本發明涉及機械加工技術領域，尤其涉及一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置及方法。

背景技術：

隨著人們對生存環境要求的提高，在能源生產利用方面，燃氣輪機發電技術的應用越來越受到人們的重視。在中國，西氣東輸工程的實施以及焦炭行業的發展，使得越來越多的煤氣產出單位迫切需要尋找能源有效利用的新途徑，采用燃氣輪機發電成為焦爐煤氣應用的最佳選擇之一。

為了優化復循環發電機組的能力和效率,渦輪機入口溫度必須盡可能高。這將提高火焰的溫度，進而導致產生的NOx排放物的增長將超標。因此設計者不得不尋找燃燒室和渦輪機的結構特點，這些特點使之保留冷卻空氣以作為助燃空氣。這對較高溫度和較少冷卻空氣的需求的結合在復雜周期或蒸汽冷卻里引入了其它的概念。

傳統的葉片鉆孔方法是使用機械刀頭或電火花加工，機械刀頭鉆孔這種方法容易造成材料基底損傷，裂紋也較大，效率較慢，刀頭非常貴且易磨損，需定期更換；電火花加工，雖比機械刀頭鉆孔精度高些，但是在實際加工中會對葉片表面特意濺射的陶瓷材料產生破壞，導致廢片，縮短葉片的使用壽命。而且這些鉆孔工序往往伴隨著切割輔助劑，液態輔助劑的黏附問題，使得切割切面比較粗糙，存在微細的裂紋和局部應力。切割后還必須進行清洗、拋光等后處理。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，克服傳統的葉片鉆孔方法對葉片造成損壞的缺陷。

為此目的，本發明提出了一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，包括：控制系統、紅外探測系統和鉆孔系統；所述鉆孔系統包括：用于發射紅外脈沖激光的紅外激光器以及依次設置的聚焦鏡、振鏡和遠心場鏡；所述紅外脈沖激光經過依次設置的聚焦鏡、振鏡和遠心場鏡后聚焦在所述燃氣輪機葉片表面；

所述紅外探測系統用于在所述控制系統的控制下，對燃氣輪機葉片表面的輪廓進行掃描；

所述控制系統用于根據所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制所述振鏡的偏轉角以及控制所述振鏡和遠心場鏡在豎直方向上移動，以調整聚焦在所述燃氣輪機葉片表面的焦點的位置，對所述燃氣輪機葉片表面的指定位置進行鉆孔。

優選的，所述聚焦鏡繞其所在的光軸旋轉，經過所述聚焦鏡出射的所述紅外脈沖激光繞所述光軸旋轉。

優選的，所述鉆孔系統還包括：與所述紅外激光器的輸出端銜接的光閘、與所述光閘的輸出端銜接的擴束鏡、與所述擴束鏡的輸出端銜接的反射鏡；

所述紅外脈沖激光經過依次設置的所述光閘、擴束鏡、反射鏡后進入所述聚焦鏡。

優選的，該裝置還包括：樣品固定平臺、分別設置在所述樣品固定平臺兩側的吹氣系統和集塵系統；

所述吹氣系統用于吹出氣體；所述集塵系統與所述吹氣系統相配合，用于收集所述吹氣系統吹出的經過所述樣品固定臺的氣體。

優選的，所述燃氣輪機葉片的表面涂有保護膠，所述燃氣輪機葉片的內部填充有特氟隆材料。

另一方面，本發明實施例還提供了一種采用上述任意一種所述的燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置對燃氣輪機葉片進行激光鉆孔的方法，該方法包括：

控制紅外探測系統對所述燃氣輪機葉片表面的輪廓進行掃描；

控制紅外激光器發射紅外脈沖激光；其中，所述紅外脈沖激光經過依次設置的聚焦鏡、振鏡和遠心場鏡后聚焦在所述燃氣輪機葉片表面；

根據所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制振鏡的偏轉角以及控制所述振鏡和遠心場鏡在豎直方向上移動，以調整聚焦在所述燃氣輪機葉片表面的焦點的位置，對所述燃氣輪機葉片表面的指定位置進行鉆孔。

