一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置及方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置和方法，包括：控制系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)和鉆孔系統(tǒng)；鉆孔系統(tǒng)包括：用于發(fā)射紅外脈沖激光的紅外激光器，紅外脈沖激光經(jīng)過依次設(shè)置的聚焦鏡、振鏡和遠心場鏡后聚焦在燃氣輪機葉片表面；紅外探測系統(tǒng)用于在控制系統(tǒng)的控制下，對燃氣輪機葉片表面的輪廓進行掃描；控制系統(tǒng)用于根據(jù)燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制振鏡的偏轉(zhuǎn)角以及控制振鏡和遠心場鏡在豎直方向上移動，以調(diào)整聚焦在燃氣輪機葉片表面的焦點的位置，對燃氣輪機葉片表面的指定位置進行鉆孔。本發(fā)明專利技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，使得葉片表面孔型尺寸和孔位置精確控制，使得鉆孔孔壁面較為光滑，鉆孔后葉片強度保持較高。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及機械加工
，尤其涉及一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置及方法。
技術(shù)介紹
隨著人們對生存環(huán)境要求的提高，在能源生產(chǎn)利用方面，燃氣輪機發(fā)電技術(shù)的應(yīng)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(yè)的發(fā)展，使得越來越多的煤氣產(chǎn)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(fā)電成為焦爐煤氣應(yīng)用的最佳選擇之一。為了優(yōu)化復(fù)循環(huán)發(fā)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(dǎo)致產(chǎn)生的NOx排放物的增長將超標。因此設(shè)計者不得不尋找燃燒室和渦輪機的結(jié)構(gòu)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(jié)合在復(fù)雜周期或蒸汽冷卻里引入了其它的概念。傳統(tǒng)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(chǎn)生破壞，導(dǎo)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(tài)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(yīng)力。切割后還必須進行清洗、拋光等后處理。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是提供一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，克服傳統(tǒng)的葉片鉆孔方法對葉片造成損壞的缺陷。為此目的，本專利技術(shù)提出了一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，包括：控制系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)和鉆孔系統(tǒng)；所述鉆孔系統(tǒng)包括：用于發(fā)射紅外脈沖激光的紅外激光器以及依次設(shè)置的聚焦鏡、振鏡和遠心場鏡；所述紅外脈沖激光經(jīng)過依次設(shè)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(tǒng)用于在所述控制系統(tǒng)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(tǒng)用于根據(jù)所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制所述振鏡的偏轉(zhuǎn)角以及控制所述振鏡和遠心場鏡在豎直方向上移動，以調(diào)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(yōu)選的，所述聚焦鏡繞其所在的光軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過所述聚焦鏡出射的所述紅外脈沖激光繞所述光軸旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的，所述鉆孔系統(tǒng)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(jīng)過依次設(shè)置的所述光閘、擴束鏡、反射鏡后進入所述聚焦鏡。優(yōu)選的，該裝置還包括：樣品固定平臺、分別設(shè)置在所述樣品固定平臺兩側(cè)的吹氣系統(tǒng)和集塵系統(tǒng)；所述吹氣系統(tǒng)用于吹出氣體；所述集塵系統(tǒng)與所述吹氣系統(tǒng)相配合，用于收集所述吹氣系統(tǒng)吹出的經(jīng)過所述樣品固定臺的氣體。優(yōu)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(nèi)部填充有特氟隆材料。另一方面，本專利技術(shù)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(tǒng)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(fā)射紅外脈沖激光；其中，所述紅外脈沖激光經(jīng)過依次設(shè)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(jù)所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制振鏡的偏轉(zhuǎn)角以及控制所述振鏡和遠心場鏡在豎直方向上移動，以調(diào)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(yōu)選的，所述聚焦鏡繞其所在的光軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過所述聚焦鏡出射的所述紅外脈沖激光繞所述光軸旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的，所述紅外脈沖激光經(jīng)過依次設(shè)置的光閘、擴束鏡、反射鏡后進入所述聚焦鏡。優(yōu)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(shè)置在樣品固定平臺一側(cè)的吹氣系統(tǒng)吹出氣體；通過設(shè)置在所述樣品固定平臺另一側(cè)的與所述吹氣系統(tǒng)相配合集塵系統(tǒng)，收集所述吹氣系統(tǒng)吹出的經(jīng)過所述樣品固定臺的氣體。優(yōu)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(nèi)部填充特氟隆材料。