В начале 2009 года люди в индустрии обработки материалов начали изучать импульсные лазеры, которые могут обеспечить высокую пиковую мощность, и непрерывные лазеры с более высокими уровнями мощности. Пиковая мощность таких лазеров обычно может достигать 3 кВт, а средняя мощность - 300 Вт. Скачки в технологии привели к увеличению пиковой и средней мощности. Сегодня были введены пиковая мощность до 20 кВт, средняя мощность 2 кВт и непрерывные лазеры сверхвысокой мощности. Постоянное обновление мощности подтолкнуло волоконный лазер к стадии обработки аэрокосмического устройства.
По сравнению с традиционными лазерами на Nd: YAG волоконные лазеры значительно улучшили эффективность электрооптического преобразования и яркость луча (одномодовая или низкоразрядная работа) и не требуют предварительного нагрева. При изменении мощности, будь то режим с плоским верхом (как показано на рисунке) (1)) или режим Гаусса, диаметр пятна всегда остается стабильным, в то же время частота импульсов выше, и регулировка параметров в реальном времени сильнее. Поскольку волоконный лазер использует один излучатель для возбуждения, он имеет качественный скачок с точки зрения надежности, стабильности мощности и гибкости по сравнению с лазерами с импульсной накачкой.
Ввиду гибких и разнообразных методов применения волоконных лазеров их можно устанавливать не только как новые машины, но и модернизировать существующие производственные линии, чтобы они занимали все большую долю рынка. Все предыдущие производственные системы, использующие лазеры Nd: YAG, могут быть преобразованы в волоконные лазеры.
Буровые нужды в авиации
Аэрокосмическая отрасль, несомненно, является еще одной отраслью, которая значительно выиграла от использования волоконных лазеров. В современной авиационной промышленности турбинный двигатель может иметь до миллионов отверстий, которые в основном используются, чтобы помочь устройству своевременно рассеивать тепло во время работы. Толщина, угол, диаметр и форма отверстий варьируются. В области аэрокосмического бурения новый волоконный лазер является более быстрым, более гибким, более стабильным и более экономичным вариантом.
Существует два основных способа изготовления охлаждающих отверстий для авиационных устройств: один заключается в использовании нескольких импульсов для формирования отверстий в соответствии с требуемой апертурой (импульсное бурение); другой - использовать небольшие пятна, чтобы перемещать балку по кругу, чтобы образовать отверстие (Socket). В целом, розетка медленнее, но форма более совершенная. В некоторых случаях можно выбрать только отверстия для втулок. Эти отверстия обычно имеют диаметр 0,015-0,030 дюйма. Существует также особая потребность в бурении в авиационной области, которая представляет собой отверстие в форме вентилятора, которое соединяет отверстие для ограничения тока. Эти веерообразные отверстия являются выходом охлаждающего воздуха, цель состоит в том, чтобы направить тот же поток воздуха на большую площадь для достижения лучшего охлаждающего эффекта. В настоящее время в основном используются следующие процессы для изготовления веерообразных отверстий: первый - это лазерный сканер с модуляцией добротности и точечным переключением. Сканер используется для сканирования формы на выходе из отверстия. Использование этого метода для обработки веерообразного отверстия требует, чтобы две машины работали раздельно. Второй метод - уменьшить размер пятна, чтобы создать конус, а затем использовать вложение с ЧПУ, но этот метод намного медленнее, чем «двухэтапный метод», оснащенный сканером; Третий метод состоит в том, чтобы использовать технологию сверления EDM и добавить веерообразное отверстие после того, как сформировано ограничительное отверстие. Очень важно избегать отслаивания покрытия от термического барьера при сверлении отверстия в форме вентилятора, и большинство устройств теперь имеют покрытие с термическим барьером.
