CN102632343A - 以不同角度进行的多次激光加工 - Google Patents

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Abstract

通过使用唯一的毫秒激光，通过具有不同方法参数的多次横越而成功地使用毫秒激光来制造光滑的表面，所述毫秒激光尽管相比于其他的毫秒激光产生更粗糙的表面，但是具有更高的去除率。

Description

以不同角度进行的多次激光加工
技术领域
本发明涉及一种用于激光钻孔的方法，其中，激光多次地在待加工的表面上横越，并且在此调整不同的角度。
背景技术
在很多构件中，尤其在铸造构件中，必须后续地产生如凹槽或者贯通孔的去除部。尤其在具有用于冷却的薄膜冷却孔的涡轮机构件中，在制造构件后后续地加入孔。用于高温应用的这样的涡轮机构件或者普通构件经常还具有例如金属层和/或陶瓷外层的层。那么，必须穿过基体(铸件)的层产生薄膜冷却孔。同样地，在使用之后再磨光这样的覆层构件并且设置新层，其中，将贯通孔在内部一起覆层(向下覆层，coatdown)，然后这必须移除。在此，利用耗费的仪器和方法多样化地工作。
发明内容
因此，本发明的目的是，阐明一种方法，该方法可以快速地且低成本地执行。
EP 1 681 128 A1中示出一种激光钻孔方法，其中，将薄膜冷却孔的扩散部制造成蛇曲形。
通过根据本发明的方法来实现该目的。本发明提供一种用于激光加工的方法，其中，激光束在待加工的面上多次地横越，并且其中，在下一次在待加工的所述面上横越时，所述激光束的相对钻孔轴线的倾斜角不同于在第一次横越所述面时的相对所述钻孔轴线的倾斜角。
在下文中列出了其他有利的措施，所述措施可以任意地彼此组合，以便实现其他优点。
附图说明
其中：
图1、2、3示出以不同视角的薄膜冷却孔的视图；
图4-11示出激光钻孔方法的方法步骤；
图12示出涡轮机叶片；
图13示出燃烧室；
图14示出燃气轮机；
图15示出超合金列表。
附图和描述仅呈示出本发明的实施例。
具体实施方式
图1示出具有孔7的构件1。构件1由基体4(例如铸件或者DX型或者SX型构件)构成。基体4可以是金属的和/或陶瓷的。尤其在涡轮机构件中，例如汽轮机或燃气轮机100(图14)还有飞机涡轮机的涡轮机转子叶片120或涡轮机导向叶片130(图12)、热屏蔽元件155(图13)以及其他壳体部件中，基体4由镍基、钴基或者铁基的超合金构成(图15)。在用于飞机的涡轮机叶片中，基体4例如由钛或者钛基合金构成。
基体4具有孔7，所述孔例如是贯通孔。但也可以是盲孔。孔7由下部区域10和上部区域13组成，所述下部区域始于构件1的内侧并且例如对称地(例如圆形地、椭圆形地或者矩形地)构成，所述上部区域必要时构造为在基体4的外表面14上的扩散部13。扩散部13的横截面相对于孔7的下部区域10的加宽。
孔7例如是薄膜冷却孔。特别地，因为不平整性产生不期望的湍流、转向，所以扩散部13的即在孔7的上部区域中的内置的表面12应该是光滑的，以便使得尤其是冷却介质的介质能够从孔7中流出。对在孔7的下部区域10中的孔表面的质量提出明显较低的要求，因为由此仅很小地影响入流性能。
图2示出构件1，所述构件构成为层系统。在基体4上存在至少一个层16。这例如可以是MCrAlX类型的金属合金，其中，M代表铁、钴或镍中的至少一种元素。X代表钇和/或至少一种稀土元素。层16也可以是陶瓷的。在MCrAIX层上还可以存在另一个层(未示出)，例如陶瓷层，尤其是绝热层。绝热层例如是完全或者部分稳定的氧化锆层，尤其是EB-PVD层(电子束物理气相沉积层)或者等离子喷涂(APS(大气等离子喷涂)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂))层、HVOF(高速火焰喷涂)层或者CGS(冷喷，cold gas spraying)层。在该层系统1中同样引入具有下部区域10和扩散部13的孔7。用于制造孔7的当前实施方案适用于具有和不具有层16的基体4。
图3示出孔7的俯视图。下部区域10可以通过切削的制造方法制成。相反地，这在扩散部13中不可行，或者仅以非常大的耗费可行。
孔7也可以成锐角地延伸至构件1的表面14。
图4示出面29的去除过程(加工)的开始。待加工的面29具有后边缘32和带有两个侧23、26(X方向)的对置的端侧35(Y方向)。这类似地适用于三角形的、多角形的或者圆形的面。
在去除过程开始时，激光束20优选居中地在待加工的面29的后边缘32上优选定中心，并且优选在去除平面上方散焦。
优选地，在第一次开始时，激光束20优选相对钻孔轴线17倾斜，特别优选以2°倾斜。钻孔轴线17优选是孔7的对称轴线或者孔7的对称区域的对称轴线。这在根据图2、3的孔中是下部区域10的对称轴线。激光束20优选相对端侧32、35倾斜，也就是说优选垂直于横越方向。
然后，激光(关闭)沿X方向移行到第一侧23。
然后，激光去除过程(激光打开)从第一侧23开始，直到第二侧26。然后，如果到达待加工的面29的侧26，就关闭激光。
在根据图5的下一步骤中，激光利用尤其CNC机床(数控机床)的控制系统朝着第一侧23的方向移行，优选移行直至在X方向上的钻孔中心，优选移行至与在方法开始时相同的点(图4左)，并且激光以线宽沿Y方向(朝着端侧35)移动。
然后，如在图4中左侧那样，激光再次沿X方向朝第一侧23移行(激光关闭)，从而使得激光束从第一侧起(激光打开)再次这样从侧23直至另一侧26地加工面29。
按照待加工的面29的尺寸来重复横越，即重复图4、5，直至通过待加工的面29的Y方向的移动达到另一端侧35(与后边缘32相对置)，如在图6中所示。
图10示出激光束20在面29上的光路。激光束20优选一直仅从一侧23沿X方向移行到另一侧26，即在激光位置返回到侧23时关闭激光。这是另一发明，独立于激光束20的倾斜，但是优选与激光束20的倾斜相组合。
在图7至图9中，再次加工与在图4、5和6中相同的面，但其中，优选扩大相对钻孔轴线17的倾斜角。
优选地，当第二次在面29上横越时，激光束20总是从另一个、第二侧26起(激光)移行，并且不像第一次横越该面时那样从第一侧23起(图11)移行。然后，这还可以重复第三次，其中，优选再次提高倾斜角，并且激光束20优选又一直从另一侧23起移行。
当在第一次贯通时存在过于粗糙的面或者熔化部时，通过待加工面29的多次横越来达到光滑。这尤其适用于从孔中移除材料。
特别的是，在此，使用低的激光能量，所述能量尤其为二焦耳。
优点还在于，使用仅一个激光，尤其是唯一的激光，这尤其是尤其具有0.25ms的脉冲持续时间的毫秒激光，以便加工构件1，并且不需要其他激光。
在应用用于除去“向下覆层(coat down)”的方法的情况下，优选在加工面29之前已经制成的孔7中的“向下覆层”中引入孔。
图12在立体图中示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。
所述流体机械可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。
作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片梢部415处具有另一平台(未示出)。
在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘上的叶片根部183(未示出)。叶片根部183例如构造为锤头。作为枞树形根部或燕尾形根部的其他构形是可行的。叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和流出棱边412。
在传统叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP 1 204 776B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949公知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。
