DE69001081T2

DE69001081T2 - Laserbohrer.

Info

Publication number: DE69001081T2
Application number: DE9090630018T
Authority: DE
Inventors: Richard W Frye; Ronald Gagosz
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1989-02-22
Filing date: 1990-01-18
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2010-01-19
Also published as: JPH02247095A; EP0385911B1; AU636083B2; DE69001081D1; US5037183A; EP0385911A1; AU4785290A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Bohren kleiner Löcher unter Verwendung eines fokussierten Laserstrahls und insbesondere auf das Bohren von Löchern an mehreren nah beabstandeten Orten.

Hintergrund der Erfindung

Gasturbinenschaufeln, die in einer heißen Umgebung arbeiten, werden oft mit Luft gekühlt, welche von innerhalb der Schaufel nach außen durch Kühlluftlöcher ausströmt. Eine Vielzahl dieser Kühlluftlöcher wird durch das Material der Schaufel an nah beabstandeten Orten gebohrt. üblicherweise können 400 solcher Löcher in einer einzelnen Schaufel sein.
Ein bekanntes Verfahren zum Bohren dieser Löcher verwendet einen Impulslaserstrahl. Gemäß diesem Verfahren wird ein Strahl hoher Leistung auf dem Material an einem Ort fokussiert, wo das Loch gebohrt werden soll. Der Laser wird wiederholt gepulst, bis das Loch durch das Material gebohrt ist. Auf eine solche Art können 0,6 mm Löcher durch eine Dicke von 2 min von WASPALLOY 5544 (einer Legierung auf Nickelbasis) gebohrt werden, indem 630-Mikrosekunden-Impulse verwendet werden. Jeder Impuls hat einen Energiepegel von 6 Joule bei einer Impulsfrequenz in der Größenordnung von 5 Hz. Nach der Fertigstellung eines einzelnen Loches wird der Strahl an dem nächsten Ort nachfokussiert, um das nächste Loch zu bohren.
Bei einer großen Anzahl von Löchern, die gebohrt werden, ist es wünschenswert, die Bohrgeschwindigkeit zu erhöhen. Der Laser ist zum Betrieb bei höherer Frequenz geeignet. Jedoch kann effektives Bohren bei diesen höheren Frequenzen nicht ausgeführt werden. Bei 5 Hz wird das Loch in 10 Impulsen gebohrt, wogegen das Erhöhen der Frequenz auf 50 Hz 15 Impulse erfordert, um das gleiche Bohren zu erreichen. Diese zusätzliche Energie geht in die Erwärmung des Materials. Dies erhöht die Temperatur der Begrenzungswand des Loches und vergrößert das Ausmaß der wärmebeeinflußten Zone. Die schnelle Frequenz bietet ebenso weniger Zeit zum Kühlen zwischen den Impulsen.
Da der Laserstrahl von einer Linse fokussiert wird und eine flache konische Form hat, wird der Brennpunkt an der Oberfläche keinen präzisen Brennpunkt an tieferen Stellen ergeben. Im Betrieb wird der Strahl, der auf den Rand des teilweise gebohrten Loches unter einem spitzen Winkel auftrifft, nach unten in das Loch reflektiert, wo er auf den Boden trifft und Material schmilzt und verdampft. Die höhere Temperatur der Begrenzungswände macht diese schwächer reflektierend, wodurch der Wirkungsgrad der Operation weiter abfällt. Dies erhöht ebenso die Chance einer unregelmäßigen Abmessung über der Länge des Loches.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Vielzahl von kleinen Löchern sollen an nah beabstandeten Orten gebohrt werden. Der Laser wird an einem ersten Ort für einen einzelnen Impuls fokussiert. Er wird dann sequentiell auf mehrere andere Orte für einen einzelnen Impuls an jedem Ort fokussiert. Er kommt dann zu dem Anfangsort zurück und bewegt sich wiederholt über die mehreren Orte, so daß die übrigen Locher zwischen Impulsen, die an dem ersten Loch auftreten, gebohrt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Figur ist eine schematische Darstellung der Laserbohranordnung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein Teil eines Materials 10, das die Wand einer hohlen Turbinenschaufel darstellt, benötigt mehrere darin zu bohrende Luftkühllöcher 12. Jedes dieser Löcher soll 0,6 mm im Durchmesser bei einer Wanddicke von 2 mm und bei einem Abstand der Löcher von 2 mm betragen. Wie dargestellt, werden 8 Löcher in einer Operation gebohrt.
Ein Impulslaser 14, der unter einer Lasersteuerung 16 arbeitet, sendet einen Impulsstrahl von Laserenergie 18 aus.
Der Strahl wird von einem Drehspiegel 20 reflektiert, der einen Strahl 22 zu einem zweiten Drehspiegel 24 sendet. Von diesem zweiten Drehspiegel aus wird der Strahl 26 durch eine plankonvexe Linse 28 geleitet, die ihn auf die Oberfläche des Materials 10 fokussiert.
Der Abstand 30 von dem Drehspiegel 24 zur Linse 28 beträgt eine Brennweite. In dem Versuchsaufbau betrug diese Brennweite 12,7 cm, wobei dieselbe Brennweite 32 von 12,7 cm zwischen der Linse und der Oberfläche des Materials besteht. Wenn parallele Löcher gebohrt werden sollen, ist es notwendig, eine Brennweite zwischen dem Spiegel und der Linse zu verwenden.
In der Zeichnung ist die Mittellinie des Strahles dargestellt. Tatsächlich wird ein breiter Strahl paralleler Strahlen von dem Laser über die Spiegel 20 und 24 und zu der Linse gesandt. Danach fokussiert die Linse den Strahl, eine konische Form bildend, um die Energie über einem Brennpunkt der gewünschten Größe zu konzentrieren, um das 0,6 mm Loch zu bohren. Es ist klar, daß, wenn die Einfallsrichtungen aller Komponenten des Strahles in einer gemeinsamen Richtung parallel sind, sie auf einen einzelnen Punkt fokussiert werden. Wenn der Winkel gegen die Linsenachse geändert wird, wie z.B. durch Drehung des Spiegels, ist der Brennpunkt aller Teile des Strahles an einem anderen Ort.
Es ist deshalb klar, daß bei einer besonderen Winkelposition des Spiegels 24 der Strahl 26 durch die Linse 28 so fokussiert wird, daß er einen durch die Mittellinie 34 dargestellten Strahl erzeugt, um zu bewirken, daß die Energie an der Oberfläche des Materials, wo das Loch 12 dargestellt ist, fokussiert wird. Durch Drehen des Spiegels 24 auf einen anderen Winkel wird der Strahl 36 durch die Linse 28 fokussiert, um einen Strahl, welcher durch seine Mittellinie 38 dargestellt ist, zu erzeugen, der an der Oberfläche des Materials, wo das Loch 40 dargestellt ist, fokussiert wird. Durch geeignete Ausrichtung des Spiegels 24 kann der Strahl in jedem dazwischen liegenden Ort, wo die Löcher gezeigt sind, fokussiert werden.
Der Drehspiegel 24 wird durch einen Galvanometerabtaster 42 in die gewünschte Position gedreht. Dieser bewirkt, daß der Spiegel zu jedem der fokussierten Orte gelenkt wird.
Eine Abtasterantrieb- und Lasertriggersteuerung 50 steuert den Abtaster zu jeder seiner gewählten Positionen und koordiniert die Position mit dem Impuls dus dem Laser 14. Beim Beginnen des Bohrens wird der Drehspiegel 24 so eingestellt, daß er den Laserimpuls an der Oberfläche nahe dem Loch 12 fokussiert. Die Lasertriggerelektronik erlaubt, daß ein Impuls an diesem Punkt abgegeben wird, und dreht den Spiegel zu der Oberfläche, wo eines der anderen Löcher gebohrt werden soll. Nach einer kurzen Zeitverzögerung, um dem Spiegel zu erlauben sich zu beruhigen, wird ein zweiter Laserimpuls an diesen Ort abgegeben.
Auf diese Weise wird der Laser sequentiell zu jedem Ort getaktet, der einem Loch, welches gebohrt werden soll, entspricht. Danach kehrt er zu dem ersten Ort für einen zweiten einzelnen Impuls an diesem Ort zurück. Durch Fortsetzen dieser Operation werden die einzelnen Impulse sequentiell an die mehreren Löcher abgegeben, bis das Bohren an allen 8 Orten (nur 4 Löcher sind gezeigt) abgeschlossen ist.
Jedes Loch empfängt zwar noch Impulse mit der Frequenz von 5 Hz, der Laser wird jedoch so betrieben, daß er Impulse mit einer Frequenz von 40 Hz bei 6 Joule pro Impuls liefert, wobei jeder Impuls 630 Mikrosekunden dauert. Es ist zu erkennen, daß dieselbe Bohrgeschwindigkeit wie bei üblichen Verfahren in jedem Loch vorliegt und sich demgemäß die Wirkungsgrade und Vorteile der begrenzten Geschwindigkeit für jedes der Löcher ergeben. Indem die Zeit zwischen den Impulsen an jedem einzelnen Ort zum Bohren von Löchern an anderen Orten ausgenutzt wird, wird jedoch die Leistung der Bohrvorrichtung um das Achtfache erhöht.
Der Abstand 30 kann auf weniger als die Brennweite eingestellt werden. In einem solchen Fall werden die mehreren Löcher Mittellinien haben, die von der Oberfläche aus divergieren. Umgekehrt wird das Einstellen des Abstandes 30 größer als die Brennweite Löcher erzeugen, die von der Oberfläche aus konvergieren.

