扫描方式对气膜冷却孔超快激光加工的影响

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振镜扫描和光楔旋切构成了超快激光气膜冷却孔加工的两大主流，前者控制激光以垂直入射的形式通过多样化扫描路径进行气膜冷却孔加工，在气膜冷却孔的孔型调控上发挥重要作用，后者则能够控制激光以一定角度倾斜入射，以特定位姿对加工材料进行烧蚀，扫描路径通常为圆或螺旋线，在气膜冷却孔的无锥、低孔壁粗糙度等加工领域表现优异。基于三维振镜加工系统，印度国家理工学院的DEEPU 等[49]研究了如图 4a 所示的四种飞秒激光扫描路径对钛合金加工形貌和表面质量的影响，在较高的激光能量和较低的脉冲重复频率下，同心圆扫描路径的制孔圆度较好，且具有较好的表面光洁度；西安交通大学梅雪松课题组[50]提出了通过调控工件姿态来加工大深径比气膜冷却孔的方法，该方法将五轴机床 C 轴偏转一定角度并使其旋转中心与激光入射光心存在微小径向偏置，从而保证入射激光与加工工件呈现特异的空间位姿，提高飞秒激光深孔加工的能力，该方法在 5 mm 镍基合金样件上实现了无锥孔加工，加工原理及制孔效果如图 4b 所示，该方法实质上发挥出了类似旋转光楔控制激光进行倾斜入射加工的作用；南京航空航天大学的方菊等[51]讨论了 SiC/SiC 复合材料斜孔加工时飞秒激光入射平面对制孔效果的影响，30°斜孔加工效果如图 4c 所示，随着光斑起始平面的下降，斜孔入口直径逐渐减小、锥度逐渐增大，此外，斜孔角度增大会使入口下沿出现崩边现象。基于旋转光楔加工系统，哈尔滨工业大学的WANG 等[52]进行了飞秒激光螺旋制孔工艺的研究，通过探索不同制孔策略对微孔侧壁粗糙度的影响，将螺旋钻孔与单圆扫描相结合，获得了如图 4d 所示的加工效果，该方法消除了孔壁氧化附着和垂直条纹，能够显著降低孔壁粗糙度；西北工业大学的 LI等[53]对飞秒激光螺旋制孔的“尺寸效应”展开了讨论，不同孔径加工效果如图 4e 所示，随着激光扫描直径的增大，孔锥度增大，加工效率先增大后减小，孔壁形貌由微孔洞、微裂纹和黏结残留氧化物转变为规则的纳米条纹，研究强调，对于小孔径微孔加工，工艺调整的策略应从促进加工残余物排出的角度出发。由三维振镜和旋转光楔系统决定的激光垂直、倾斜入射构成了超快激光扫描方式的主要差异，扫描路径多样化、入射角度可调节分别为二者的工艺特征，根据实际需要进行加工系统选择并对其优化

调控能够提高气膜冷却孔的加工质量。

图 4 气膜冷却孔超快激光加工扫描方式研究