将带有一个单晶结构或多个单晶结构的工件用作用于在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的机器的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，涉及一种浇注法，其中液态金属合金凝固为单晶构造物、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶以及确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(directionally solidifiedstructures)。由US-PS 6,024,792和EP 0 892 090 A1公知这样的方法。
叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。可由EP0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454 A1已知这样的合金。密度优选地是理论密度的95％。在MCrAlX层上形成保护性氧化铝层(TGO＝thermal grown oxide layer(热生长氧化层))(作为中间层或最外层)。
优选地，层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si  或Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除这些钴基保护覆层外，也优选地使用镍基保护层，如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
在MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层由于氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层方法也是可以考虑的，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS或CVD(化学气相淀积)。隔热层可以具有多孔的、有微观裂纹或宏观裂纹的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。
再处理(Refurbishment)意味着构件120、130在其被使用之后，必要时必须从构件120、130上除去(例如通过喷砂)保护层。接着，进行腐蚀和/或氧化层或腐蚀和/或氧化产物的移除。必要时，还修复在构件120、130中的裂纹。然后，进行构件120、130的再覆层，以及重新使用构件120、130。
叶片120、130可以构成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418(由虚线表示)。
图13示出燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如构建为所谓环形燃烧室，其中，多个沿周向围绕旋转轴线102设置的燃烧器107通到共同的燃烧室腔154中，其产生火焰156。为此，燃烧室110以其整体构建为呈环形的结构，所述呈环形的结构围绕旋转轴线102定位。
为了实现相对高的效率，燃烧室110针对为大约1000℃至1600℃的工作介质M的相对高的温度来设计。为了还在这些对于材料不适宜的运行参数的情况下实现相对长的运行持续时间，燃烧室壁153在其朝向工作介质M的侧上设有由热屏蔽元件155形成的内衬。每个由合金构成的热屏蔽元件155在工作介质侧配备有尤其耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷覆层)或者由耐高温的材料(实心的陶瓷石)制成。保护层能够是类似涡轮叶片的，于是MCrAlX例如表示：M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf)。从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454 A1中已知这样的合金。
在MCrAlX上还可以有例如陶瓷的隔热层，并且隔热层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层工艺在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层工艺也是可以考虑的，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD。隔热层可以具有多孔的、有微观裂纹或宏观裂纹的晶粒，用于更好的耐热冲击性。
再处理(Refurbishment)意味着在使用热屏蔽元件155之后，必要时必须将保护层从热屏蔽元件上除去(例如通过喷砂)。接着，进行腐蚀和/或氧化层或腐蚀和/或氧化产物的去除。必要时，还修复在热屏蔽元件155中的裂纹。其后，进行热屏蔽元件155的再覆层以及重新使用热屏蔽元件155。
此外，由于在燃烧室110的内部中的高温，能够为热屏蔽元件155或为其保持元件设置冷却系统。那么，热屏蔽元件155例如是空心的并且必要时还具有通到燃烧室腔154中的冷却孔(未示出)。
图14以局部纵剖面图举例地示出燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有带有轴101的、可围绕旋转轴线102转动地安装的转子103，该转子也称为涡轮机电枢。沿着转子103依次为进气壳体104、压缩机105、带有多个同轴设置的燃烧器107的尤其为环形燃烧室的例如环面状的燃烧室110、涡轮机108和排气壳体109。环形燃烧室110与例如呈环形的热气体通道111连通。在呈环形的热气体通道处，例如四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。
在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，而该排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。发电机或者做功机械(未示出)耦接于转子103。
在燃气轮机100运行期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。将在压缩机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，从而使得转子叶片120驱动转子103而该转子又驱动耦接在其上的做功机械。
暴露于热工质113的构件在燃气轮机100运行期间承受热负荷。除了内衬于环形燃烧室110的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片可借助冷却剂来冷却。同样，构件的基体可以具有定向结构，这就是说它们是单晶的(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如，铁基、镍基或钴基超合金用作构件的材料，特别是用作涡轮叶片120、130的材料和燃烧室110的构件的材料。例如由EP 1 204 776 B1、EP 1306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949公知这样的超合金。
同样地，叶片120、130可以具有抗腐蚀覆层(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀土元素，或铪)。从EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454 A1中已知这样的合金。
MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层工艺在隔热层中产生柱状晶粒。
导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里未示出)，以及与导向叶片根部对置的导向叶片头部。导向叶片头部朝向转子103并固定在定子143的固定环140上。

