JP2002509033A - パーカッション及びトレパニングの組合せレーザー・ドリリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超合金部材に比較的大きく深い孔をレーザー・ドリリングにより穿孔する方法が提供され、該方法は、この部材に、パーカッション・レーザー・ドリリングにより中央孔を所定の孔径未満の孔径まで穿孔し、次いで、トレパニング・レーザー・ドリリングにより該中央孔を前記所定の孔径まで拡大させることにより行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、レーザー・ドリリングにより部材に孔を穿孔することに関し、よ
り詳しくは、超合金部材に、及び、特にタービン翼・羽根のようなガスタービン
部材に、比較的大きく深い孔を穿孔するレーザー・ドリリングに関する。

【０００２】 タービン翼・羽根のようなガスタービン部材に冷却用の孔の如き孔をレーザー
・ドリリングすることは、かなりの間知られてきた。レーザーによる材料処理は
、工程中の材料の表面に高エネルギーのレーザービームを集中させることが必要
になる。このビームのある部分は吸収されるが、その量は、材料の種類や表面の
状態に依存する。高エネルギー（例えば、２５０ワット）の吸収によって高い強
度（１０^７ワット／ｃｍ^２のオーダー）が作成されること、及び、ビームを０. ００４乃至０.００８インチ径に集束させることによって、その表面材料は、加 熱、溶融、そして蒸発する。

【０００３】 レーザー・ドリリングは、全ての強靭な航空宇宙用合金において、小さな径（
例えば、０.００４インチ）の孔、高い（＞１０対１）アスペクト（孔径に対す る深さ）比を持った孔、及び、その表面からの浅い（１０°）角度の孔を作成す
る能力のために、最も注目されている。

【０００４】 レーザー・ドリリングのプロセスには、パーカッション・ドリリングとトレパ
ニング・ドリリングの２つがある。パーカッション・レーザー・ドリリングは、
典型的には、翼及びノズルガイド羽根に冷却用孔を作成するために使用される。
この方法は、一定のビームと一つ以上のパルスを必要とし、材料の厚さを貫通さ
せる。パーカッション・レーザー・ドリリングに関しては、孔の径は、ビームの
径とそのパワーレベルによって確定される。

【０００５】 トレパニング・レーザー・ドリリングは、孔を輪郭切削することを必要とする
。これは、一定の集束されたビーム（例えば、パーカッション・ドリリングにお
けるように）によって形成される孔径よりも大きな孔径の孔を作成するために、
円形の経路に沿ってビームを移動させるものである。レーザービームと同時に、
高圧の不活性ガス又は酸化ガスがノズルを経て流れ、レーザーで融解した金属を
除去するために必要な機械的エネルギーを提供する。トレパニング・ドリリング
に関しては、その孔径は、移動系の動きのみによって制限される。

【０００６】 パーカッション・ドリリング及びトレパニング・ドリリングについては、それ
が比較的大きな孔（例えば、少なくとも０.０３０インチ）や深い孔（例えば、 少なくとも０.３０インチ）を穿孔するとき、特にＮｉ及び／又はＣｏ系超合金 に関して、制限を受ける。パーカッション法が制限されるのは、効果的に穿孔す
ることができる最大のアスペクト比が、孔を塞ぐスラグの形成のため、約０.０ ３０インチの孔径の場合に約１０対１である、という点からである。更に、大き
く深い孔がパーカッション・ドリリングで穿孔されるとき、形成される孔は、例
えば底に向かって小さくなるように、テーパーがついているように観察される。
大きく深い孔をトレパニング・ドリリングすることもまた効果的ではないが、こ
れは、孔が深く形成される以前にスラグが孔に堆積する傾向があって、レーザー
エネルギーが基材によって吸収され、以後の穿孔を阻害するからである。

【０００７】 従って、本発明の目的は、超合金部材に大きく深い孔をレーザー穿孔する方法
を提供することである。

【０００８】 （発明の要約） 要約すると、ニッケル及び／又はコバルト系超合金部材に、少なくとも約０. ０３０インチの所定の孔径と少なくとも約１０対１の深さ／孔径の比とを有する
孔をレーザー・ドリリングにより穿孔する方法であって、前記超合金部材に、前
記所定の孔径未満の孔径に達する中央孔をパーカッション・レーザー・ドリリン
グにより穿孔し、前記中央孔の周囲をトレパニング・レーザー・ドリリングによ
り穿孔し、前記孔の孔径を前記所定の孔径まで拡大すること、を含む方法である
。これらのステップは、この穿孔プロセスの間、均一な孔の形成が完了するまで
必要に応じて繰り返される。

【０００９】 （詳細な説明） レーザー・ドリリングは、一般に、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）を用いた
パルス・ヤグ（ＹＡＧ）レーザーによって実施される。このレーザーは、典型的
には、約２５０ワットの平均エネルギーを持った約０.００４乃至０.００８イン
チ径のビームを形成する。このレーザービームを、穿孔される部材の表面に集束
させるための、レンズを有した光学系が用意される。この部材は、Ｎｉ及び／又
はＣｏ系超合金である。代表的な超合金には、Ｍａｒ-Ｍ５０９、ＩＮ-７３８、
ＣＭＳＸ-４、ＩＮ-７９２、Ｕ５２０及びＸ-４０が含まれる。この部材は、タ ービン翼・羽根などのガス・タービン部材とすることができ、この孔は、一般に
膜冷却のために穿孔される。穿孔される所定の孔径は少なくとも約０.０３０イ ンチであり、深さ／孔径の比は少なくとも約１０対１であり、好ましくは、約０
.０３乃至０.１０インチの孔径であり、約２０対１乃至３０対１の深さ／孔径の
比である。一般に、孔の深さは、約０.４乃至１.５インチの範囲内にある。