本專利技術(shù)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(fā)射紅外脈沖激光，并借助于紅外探測系統(tǒng)對葉片表面區(qū)域進行掃描并反饋到控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)掃描結(jié)果控制振鏡的位置，從而調(diào)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專利技術(shù)的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本專利技術(shù)進行任何限制，在附圖中：圖1為本專利技術(shù)實施例提供了一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)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(jié)合附圖對本專利技術(shù)的實施例進行詳細描述。需要說明的是，傳統(tǒng)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(dǎo)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。本專利技術(shù)實施例采用激光鉆孔可以避免這些問題的出現(xiàn)，而且激光具有非接觸、不污染環(huán)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(tǒng)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(chǎn)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。所以本專利技術(shù)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(xué)系統(tǒng)，在獨特的聚焦裝置下，來實現(xiàn)一種新穎的激光對葉片表面鉆孔的手段。如圖1所示，本專利技術(shù)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(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)8和鉆孔系統(tǒng)；所述鉆孔系統(tǒng)包括：用于發(fā)射紅外脈沖激光的紅外激光器1以及依次設(shè)置的聚焦鏡5、振鏡6和遠心場鏡7；所述紅外脈沖激光經(jīng)過依次設(shè)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(tǒng)8用于在所述控制系統(tǒng)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(tǒng)用于根據(jù)所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制所述振鏡6的偏轉(zhuǎn)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(diào)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(zhì)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，所以本專利技術(shù)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(zhuǎn)，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(fù)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(tǒng)8對燃氣輪機葉片表面區(qū)域進行掃描并將掃描結(jié)果反饋到控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)控制紅外激光器1發(fā)射紅外脈沖激光，并根據(jù)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(qū)動振本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，其特征在于，包括：控制系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)和鉆孔系統(tǒng)；所述鉆孔系統(tǒng)包括：用于發(fā)射紅外脈沖激光的紅外激光器以及依次設(shè)置的聚焦鏡、振鏡和遠心場鏡；所述紅外脈沖激光經(jīng)過依次設(shè)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(tǒng)用于在所述控制系統(tǒng)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(tǒng)用于根據(jù)所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制所述振鏡的偏轉(zhuǎn)角以及控制所述振鏡和遠心場鏡在豎直方向上移動，以調(diào)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。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種燃氣輪機葉片的激光鉆孔裝置，其特征在于，包括：控制系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)和鉆孔系統(tǒng)；所述鉆孔系統(tǒng)包括：用于發(fā)射紅外脈沖激光的紅外激光器以及依次設(shè)置的聚焦鏡、振鏡和遠心場鏡；所述紅外脈沖激光經(jīng)過依次設(shè)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(tǒng)用于在所述控制系統(tǒng)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(tǒng)用于根據(jù)所述燃氣輪機葉片表面的輪廓，控制所述振鏡的偏轉(zhuǎn)角以及控制所述振鏡和遠心場鏡在豎直方向上移動，以調(diào)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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聚焦鏡繞其所在的光軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過所述聚焦鏡出射的所述紅外脈沖激光繞所述光軸旋轉(zhuǎn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述鉆孔系統(tǒng)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(jīng)過依次設(shè)置的所述光閘、擴束鏡、反射鏡后進入所述聚焦鏡。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括：樣品固定平臺、分別設(shè)置在所述樣品固定平臺兩側(cè)的吹氣系統(tǒng)和集塵系統(tǒng)；所述吹氣系統(tǒng)用于吹出氣體；所述集塵系統(tǒng)與所述吹氣系統(tǒng)相配合，用于收集所述吹氣系統(tǒng)吹出的經(jīng)過所述樣品固定臺的氣體。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述燃氣輪機葉片的表...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周明，狄建科，
申請(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11