Применение для воздушного бурения - волоконные лазеры
По сравнению с импульсными лазерами на Nd: YAG преимущества волоконных лазеров очевидны. Во-первых, источником накачки волоконного лазера является диод, а не вспышка, поэтому он может образовывать идеальную прямоугольную волну. Во-вторых, Nd: YAG-лазер с использованием импульсной накачки замедляется, поэтому часть энергии лазера всегда находится ниже порога испарения целевой области. Эта часть энергии будет расплавлять материал и вызывать отслаивание покрытия от термического барьера. Чтобы соответствовать спецификациям слоя восстановления, период импульса должен быть менее 1 мс. В этом отношении волоконные лазеры имеют абсолютное преимущество, поскольку они могут генерировать прямоугольные волны, поэтому использование импульсов длительностью 10 мс может удовлетворить требования авиационного оборудования для пересчета и определения трещин.
Мы используем камеру сгорания в качестве примера. При использовании импульсного бурения камера сгорания будет вращаться несколько раз одновременно в процессе бурения. В этом случае для бурения требуется 5 импульсов, а для формирования отверстия в форме вентилятора используются еще 2 импульса. Обычно максимальная частота повторения этого лазера составляет 10 импульсов в секунду. Волоконный лазер может образовывать отверстие вентилятора с длинным импульсом. Если используются тот же период импульса и энергия импульса, что и у лазера Nd: YAG, скорость может достигать 10-кратной исходной. Будь то один или два длинных импульса или несколько импульсов, можно получить одинаковое качество сверления. Кроме того, волоконный лазер также может регулировать период импульсов во время и после сверления, вместо того, чтобы постоянно использовать несколько импульсов, что полезно во избежание повреждения тела.
Характеристика волоконно-оптического лазера состоит в том, что он может излучать в режиме плоской вершины, в то время как Nd: YAG-лазер работает приблизительно в гауссовой моде. Следовательно, благодаря моде с плоским верхом вся энергия первого превышает порог испарения, в то время как значительная часть последнего находится ниже порога. Исследования показали, что для достижения того же эффекта бурения в тех же условиях волоконные лазеры нуждаются в меньшем количестве энергии. Причиной является прямоугольная волна + плоская мода. Именно из-за этой характеристики волоконные лазеры более эффективны при бурении и менее термически повреждены. При меньшем тепловом повреждении улучшается как отслаивание, так и повторное нанесение покрытия.
Одной из причин, почему Nd: YAG-лазеры привлекают большое внимание, являются уникальные свойства расходимости пучка. Размер пятна может быть изменен с увеличением или уменьшением мощности. Пока фокус перефокусирован, требуемая диафрагма может быть достигнута. Некоторые Nd: YAG-лазеры интегрируют телескоп с внутренней фокусировкой для изменения угла расхождения луча, но эта настройка требует высокой степени профессионализма оператора, трудоемких и правильных параметров, поэтому многие люди не испытывают оптимизма. Этот метод. На данный момент, волоконный лазер как раз наоборот. Поскольку его форма фокусировки идеально круглая, она не изменится при увеличении или уменьшении мощности, и если в систему установлен масштабируемый телескоп, он сможет напрямую изменять размер фокусного пятна во время полетного бурения. Диапазон обычно 3-1.
Гибкость волоконных лазеров намного выше, чем у Nd: YAG-лазеров. Это происходит главным образом потому, что первые диоды с высокой чувствительностью могут изменять период импульса и уровень мощности во время летного бурения, позволяя операторам использовать разные уровни мощности и периоды импульсов для создания требуемой последовательности импульсов. Например, начните с малой мощности, короткого импульса, а затем увеличивайте мощность и импульс в последовательности, основанной на конкретных требованиях к бурению. Поскольку волоконные лазеры могут обеспечивать высокую пиковую мощность в диапазоне кВт при настройке размера пятна и периода импульса (до 10 мкс), достаточно только одной машины.
При использовании технологии гильзы скорость обработки волоконного лазера может достигать 10-кратной скорости обработки импульсного лазера Nd: YAG с ламповой накачкой. Мало того, волоконный лазер также может быть преобразован в непрерывную мощность до 2 кВт при бурении в полете для достижения высокоскоростной резки. Для некоторых конструкций камеры сгорания это число может быть дополнительно увеличено. Таким образом, импульсные волоконные лазеры идеально подходят для резки толстых пластин и высокоскоростного сверления.