【００１０】 この方法の第１のステップは、超合金に、所望（所定）の孔径未満の孔径に達
する中央孔をパーカッション・ドリリングにて穿孔することを含む。このパーカ
ッション・ドリリングにて形成される中央孔は、約０.０２０インチまでの孔径 、好ましくは、０.０１乃至０.０２インチの孔径を有する。８インチ焦点距離の
レンズが、この中央孔のパーカッション・ドリリングに使うことができる。典型
的には、パーカッション・レーザー・ドリリングの間、４乃至８レーザーパルス ／秒で使われる。この中央孔の孔径は、スラグの除去を促進し、引き続くトレパ
ニング・ドリリングを効果的に実施させる。

【００１１】 このパーカッション・ドリリングの後、トレパニング・レーザー・ドリリング が実施され、中央孔を所定の孔径まで拡大する。トレパニング・ドリリングは、
円形の経路に従うレーザーによって一連の小さな円をレーザー・ドリリングし、
所定の径の孔を作成することを要する。６インチ焦点距離のレンズは、トレパニ
ングの間、トレパニング円形を形成するために使用される。トレパニングの間、
典型的には、１０乃至１５レーザー・パルス／秒で使われる。レーザー・ビーム
と部材の相対運動は、レーザー・ビーム及び／又は部材を、該分野周知の方法で
移動させることで実施することができる。トレパニングの間、スラグが堆積して
ドリリングを阻害する場合には、パーカッション・ドリリングのステップが繰り
返され、その後トレパニングのステップが行われる。これら２つの操作は、超合
金材の全深さに亙って、所定の孔径が一様に達成されるまで繰り返される。

【００１２】 レーザー・ドリリングのプロセスの間、孔の後方は清浄に保たれ、トレパニン
グの間に、スラグが中央孔から出で行くことを許容する。かくて、孔の出口に隣
接するバリアー材（例えば、樹脂）は、使用されない。しかしながら、孔の出口
に対向する部材の壁の腐食を防ぐため、保護バリアーが使われることが望ましい
。保護バリアー材（例えば、樹脂）が、この孔の出口と対向する部材壁の上に使
うことができ、これによって、レーザー・ビームの経路に当たる部材のこの表面
を機械加工や損傷から保護する。

【００１３】 （実施例） Ｍ３４コンバージェント・エナジー・ＣＮＣ・パルスヤグ（ＹＡＧ）レーザー
・マシーンが使用され、ＭＡＲ Ｍ５０９超合金からなる工業用タービン羽根部
材の厚さ０.９インチの壁に、孔径０.０４５インチの孔を形成した。

【００１４】 ８インチ焦点距離のレンズを使い、０.０１５乃至０.０２０インチ径の中央孔
が、６パルス／秒のレートのレーザー・パルスで以って、この部材にパーカッシ
ョン・ドリリングされた。６インチ焦点距離のレンズを用いて、トレパニング・
レーザー・ドリリングが実施され、１２パルス／秒のレートのレーザー・パルス
で各中央孔の回りに一連の円が形成され、０.０４５インチ孔径の孔を作成した 。中央孔を閉塞するスラグが、トレパニングの間、孔の中に形成されたとき、パ
ーカッション・ドリリングが繰り返されて中央孔を清浄化し、その後トレパニン
グが行われる。これらのステップは、０.０４５インチ孔径の孔が、深さ０.９イ
ンチに達するまで繰り返される。この孔は、均一な径をなし、テーパーは極小で
ある。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１１年８月３１日（１９９９．８．３１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 エドランド ドワイト アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10980 ストニイ ポイント コウアティ コー ト ６ (72)発明者 ヴァネッセ スティーブ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10512 カーメル マーキュリー コート ９ (72)発明者 ディズィン マイケル エル． アメリカ合衆国 ニューヨーク州 10960 ニャック ノース ミッドランド アベ ニュー 189 Ｆターム(参考） 4E068 AF00 CA03 CB02 DA00 DB02

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニッケル及び／又はコバルト系超合金部材に、少なくとも約
   ０.０３０インチの所定の孔径と少なくとも約１０対１の深さ／孔径の比とを有 する孔をレーザー・ドリリングする方法であって、 前記部材に、前記所定の孔径未満の孔径に達する中央孔をパーカッション・レ
   ーザー・ドリリングにより穿孔し、 前記中央孔の周囲をトレパニング・レーザー・ドリリングにより穿孔し、前記
   孔の孔径を前記所定の孔径まで拡大すること、 を含む方法。
2. 【請求項２】 前記パーカッション・レーザー・ドリリング及びトレパニン
   グ・レーザー・ドリリングのステップを繰り返して前記孔を穿孔する、請求項１
   に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記中央孔が約０.０２０インチまでの孔径を有する、請求 項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記孔が約２０対１から約３０対１までの深さ／孔径の比を
   有する、請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記所定の孔径が約０.３０から約０.１０インチである、請
   求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記孔の深さは約０.４から約１.５インチである、請求項４
   に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記孔の後方出口に隣接するバリアー材が用いられない、請
   求項２に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記孔の後方出口と対向する部材の壁面に、保護バリアー材
   が用いられる、請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記部材は、ガスタービンの部材である、請求項７に記載の
   方法。
10. 【請求項１０】 前記孔は、冷却用の孔である、請求項８に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記レーザー・ドリリングは、コンピュータ数値制御を用
    いて実施される、請求項１に記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記パーカッション・レーザー・ドリリングは、４乃至８
    パルス／秒で実施され、かつ、前記トレパニング・レーザー・ドリリングは、１
    ０乃至１５パルス／秒で実施される、請求項１１に記載の方法。