JP2004538157A - レーザ穿孔プロセス時におけるワーク表面のアブレーションプロダクトを減じる装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ワーク（３）に孔を形成する装置（１）であって、ワーク（３）に向かって方向付け可能な少なくとも１つのレーザビーム（９）を生ぜしめるレーザビーム源が設けられている形式のものに関する。
このような形式の装置において本発明の構成では、圧力下にあるガスを供給可能な少なくとも１つのノズル（１５；１７；１９）を備えたノズル装置（１３）が設けられており、ノズル（１５；１７；１９）から流出するガス流（２３；２５；２７）がワーク表面に対して次のように、すなわち溶融されてワーク（３）から剥離された粒子が、レーザビーム（９）を用いて生ぜしめられた孔から排出されるように、方向付けられている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークに孔を形成する装置であって、ワークに向かって方向付け可能な少なくとも１つのレーザビームを生ぜしめるレーザビーム源が設けられている形式のものに関する。
【０００２】
従来の技術
このような形式の公知の装置は、レーザビームを用いてワークに孔、特に穿孔を形成するために働く。そのためにレーザビームはワーク表面に向かって方向付けられる。この際にレーザビームの大きな収束性によって、ワークの材料は局部的に加熱され、溶融され、かつ部分的には蒸発させられる。そして比較的高い蒸気圧によって、溶融物は生ぜしめられた孔から外に放出される。溶融物の大きな運動エネルギに基づいて、孔縁部においては溶融粒子が剥離される。このような溶融粒子は、穿孔を取り囲む媒体、例えば周囲空気において冷却され、凝縮された蒸気と一緒に部分的にワーク表面に沈着もしくは堆積する。これらの粒子の運動エネルギ及び温度並びに、穿孔を取り囲む媒体に関連して、アブレーションプロダクト（Ablationsprodukt）から成る部分的に固着する不都合な層が、ワーク表面に生ぜしめられる。粒子堆積物もしくは粒子沈着物は、面倒かつ高価なワークの後処理を必要とすることがある。
【０００３】
汎用の保護ガスノズル、つまり孔縁部から上昇する溶融粒子及び凝縮する金属蒸気から光学装置を保護するために、レーザビームに対して同軸的に延びるガス流を流出させる汎用の保護ガスノズルの使用時には、溶融粒子は、ワーク表面に対して垂直に方向付けられたガス流によって変向されて、再びワーク表面に押し付けられ、このことは、ワーク表面における不都合な粒子固着を促進することになる。
【０００４】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載されているように構成された本発明による装置には、公知のものに比べて次のような利点がある。すなわち本発明による装置では、ワーク表面に形成される粒子堆積物もしくは粒子沈着物を、公知の装置に比べて著しく減じることができる。これによってワークの面倒かつ高価な後処理を減じること、又は場合によっては完全に省くことができる。このことは次のような構成、すなわち圧力下にあるガスを供給可能な少なくとも１つのノズルを備えたノズル装置が設けられており、ノズルから流出するガス流が、溶融されてワークから剥離された粒子が、レーザビームを用いて生ぜしめられた孔もしくはワークから排出されるように、ワーク表面に向かって方向付けられている構成によって、達成される。
【０００５】
有利な構成では、レーザビームを用いて生ぜしめられる穴が孔である。この孔は、ワーク又はワークの壁を貫通していてもよく、つまり貫通孔として形成されていても又は盲孔として形成されていてもよい。レーザビームを用いて種々様々な孔形状を実現することができるので、本発明は円形の穴もしくは孔に制限されるものではない。
【０００６】
本発明の有利な構成では、ノズル装置が、溶融粒子から光学装置を保護するために働きかつ圧力下にある保護ガスを供給可能な保護ガスノズルを有している。保護ガス流はこの場合２つの機能を有している。すなわち保護ガス流は、一方では溶融粒子及び行出する金属蒸気に対して光学装置を保護するという働きを有し、かつ他方では、ワークから剥離された溶けた粒子を穿孔から排出するという働きを有している。
【０００７】
