Vào đầu năm 2009, những người trong ngành chế biến vật liệu bắt đầu xem xét các xung laser có thể cung cấp năng lượng cực đại cao và các laser liên tục có mức năng lượng cao hơn. Công suất cực đại của các laser như vậy thường có thể đạt tới 3 kW và công suất trung bình là 300 W. Bước nhảy vọt trong công nghệ đã dẫn đến công suất cực đại và trung bình cao hơn. Ngày nay, công suất cực đại lên tới 20kW, công suất trung bình 2kW và laser liên tục công suất cực cao đã được giới thiệu. Việc cập nhật năng lượng liên tục đã đẩy laser sợi quang đến giai đoạn xử lý thiết bị hàng không vũ trụ.
So với laser Nd: YAG truyền thống, laser sợi quang đã cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi quang điện và độ sáng chùm (hoạt động ở chế độ đơn hoặc bit thấp) và không cần sấy sơ bộ. Khi công suất được thay đổi, cho dù đó là chế độ đỉnh phẳng (như trong hình) (1)) hay chế độ Gaussian, đường kính điểm luôn luôn ổn định, đồng thời, tần số xung cao hơn và điều chỉnh thời gian thực của các tham số mạnh hơn. Bởi vì laser sợi sử dụng một bộ phát duy nhất để kích thích, nó có một bước nhảy vọt về chất lượng, độ ổn định công suất và tính linh hoạt so với laser bơm flash.
Theo các phương pháp ứng dụng linh hoạt và đa dạng của laser sợi quang, chúng không chỉ có thể được cài đặt như các máy móc mới mà còn có thể nâng cấp các dây chuyền sản xuất hiện có, vì vậy chúng đang chiếm thị phần ngày càng nhiều. Tất cả các hệ thống sản xuất trước đó sử dụng laser Nd: YAG có thể được chuyển đổi thành laser sợi quang.
Nhu cầu khoan trong hàng không
Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ chắc chắn là một ngành công nghiệp khác đã được hưởng lợi rất nhiều từ laser sợi quang. Trong ngành hàng không hiện nay, một động cơ tua-bin có thể có hàng triệu lỗ, chủ yếu được sử dụng để giúp thiết bị tản nhiệt kịp thời trong quá trình vận hành. Độ dày, góc, đường kính và hình dạng của các lỗ khác nhau. Trong lĩnh vực ứng dụng khoan hàng không vũ trụ, laser sợi quang mới là một lựa chọn nhanh hơn, linh hoạt hơn, ổn định hơn và tiết kiệm chi phí hơn.
Có hai cách chính để tạo lỗ làm mát cho các thiết bị hàng không: một là sử dụng nhiều xung để tạo thành lỗ khoan theo khẩu độ cần thiết (khoan xung); khác là sử dụng các điểm nhỏ để di chuyển chùm tia trong một phạm vi tròn để tạo thành lỗ khoan (Ổ cắm). Nhìn chung, ổ cắm chậm hơn, nhưng hình dạng hoàn hảo hơn. Trong một số ứng dụng, chỉ có thể chọn lỗ tay áo. Những lỗ này thường có đường kính 0,015-0,030in. Ngoài ra còn có một yêu cầu khoan đặc biệt trong lĩnh vực hàng không, đó là một lỗ hình quạt kết nối lỗ giới hạn hiện tại. Những lỗ hình quạt này là cửa thoát khí làm mát, mục đích là để chuyển hướng cùng một luồng không khí đến một khu vực lớn hơn để đạt được hiệu quả làm mát tốt hơn. Hiện tại, chủ yếu có các quy trình sau đây để tạo ra các lỗ hình quạt: đầu tiên là một máy quét laser + Q-switching điểm nhỏ. Máy quét được sử dụng để quét hình dạng ở lối ra của lỗ. Sử dụng phương pháp này để xử lý lỗ hình quạt đòi hỏi hai máy phải hoạt động riêng. Phương pháp thứ hai là giảm kích thước điểm để tạo độ côn, sau đó sử dụng lồng CNC, nhưng phương pháp này chậm hơn nhiều so với "phương pháp hai bước" được trang bị máy quét; Phương pháp thứ ba là sử dụng công nghệ khoan EDM và thêm một lỗ hình quạt sau khi lỗ hạn chế được hình thành. Điều rất quan trọng là tránh bong tróc lớp phủ rào cản nhiệt khi khoan lỗ hình quạt, và hầu hết các thiết bị hiện nay đều có lớp phủ rào cản nhiệt.