Claims

1. Verfahren zum Laserbohren von mehreren Löchern (12) an eng beabstandeten Orten in einem Material (10), wobei jedes Loch eine Vielzahl von Impulsen zum Bohren erfordert, mit einem Impulslaserstrahl, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) Fokussieren des Laserstrahls an einem ersten Ort für einen ersten Laserimpuls;

b) sequentielles Fokussieren des Laserstrahls an jedem anderen Ort für einen anschließenden Laserimpuls an jedem Ort;

c) Wiederholen der Schritte a) und b), bis das Lochbohren abgeschlossen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Fokussierens des Laserstrahls an einem ersten Ort umfaßt: Reflektieren des Laserstrahls mit einem Spiegel (24) zu einer Linse (28) unter einem ersten Winkel bezüglich der Linse (28).

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des sequentiellen Fokussierens des Laserstrahls an jedem anderen Ort umfaßt:

Bewegen des Spiegels (24) und Reflektieren des Laserstrahls zu der Linse (28) unter mehreren unterschiedlichen Winkeln bezüglich der Linse (28).

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Bewegens des Spiegels umfaßt: Drehen des Spiegels (24) um eine Achse.

5. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend: Abgeben der Impulse an jeden Ort mit einer Frequenz von fünf bis zehn Hz.

6. Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend: Anordnen des Spiegels (24) in einem Abstand von der Linse (28), der gleich der Brennweite der Linse (28) ist, wodurch parallele Löcher (12) gebohrt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend: Anordnen des Spiegels (24) in einem Abstand von der Linse (28), der geringer als die Brennweite der Linse ist, wodurch divergente Löcher (12) gebohrt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend: Anordnen des Spiegels (24) in einem Abstand von der Linse (28), der größer als die Brennweite der Linse (28) ist, wodurch konvergente Löcher (12) gebohrt werden.