激光加工设备应用研究

西安航空动力股份有限公司（陕西 710021) 刘 佳 孙伟立

我公司是一家以生产各种航空发动机为主的企业。航空发动机及关键零部件常采用钛合金、高温合金等难加工材料，随着军品科研任务的不断增加和加工工艺水平的要求越来越高，公司引进了大量具有国际先进技术水平的特种加工设备。目前涉及的种类有:电火花加工、电火花线切割加工、真空电子束焊加工、电化学加工、激光小孔、激光切割及激光熔覆加工等，这些特种设备，以其特有的加工工艺优势，在军品科研任务中担当起重要角色。

1.激光加工机床现状

我公司现有美国LASERDYNE公司、德国DMG公司和意大利PRIMA公司生产的激光设备 (见图1)。

图1 激光加工设备现状

美国 LASERDYNE公司生产的 LASERDYNE—780设备是公司1997年引进的激光小孔机设备，其机头控制部分结构小巧、灵活，是公司目前唯一一台可以实现5轴联动、空间矢量加工的激光加工设备，同时配有JK700系列激光器，可实现任意角度小孔的高精度加工。

德国DMG公司的激光打孔机设备，采用西门子840D控制系统和直线电动机控制，可实现5轴联动，机床精度高。采用瑞士LASAG激光器，其结构紧凑，体积小，稳定性好。

意大利PRIMA公司生产的激光切割设备，采用5轴联动的机头控制部分，匹配德国ROFIN激光器，可实现大功率输出能量，完成工件的切割任务。

2.激光加工设备运行状态对加工工艺的影响

由于激光加工不需要加工工具，加工速度快、表面变形小，加之目前数控技术与激光器技术的完美结合，对特殊材料的航空发动机零部件加工、特殊结构的零部件加工 (见图2)、形孔切割加工等越来越多地采用激光加工来实现。

图2 某机叶片窄缝内加工数孔

设备工作运行状态对加工效果有着决定性的作用，比如:设备在零件加工过程中的突发故障有可能引发零件的报废、设备定位精度决定着加工件的精度、光路聚焦精度决定切缝精度等 (见图3)，所以与普通的机械加工不同，对激光器电源、激光束的生成、激光光路的控制、激光器工作参数的匹配、机床精度的监控、异常状态的分析、研究就成为我们确保激光设备高精度加工的主要责任和任务。

图3 光路控制异常对加工的影响

3.激光设备维修案例

(1)故障现象 激光器电源工作性能不稳定，加工过程中突发故障，容易造成零件损伤。

图4所示用卡钳表分别测量泵浦灯L1、L2开关模块回路工作电流，测得泵浦灯L1正开关模块SMP1、SMP2工作电流分别为12A、2A，而泵浦灯L2正开关模块SMP1'、SMP2'的工作电流均为7A，测量结果进行比较，L1泵浦灯的供电开关模块SMP2工作电流不正常。断电后，检查泵浦灯L1正开关模块SMP2及输出模块OM1之间的连线，发现输出模块OM1的输入端A点功率二极管连接松动，使SMP2驱动工作电流太小，无功率输出，造成开关模块SMP1驱动工作电流大，负载过重。可靠连接A点后，故障排除。

图4 激光器电源内部模块工作原理示意图

(2)故障现象 BJLD—300JK设备出现加工的小孔有“双眼皮”现象 (见图5)，且选择同样加工参数，激光能量较之前偏低，之前该组参数，Energy可以达到1.00J以上，现在是0.75J。

图5 加工参数及切出孔形示意图

对应光感应纸上打出的光斑，明显看出光能量分布不够均匀。能量聚焦点不在圆的正中心，所以对应打出的孔形不好，孔边不够规则、不够光滑，调整谐振腔内部后镜，如图6所示，分别可以调整后镜的上下和左右角度，达到调整谐振腔激光输出的质量，使加工出孔形是一个标准的圆。

图6 谐振腔内后镜结构示意图

(3)故障现象 JK700激光器加工时频繁出现:工作光闸保护206报警，Process Shutter Thermal fuse和207报警，Shutter Failure。

工作光闸作用 (见图7):控制激光束输出，不需要输出时，激光能量通过激光束回收窗返回到激光回收器中，依靠内循环冷却水将激光热量消耗掉;需要输出时，工作光闸可靠打开，保证激光输出;激光输出异常时，工作光闸连同安全光闸一起动作，关断激光输出。

图7 JK激光为例激光光路控制示意图

针对206报警，做好防护，打开工作光闸护罩，发现低能量激光束输出时，工作光闸打开可靠，激光输出正常;但是激光不输出时，热保险很短时间内就会烧坏。经检查发现，工作光闸镜片表面镀层有轻微失落，不能将激光反射到回收站内，从而引起温度保险过温保护。

针对207报警:做好防护，打开工作光闸护罩，低能量激光束输出时，工作光闸没有打开。光闸驱动电动机12V电压正常;再仔细检查发现电动机轴承出现一点锈蚀现象，影响动作可靠性，对锈蚀点进行处理后，动作正常。

(4)故障现象 LASAG激光器触发瞬间掉电，激光器操作面板上灯闪烁。

激光器启动后，储能电容模块、高压充电电源都显示OK，测试触发电路控制回路电压正常，但在泵浦灯触发瞬间掉电。考虑更换泵浦灯后出现故障，打开泵浦腔盖，发现触发回路弹簧聚集一堆 (见图8)，调整好间距及触发间隙后，故障排除。

图8 激光触发回路弹簧的影响

(5)故障现象 三维激光切割机在进行材料切割时，切缝比较粗糙 (见图9a)，而且3mm板材都无法切透。

检查激光束与喷油器的同轴度良好，检查之前切割试板的参数，也没有变化，当拆下聚焦镜进行检查时，发现聚焦镜中间有明显的裂纹 (见图9b)，更换聚焦镜后，问题解决。分析造成聚焦镜裂痕的可能原因:工作时镜片没获得良好的冷却;使用了不规范的实验参数;加工的材料具有高放热性污染到聚焦镜。

图9 聚焦镜引起的切缝异常

4.结语

通过对现有激光设备异常工作情况的分析、处理，总结，提升激光类设备维护保养的效率和质量，为航空发动机零部件特种工艺加工保驾护航。