優選的，所述聚焦鏡繞其所在的光軸旋轉，經過所述聚焦鏡出射的所述紅外脈沖激光繞所述光軸旋轉。

優選的，所述紅外脈沖激光經過依次設置的光閘、擴束鏡、反射鏡后進入所述聚焦鏡。

優選的，在對所述燃氣輪機葉片表面的指定位置進行鉆孔的同時，還包括：

通過設置在樣品固定平臺一側的吹氣系統吹出氣體；

通過設置在所述樣品固定平臺另一側的與所述吹氣系統相配合集塵系統，收集所述吹氣系統吹出的經過所述樣品固定臺的氣體。

優選的，在對燃氣輪機葉片表面的輪廓進行掃描之前，還包括：

在所述燃氣輪機葉片的表面涂覆保護層，并在所述燃氣輪機葉片的內部填充特氟隆材料。

本發明實施例提供的燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置和方法，通過高功率的紅外激光器發射紅外脈沖激光，并借助于紅外探測系統對葉片表面區域進行掃描并反饋到控制系統，由控制系統根據掃描結果控制振鏡的位置，從而調整焦點的位置，以使得所加工的葉片表面都在高功率的紅外激光焦點上，使得葉片表面孔型尺寸和孔位置精確控制，以達到鉆孔孔壁面較為光滑，鉆孔后葉片強度保持較高，孔型尺寸和位置保持較高水準的加工效果。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中：

圖1為本發明實施例提供了一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供了一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。

需要說明的是，傳統的燃氣輪機葉片鉆孔采用機械刀頭和電火花加工，會對加工材料的基底造成損傷或者對葉片表面的陶瓷材料造成破壞，導致廢片或者縮短葉片的使用壽命，在鉆孔后還需進行清洗拋光等處理工序。本發明實施例采用激光鉆孔可以避免這些問題的出現，而且激光具有非接觸、不污染環境、易控制等特性。首先，燃氣輪機葉片是含鎳基的耐高溫的金屬材料，強度和硬度較高，傳統的機械加工和電火花加工并不適宜加工。其次，激光作為一種新穎的加工方法，對材料的適用性比較強，適合不同曲面的葉片表面加工；而高功率的脈沖激光所產生瞬時峰值功率極強，能瞬間將葉片表面基體材料去除，而對基底材料傷害較小。所以本發明實施例采用紅外激光器作為激光源進行葉片鉆孔，借助于外部光學系統，在獨特的聚焦裝置下，來實現一種新穎的激光對葉片表面鉆孔的手段。

如圖1所示，本發明實施例提供了一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，該裝置包括：控制系統、紅外探測系統8和鉆孔系統；所述鉆孔系統包括：用于發射紅外脈沖激光的紅外激光器1以及依次設置的聚焦鏡5、振鏡6和遠心場鏡7；所述紅外脈沖激光經過依次設置的聚焦鏡5、振鏡6和遠心場鏡7后聚焦在所述燃氣輪機葉片表面；

所述紅外探測系統8用于在所述控制系統的控制下，對燃氣輪機葉片表面的輪廓進行掃描；

所述控制系統用于根據所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制所述振鏡6的偏轉角以及控制所述振鏡6和遠心場鏡7在豎直方向上移動，以調整聚焦在所述燃氣輪機葉片表面的焦點的位置，對所述燃氣輪機葉片表面的指定位置進行鉆孔。

需要說明的是，燃氣輪機葉片是對紅外吸收率較高的含鎳基的耐高溫的高硬質的金屬材料，耐高溫鎳基金屬類材料強烈吸收波長1064nm的紅外脈沖激光，所以本發明實施例可以采用吸收率較高的波長為1064nm的紅外脈沖激光器，從而幾乎所有的激光能量都能將燃氣輪機葉片表面所吸收。同時，激光焦點能夠相對于所加工燃氣輪機葉片表面孔型高速上下移動且光束能高速旋轉，激光焦點會形成所需要的鉆孔切割線，將會使得激光焦點沿著固定的切割道向下進階，直至最終完成燃氣輪機葉片的打孔。激光光軸再移動至下一葉片孔型方向，如此反復完成葉片表面孔型的加工。

