激光加工設備應用研究

西安航空動力股份有限公司（陜西 710021) 劉 佳 孫偉立

我公司是一家以生產各種航空發動機為主的企業。航空發動機及關鍵零部件常采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，隨著軍品科研任務的不斷增加和加工工藝水平的要求越來越高，公司引進了大量具有國際先進技術水平的特種加工設備。目前涉及的種類有:電火花加工、電火花線切割加工、真空電子束焊加工、電化學加工、激光小孔、激光切割及激光熔覆加工等，這些特種設備，以其特有的加工工藝優勢，在軍品科研任務中擔當起重要角色。

1.激光加工機床現狀

我公司現有美國LASERDYNE公司、德國DMG公司和意大利PRIMA公司生產的激光設備 (見圖1)。

圖1 激光加工設備現狀

美國 LASERDYNE公司生產的 LASERDYNE—780設備是公司1997年引進的激光小孔機設備，其機頭控制部分結構小巧、靈活，是公司目前唯一一臺可以實現5軸聯動、空間矢量加工的激光加工設備，同時配有JK700系列激光器，可實現任意角度小孔的高精度加工。

德國DMG公司的激光打孔機設備，采用西門子840D控制系統和直線電動機控制，可實現5軸聯動，機床精度高。采用瑞士LASAG激光器，其結構緊湊，體積小，穩定性好。

意大利PRIMA公司生產的激光切割設備，采用5軸聯動的機頭控制部分，匹配德國ROFIN激光器，可實現大功率輸出能量，完成工件的切割任務。

2.激光加工設備運行狀態對加工工藝的影響

由于激光加工不需要加工工具，加工速度快、表面變形小，加之目前數控技術與激光器技術的完美結合，對特殊材料的航空發動機零部件加工、特殊結構的零部件加工 (見圖2)、形孔切割加工等越來越多地采用激光加工來實現。

圖2 某機葉片窄縫內加工數孔

設備工作運行狀態對加工效果有著決定性的作用，比如:設備在零件加工過程中的突發故障有可能引發零件的報廢、設備定位精度決定著加工件的精度、光路聚焦精度決定切縫精度等 (見圖3)，所以與普通的機械加工不同，對激光器電源、激光束的生成、激光光路的控制、激光器工作參數的匹配、機床精度的監控、異常狀態的分析、研究就成為我們確保激光設備高精度加工的主要責任和任務。

圖3 光路控制異常對加工的影響

3.激光設備維修案例

(1)故障現象 激光器電源工作性能不穩定，加工過程中突發故障，容易造成零件損傷。

圖4所示用卡鉗表分別測量泵浦燈L1、L2開關模塊回路工作電流，測得泵浦燈L1正開關模塊SMP1、SMP2工作電流分別為12A、2A，而泵浦燈L2正開關模塊SMP1'、SMP2'的工作電流均為7A，測量結果進行比較，L1泵浦燈的供電開關模塊SMP2工作電流不正常。斷電后，檢查泵浦燈L1正開關模塊SMP2及輸出模塊OM1之間的連線，發現輸出模塊OM1的輸入端A點功率二極管連接松動，使SMP2驅動工作電流太小，無功率輸出，造成開關模塊SMP1驅動工作電流大，負載過重。可靠連接A點后，故障排除。

圖4 激光器電源內部模塊工作原理示意圖

(2)故障現象 BJLD—300JK設備出現加工的小孔有“雙眼皮”現象 (見圖5)，且選擇同樣加工參數，激光能量較之前偏低，之前該組參數，Energy可以達到1.00J以上，現在是0.75J。

圖5 加工參數及切出孔形示意圖

對應光感應紙上打出的光斑，明顯看出光能量分布不夠均勻。能量聚焦點不在圓的正中心，所以對應打出的孔形不好，孔邊不夠規則、不夠光滑，調整諧振腔內部后鏡，如圖6所示，分別可以調整后鏡的上下和左右角度，達到調整諧振腔激光輸出的質量，使加工出孔形是一個標準的圓。

圖6 諧振腔內后鏡結構示意圖

(3)故障現象 JK700激光器加工時頻繁出現:工作光閘保護206報警，Process Shutter Thermal fuse和207報警，Shutter Failure。

工作光閘作用 (見圖7):控制激光束輸出，不需要輸出時，激光能量通過激光束回收窗返回到激光回收器中，依靠內循環冷卻水將激光熱量消耗掉;需要輸出時，工作光閘可靠打開，保證激光輸出;激光輸出異常時，工作光閘連同安全光閘一起動作，關斷激光輸出。

圖7 JK激光為例激光光路控制示意圖

針對206報警，做好防護，打開工作光閘護罩，發現低能量激光束輸出時，工作光閘打開可靠，激光輸出正常;但是激光不輸出時，熱保險很短時間內就會燒壞。經檢查發現，工作光閘鏡片表面鍍層有輕微失落，不能將激光反射到回收站內，從而引起溫度保險過溫保護。

針對207報警:做好防護，打開工作光閘護罩，低能量激光束輸出時，工作光閘沒有打開。光閘驅動電動機12V電壓正常;再仔細檢查發現電動機軸承出現一點銹蝕現象，影響動作可靠性，對銹蝕點進行處理后，動作正常。

(4)故障現象 LASAG激光器觸發瞬間掉電，激光器操作面板上燈閃爍。

激光器啟動后，儲能電容模塊、高壓充電電源都顯示OK，測試觸發電路控制回路電壓正常，但在泵浦燈觸發瞬間掉電。考慮更換泵浦燈后出現故障，打開泵浦腔蓋，發現觸發回路彈簧聚集一堆 (見圖8)，調整好間距及觸發間隙后，故障排除。

圖8 激光觸發回路彈簧的影響

(5)故障現象 三維激光切割機在進行材料切割時，切縫比較粗糙 (見圖9a)，而且3mm板材都無法切透。

檢查激光束與噴油器的同軸度良好，檢查之前切割試板的參數，也沒有變化，當拆下聚焦鏡進行檢查時，發現聚焦鏡中間有明顯的裂紋 (見圖9b)，更換聚焦鏡后，問題解決。分析造成聚焦鏡裂痕的可能原因:工作時鏡片沒獲得良好的冷卻;使用了不規范的實驗參數;加工的材料具有高放熱性污染到聚焦鏡。

圖9 聚焦鏡引起的切縫異常

4.結語

通過對現有激光設備異常工作情況的分析、處理，總結，提升激光類設備維護保養的效率和質量，為航空發動機零部件特種工藝加工保駕護航。