Claims (16)

1.用于激光加工的方法，
其中，激光束(20)在待加工的面(29)上多次地横越，并且
其中，在下一次在待加工的所述面(29)上横越时，所述激光束(20)的相对钻孔轴线(17)的倾斜角不同于在第一次横越所述面(29)时的相对所述钻孔轴线(17)的倾斜角。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，在所述激光束(20)第一次横越时相对于所述钻孔轴线(17)的倾斜角不同于0°，尤其为2°。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，以所述激光束(20)第三次，尤其仅三次地横越待加工的所述面(29)。
4.根据权利要求1、2或3中的一个或多个所述的方法，
其中，当第二次或者后续地在所述面(29)上横越时，相对于第一次或者之前的横越更进一步地、尤其每次地、尤其以相同的倾斜方向扩大所述激光束(20)的所述倾斜角。
5.根据权利要求1、2、3或4中的一个或多个所述的方法，
其中，为了整体地加工所述面(29)，或者在所述面(29)上的每次移行时使用毫秒激光，尤其仅使用唯一的毫秒激光。
6.根据权利要求1至5中的一个或多个所述的方法，
其中，对激光使用在一位数的焦耳范围中的低能量，
尤其是小于等于4焦耳并且大于1焦耳，特别尤其是2焦耳。
7.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
其中，使用脉冲的激光束，
尤其仅使用脉冲的激光束，所述脉冲的激光束具有0.1ms至0.8ms的脉冲持续时间，尤其具有0.25ms的脉冲持续时间。
8.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
其中，所述激光束(20)在所述面(29)上沿X方向的所述横越呈直线地进行。
9.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
其中，所述面(29)具有侧(23、26)，并且所述面(29)通过所述激光束(20)进行的加工总是仅沿从所述侧(23)到相对置的侧(26)的方向进行。
10.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
其中，在所述激光束(20)在所述面(29)之上的第二横越时，所述激光束(20)总是从所述另一侧(26)到所述侧(23)地开始加工所述面(29)，
或者在后续的横越中，再次仅从所述侧(23)起沿X方向开始加工所述面(29)。
11.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
其中，所述激光在方法开始时散焦。
12.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
其中，所述激光在所述X方向的中心沿Y方向移动。
13.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
在已覆层的孔(7)再打开时使用所述方法。
14.根据上述权利要求1至12中的一个或多个所述的方法，
在新制造孔(7)时使用所述方法。
15.根据权利要求13所述的方法，
其中，在加工所述面(29)之前，尤其利用所述激光将在所述孔(7)中的覆层钻通。
16.根据上述权利要求中的一个或多个所述的方法，
其中，所述激光束(20)相对于所述钻孔轴线(17)朝着端侧(32、35)倾斜。
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