具體的，待加工的燃氣輪機葉片固定的樣品固定平臺上，并借助于紅外探測系統8對燃氣輪機葉片表面區域進行掃描并將掃描結果反饋到控制系統。控制系統控制紅外激光器1發射紅外脈沖激光，并根據掃描得到的燃氣輪機表面的輪廓形狀，通過控制振鏡6電機驅動振鏡6發生偏轉，振鏡6包括X軸振鏡6和Y軸振鏡6，通過改變X軸振鏡6和Y軸振鏡6的偏轉角，均可以改變經過遠心場鏡7后聚焦在燃氣輪機葉片表面的焦點的位置，通過控制振鏡6和遠心場鏡7在Z軸方向上下移動，從而可以使焦點上下移動，以保證所加工的葉片表面都在高功率的紅外激光焦點上，進而實現高能量的紅外脈沖激光對葉片的精確鉆孔。其中，紅外脈沖激光經過聚焦鏡5聚焦后，形成圓形光斑，在經過振鏡6和遠心場鏡7后，使光路在葉片上聚焦成更小的光斑，從而使能量更高、密度更高的激光聚焦到所需加工區域。

本發明實施例提供的燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，通過高功率的紅外激光器發射紅外脈沖激光，并借助于紅外探測系統對葉片表面區域進行掃描并反饋到控制系統，由控制系統根據掃描結果控制振鏡的位置，從而調整焦點的位置，以使得所加工的葉片表面都在高功率的紅外激光焦點上，使得葉片表面孔型尺寸和孔位置精確控制，以達到鉆孔孔壁面較為光滑，鉆孔后葉片強度保持較高，孔型尺寸和位置保持較高水準的加工效果。

在上述實施例的基礎上，所述聚焦鏡5繞其所在的光軸旋轉，經過所述聚焦鏡5出射的所述紅外脈沖激光繞所述光軸旋轉，從而使光束高速旋轉，形成所需要的鉆孔切割線。進一步的，所述鉆孔系統還包括：與所述紅外激光器1的輸出端銜接的光閘2、與所述光閘2的輸出端銜接的擴束鏡3、與所述擴束鏡3的輸出端銜接的反射鏡4；所述紅外脈沖激光經過依次設置的所述光閘2、擴束鏡3、反射鏡4后進入所述聚焦鏡5。

光路傳輸中光閘2起到激光通斷的外部控制，不處于加工狀態時可對激光進行阻攔，也起到一定的保護作用，防止操作人員受到意外傷害。擴束鏡3的放大倍率從5～10倍可調，其作用是將激光光束的直徑擴大到之前的5-10倍并進行準直，使出射光束的平行度更佳，有利于將光束在后續的系統中進行聚焦。該反射鏡4為45°全反射鏡，反射鏡4主要起到光路偏轉的作用，反射鏡4與擴束鏡3之間的距離沒有特定的限制，但是其位置在機械設計時鏡片的中心盡量保持水平一致或是垂直一致(圖1中光路轉角為直角，實現垂直改向)，以方便光路的調節，光路垂直改向后到達聚焦鏡5，由聚焦鏡5進行聚焦，形成圓形光斑，然后通過振鏡6到達遠心場鏡7，使得光路在葉片上聚焦成更小的光斑，使能量更加集中，更加利用鉆孔尺寸和位置的控制。

在上述實施例的基礎上，本發明實施例提供的燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置還包括：樣品固定平臺、分別設置在所述樣品固定平臺兩側的吹氣系統9和集塵系統10；所述吹氣系統9用于吹出氣體；所述集塵系統10與所述吹氣系統9相配合，用于收集所述吹氣系統9吹出的經過所述樣品固定臺11的氣體。

需要說明的是，吹氣系統9位于樣品固定臺11的一側，為了利于鉆孔，可以通過吹氣系統9吹氣來帶走葉片加工過程中的粉塵和殘渣等，同時可以在樣品固定臺11的另一側設置集塵系統10，來接收吹氣系統9吹出的經過所述樣品固定臺11的氣體，從而收集粉塵和殘渣。