Ứng dụng khoan trên không-laser sợi
So với laser xung Nd: YAG, những lợi thế của laser sợi quang là rõ ràng. Đầu tiên, nguồn bơm của laser sợi quang là một diode chứ không phải là đèn flash, vì vậy nó có thể tạo thành một sóng vuông hoàn hảo. Thứ hai, laser Nd: YAG sử dụng bơm flash chậm lại, do đó một phần năng lượng laser luôn nằm dưới ngưỡng bay hơi của khu vực mục tiêu Phần năng lượng này sẽ làm tan chảy vật liệu và làm cho lớp màng chắn nhiệt bị bong ra. Để đáp ứng các thông số kỹ thuật của lớp đúc lại, chu kỳ xung phải nhỏ hơn 1 ms. Về vấn đề này, laser sợi quang có một lợi thế tuyệt đối, bởi vì nó có thể tạo ra dạng sóng vuông, do đó việc sử dụng xung 10ms có thể đáp ứng các yêu cầu của thiết bị hàng không để lấy lại và phá vỡ thông số kỹ thuật.
Chúng tôi sử dụng buồng đốt làm ví dụ. Khi sử dụng khoan xung, buồng đốt sẽ quay đồng thời nhiều lần trong quá trình khoan. Trong trường hợp này, cần có 5 xung để khoan xuyên qua và thêm 2 xung được sử dụng để tạo thành lỗ hình quạt. Thông thường tần số lặp lại tối đa của laser này là 10 xung / giây. Các laser sợi có thể tạo thành một lỗ quạt với một xung dài. Nếu sử dụng cùng chu kỳ xung và năng lượng xung như laser Nd: YAG, tốc độ có thể đạt tới 10 lần so với ban đầu. Cho dù một hoặc hai xung dài hoặc nhiều xung, chất lượng khoan tương tự có thể đạt được. Ngoài ra, laser sợi quang cũng có thể điều chỉnh chu kỳ xung trong và sau khi khoan, thay vì sử dụng nhiều xung mọi lúc, điều này có lợi để tránh thiệt hại cho cơ thể.
Đặc điểm của laser sợi chirped là nó có thể xuất ra ở chế độ đỉnh phẳng, trong khi laser Nd: YAG là chế độ xấp xỉ Gaussian. Do đó, nhờ chế độ đỉnh phẳng, toàn bộ năng lượng của cái trước vượt quá ngưỡng bay hơi, trong khi một phần đáng kể của cái sau nằm dưới ngưỡng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng để đạt được hiệu quả khoan tương tự trong cùng điều kiện, laser sợi cần ít năng lượng hơn. Lý do là sóng vuông + chế độ đỉnh phẳng. Chính vì đặc điểm này mà laser sợi quang hiệu quả hơn trong việc khoan và ít bị hư hại do nhiệt. Với thiệt hại nhiệt ít hơn, cả lột lớp phủ và sơn lại sẽ được cải thiện.
Một trong những lý do tại sao laser Nd: YAG đã thu hút nhiều sự chú ý là tính chất phân kỳ chùm tia độc đáo. Kích thước điểm có thể được thay đổi khi tăng hoặc giảm công suất. Miễn là lấy nét được lấy nét, khẩu độ cần thiết có thể đạt được. Một số laser Nd: YAG tích hợp kính viễn vọng hội tụ bên trong để thay đổi góc phân kỳ của chùm tia, nhưng điều chỉnh này đòi hỏi mức độ chuyên nghiệp cao của người vận hành, tốn thời gian và thông số chính xác, vì vậy nhiều người không lạc quan Phương pháp này. Tại thời điểm này, laser sợi quang thì ngược lại. Do hình dạng lấy nét của nó là hình tròn hoàn hảo, nó sẽ không thay đổi khi công suất tăng hoặc giảm và nếu đặt kính viễn vọng có thể mở rộng trong hệ thống, nó sẽ có thể thay đổi trực tiếp kích thước của tiêu điểm trong quá trình khoan. Phạm vi thường là 3-1.
Tính linh hoạt của laser sợi quang vượt xa so với laser Nd: YAG. Điều này chủ yếu là do các điốt phản ứng cao của trình định dạng có thể thay đổi chu kỳ xung và mức công suất trong quá trình khoan chuyến bay, cho phép các nhà khai thác sử dụng các mức công suất và chu kỳ xung khác nhau để tạo ra chuỗi xung mong muốn. Ví dụ, bắt đầu với công suất thấp, xung ngắn và sau đó tăng công suất và xung theo trình tự dựa trên các yêu cầu khoan cụ thể. Bởi vì laser sợi quang có thể cung cấp công suất cực đại cao trong phạm vi kW trong khi điều chỉnh kích thước điểm và chu kỳ xung (giảm xuống 10) s), chỉ một máy là đủ.
Khi sử dụng công nghệ tay áo, tốc độ xử lý của laser sợi quang có thể đạt tới 10 lần so với laser xung Nd: YAG được bơm bằng đèn. Không chỉ vậy, laser sợi quang cũng có thể được chuyển đổi thành công suất liên tục lên tới 2kW khi khoan trong chuyến bay để đạt được tốc độ cắt cao. Đối với một số thiết kế buồng đốt, con số này có thể được tăng cường hơn nữa. Tóm lại, laser sợi quang là lý tưởng để cắt các tấm dày hơn và các ứng dụng khoan tốc độ cao.
