激光制备装置，包括光束扫描系统，加工实时观测系统以及控制系统；

上述束扫描系统沿着光路依次设置使用皮秒激光器、光束偏振调制系统、转折透镜、聚焦透镜、待加工工件，待加工工件通过夹持装置固定于六自由度平移台上，辅助吹气装置位于聚焦透镜与转折透镜之间；

上述加工实时观测系统为ccd，ccd的设置为与光路同轴，位于转折透镜正上方；

上述皮秒激光器、六自由度平移台，ccd均连接到控制系统，上述控制系统用于接收加工实时观测系统传输的影像数据；

上述光束扫描系统与加工实时观测系统均固定于光学平台的同一平面上。

优选得，上述控制系统所用平台为工控机或者微型计算机。

本发明的有益效果是：

1.本发明在涡轮叶片冷却孔的超快激光制备过程中，采用同轴ccd成像的方法，实时监控加工过程，保证高质量的加工效果

2.本发明的工艺方法及装置，可以实现加工过程的自主进行，并通过实现参数的调用，实现不同尺寸，不同出口型状以及孔入口与腔体呈不同角度的冷却孔的高效高质量加工。

3.本发明的装置采用尽可能少的透镜，未使用振镜系统，减少了激光光束能量损失；采用皮秒激光器进行加工，保证高的加工质量的同时，维护与使用成本大幅降低。

附图说明

图1为本发明一种涡轮叶片冷却孔的超快激光制备装置构造示意图；

图中标记为：1-工控机或者微型计算机，2-皮秒激光器，3-光束偏振调制系统，4-光束，5-ccd，6-转折透镜，7-辅助吹气装置，8-聚焦透镜，9-待加工工件，10-夹持装置，11-六自由度平移台。

具体实施方式

以下结合附图及具体实例对本发明做进一步的描述。

本发明涉及采用固定激光光束，六位平移台夹持待加工工件，ccd实时监控和反馈，根据不同的材料类别和加工要求，采用相对应的加工方法与工艺参数，以及通过一体化编程软件实现控制自动加工的高质量高效率气膜孔制备方法及装置。

具体可以通过下述方法实现：

步骤一、根据所要加工的工件的材料种类，进行设备属性选择与性能调试；根据所要加工的气膜孔的参数，进行程序编写与软件设定；

步骤二、对工件表面直接辐照皮秒高斯激光束，进行打孔加工，通过同轴ccd系统进行观测，实时监控加工进程。

调整皮秒激光器2根据所加工材料对于激光各波段的吸收率的不同，选择与吸收率最高处最为接近的波长，选择范围为355nm-1064nm的激光，光束4沿固定光路进行传播；根据所加工气膜孔的入口平面与激光光束所呈角度，本着激光偏振方向始终垂直于孔壁的原则与圆偏振光束会实现正圆孔出口，线偏振光束会实现椭圆孔的出口，通过在光束偏振调制系统3选择不同的偏振片，就可来调整激光为圆偏振激光光束或者线偏振激光光束，从而得到冷却孔的正圆形出口或者椭圆形出口；

选择适当焦距的聚焦透镜8用于聚焦激光光束，调整激光光束焦平面与ccd观测系统焦平面于同一平面，共同聚焦于待加工工件表面。激光与材料相互作用过程中反射的光线通过相机的镜头向上透射，穿过转折透镜6到同轴ccd系统上，整个激光辐照过程中同步采集加工表面的影像，进行加工过程的实时观测。

在控制系统中通过软件编程，调用皮秒激光以及六自由度平移台加工工艺参数，试运行所调用参数。

将待加工工件9通过夹持装置10固定在位于六自由平移台11上，六自由度平移台的步进精度为0.1μm。

在作为工作平台的工控机或者微型计算机1上设置加工工艺及参数，加工气膜孔时的皮秒激光以及六自由度平移台加工工艺参数如下：皮秒激光脉冲宽度为10-20ps，功率为1-20w，波长为355nm，532或1064nm，扫描方式为同心圆扫扫描或者螺旋线扫描，根据所加工气膜孔的半径，设置扫描线的最小半径与最大半径，范围均0-0.8mm，六自由度平移台的步进速度为0.2～0.8mm/s，激光辐照的重复率为50％-80％，以旋转10～80圈绘制一个完整的螺旋路径，设置为一次子流程；通过编程和实际测试，根据每个子流程烧蚀材料的厚度，在每次子流程运行过程中匀速结束时或者通过调控六自由度平移台，使得激光聚焦焦点下降0.05-0.3mm，根据所加工的气膜孔需要深度所加整个激光辐照加工流程由2-5个子流程组成，从而实现气膜孔制备。

整个气膜孔加工过程中添加吹辅助气装置，通过同轴吹辅助气装置7，施加氮气或者氩气作为辅助保护气体，施加辅助气体压力为0.2～0.6mpa。

步骤二的整个过程为全自动，不需要人工操作，可以通过ccd对加工过程进行观测，并随时停止加工或者更改工艺设置。