其中，為了提高激光鉆孔葉片的工藝重復性和穩定性，待鉆孔的燃氣輪機葉片的表面涂有保護膠，燃氣輪機葉片的內部填充有特氟隆材料。具體的，在鉆孔前，將燃氣輪機葉片清洗干凈，并涂上一層保護膠，在間隔1小時后，再涂上一層保護膠，待保護膠穩定固化后，在葉片內填充特氟隆材料以保護內腔，之后將葉片固定在樣品固定臺11的特定夾具上進行后續的鉆孔工序。在鉆孔后可以采用特定量具如針規作相應孔型測驗，保證每個孔徑大小符合設計要求，并且可以對鉆孔后的燃氣輪機葉片做氣流檢測以驗證氣流通過并進行熱成像檢測以保證孔徑邊緣裂紋最小，提高燃氣輪機葉片的質量。

另一方面，如圖2所示，本發明實施例還提供了一種采用上述的燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置對燃氣輪機葉片進行激光鉆孔的方法，該方法包括以下步驟：

S1：控制紅外探測系統8對所述燃氣輪機葉片表面的輪廓進行掃描；

S2：控制紅外激光器1發射紅外脈沖激光；其中，所述紅外脈沖激光經過依次設置的聚焦鏡5、振鏡6和遠心場鏡7后聚焦在所述燃氣輪機葉片表面；

S3：根據所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制振鏡6的偏轉角以及控制所述振鏡6和遠心場鏡7在豎直方向上移動，以調整聚焦在所述燃氣輪機葉片表面的焦點的位置，對所述燃氣輪機葉片表面的指定位置進行鉆孔。

需要說明的是，上述步驟S1-S3以控制系統為執行主體，具體的，待加工的燃氣輪機葉片固定的樣品固定平臺上，并借助于紅外探測系統8對燃氣輪機葉片表面區域進行掃描并將掃描結果反饋到控制系統。控制系統控制紅外激光器1發射紅外脈沖激光，并根據掃描得到的燃氣輪機表面的輪廓形狀，通過控制振鏡電機驅動振鏡6發生偏轉，振鏡6包括X軸振鏡和Y軸振鏡，通過改變X軸振鏡和Y軸振鏡的偏轉角，均可以改變經過遠心場鏡7后聚焦在燃氣輪機葉片表面的焦點的位置，通過控制振鏡6和遠心場鏡7在Z軸方向上下移動，從而可以使焦點上下移動，以保證所加工的葉片表面都在高功率的紅外激光焦點上，進而實現高能量的紅外脈沖激光對葉片的精確鉆孔。其中，紅外脈沖激光經過聚焦鏡5聚焦后，形成圓形光斑，在經過振鏡6和遠心場鏡7后，使光路在葉片上聚焦成更小的光斑，從而使能量更高、密度更高的激光聚焦到所需加工區域。

本發明實施例提供的燃氣輪機葉片的激光鉆孔方法，通過高功率的紅外激光器發射紅外脈沖激光，并借助于紅外探測系統對葉片表面區域進行掃描并反饋到控制系統，由控制系統根據掃描結果控制振鏡的位置，從而調整焦點的位置，以使得所加工的葉片表面都在高功率的紅外激光焦點上，使得葉片表面孔型尺寸和孔位置精確控制，以達到鉆孔孔壁面較為光滑，鉆孔后葉片強度保持較高，孔型尺寸和位置保持較高水準的加工效果。

在上述實施例的基礎上，所述聚焦鏡5繞其所在的光軸旋轉，經過所述聚焦鏡5出射的所述紅外脈沖激光繞所述光軸旋轉。

在上述實施例的基礎上，所述紅外脈沖激光經過依次設置的光閘2、擴束鏡3、反射鏡4后進入所述聚焦鏡5。

其中較優的，為了去除加工過程中的粉塵和殘渣，在對所述燃氣輪機葉片表面的指定位置進行鉆孔的同時，還包括：

通過設置在樣品固定平臺一側的吹氣系統9吹出氣體；

通過設置在所述樣品固定平臺另一側的與所述吹氣系統9相配合集塵系統10，收集所述吹氣系統9吹出的經過所述樣品固定臺11的氣體。

其中較優的，為了對燃氣輪機葉片進行保護，在對燃氣輪機葉片表面的輪廓進行掃描之前，還包括：

在所述燃氣輪機葉片的表面涂覆保護層，并在所述燃氣輪機葉片的內部填充特氟隆材料。

雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內。