本発明の別の有利な構成では、保護ガスノズルが、レーザビームに対して同軸的に又は同心的に配置されており、保護ガスノズルのジオメトリが次のように、すなわちワーク表面に衝突する保護ガス流が、ワークから剥離された粒子をレーザビームによって生ぜしめられた孔もしくはワークから排出するように、ひいては同時に光学装置を保護するように、選択されている。保護ガスノズルはつまり次のように構成されている。すなわち保護ガス流はノズル近傍の領域においてレーザビームを取り囲んでいて、そしてレーザビームをワーク表面への衝突の前に、保護ガス流がワーク表面に対して平行に延びる少なくとも１つの方向成分を有するように、変向させる。言い換えれば、保護ガス流はワーク表面に対して直角に衝突するのではなく、如何なる場合でも９０°よりも小さな角度を成して衝突する。
【０００８】
本発明による装置のさらに別の有利な実施形態では、ノズル装置が、圧力下にあるプロセスガスを供給可能な少なくとも１つの横方向流ノズルを有しており、該横方向流ノズルから流出するプロセスガス流が、レーザビームを用いて生ぜしめられる孔の領域においてワーク表面に対して平行に延びる少なくとも１つの方向成分を有している。ワークから剥離された溶融粒子は、プロセスガス流によって捕捉されて、孔から排出される。孔からの溶融粒子の排出は、この実施形態ではもっぱらプロセスガス流によって行われ、つまりこの場合には保護ガス流は不要であり、また設けられていない。
【０００９】
本発明による装置の別の有利な構成では、ノズル装置が１つの保護ガスノズルと少なくとも１つの横方向流ノズルとを有しており、この場合保護ガスノズルから流出する保護ガス流が、ワーク表面に対して垂直に又はほぼ垂直に方向付けられていて、横方向流ノズルは保護ガスノズルに対して次のように、すなわち保護ガス流がプロセスガス流によってワーク表面から変向されて、ワーク表面に対する保護ガス流の垂直方向での衝突が回避されるように、方向付けられている。保護ガス流とプロセスガス流とから生じた合成ガス流は、ワークから剥離された溶融粒子を捕捉し、ワークからもしくはレーザビームによって生ぜしめられた孔から排出する。すなわち合成ガス流は、孔の領域においてワーク表面に対して平行に延びる１つの方向成分を有している。
【００１０】
本発明の別の有利な構成では、ノズル装置が保護ガスノズルを有していて、該保護ガスノズルのジオメトリが次のように選択されている。すなわちこの場合保護ガスノズルから流出する保護ガス流が場合によってはレーザビームに対して少なくとも同軸的に又は同心的に延びていて、ワーク表面への衝突前に変向され、その結果保護ガス流が、ワーク表面に対して平行に延びる少なくとも１つの方向成分を有し、かつワークから剥離された溶融粒子を孔から排出するようになっている。さらにノズル装置は付加的にさらに少なくとも１つの横方向流ノズルを有しており、該横方向流ノズルは保護ガス流に対して次のように方向付けられている。すなわちこの場合、保護ガスノズルから流出するプロセスガス流が、レーザビームを用いて生ぜしめられる孔の領域においてワーク表面に対して平行に延びる少なくとも１つの方向成分を有していて、孔の領域において、既に保護ガスノズルのジオメトリに基づいて変向された保護ガス流に衝突するようになっている。保護ガス流とプロセスガス流とは１つに成って、合成ガス流を形成し、この合成ガス流は、ワークから剥離された溶融粒子を孔から排出する。ワーク表面に対して平行に延びる保護ガス流の方向成分と、合成ガス流へと１つに成る前の保護ガス流の方向成分とは、同じ方向に向けられている。本発明による装置のこのような構成では、特にプロセスガス流はその流れ方向に基づいて、ワークから剥離された溶融粒子のより確実な排出を保証するために、適している。この際に必要な条件は、相応な容積流とガス流の圧力である。この場合保護ガス流は主として、アブレーションプロダクトに対する光学系の保護機能を引き受けている。本発明による装置のこの構成は、特に高い機能確実性の点で傑出している。
【００１１】
本発明の別の有利な構成では、横方向流ノズルから流出するプロセスガス流が、ノズル装置に対して相対運動を実施するワークの表面の運動方向に向かって方向付けられている。ワークは例えば円筒形の部材、例えばローラ又はドラムのような部材であり、この部材はその長手方向中心軸線を中心にして回転駆動させられ、かつ有利にはすべて３つの空間方向において並進運動させられることができる。このような場合プロセスガス流は円筒形の部材の回転方向に向けられている。円筒形の部材の外周面から剥離された空気層は、さらに、孔からの溶融粒子排出時における助成作用を有している。
【００１２】
本発明による装置のさらに別の有利な構成では、プロセスガス流及び／又は保護ガス流の容積流及び／又は圧力が、調節可能である。このようになっていると、溶融粒子を排出するためにガス流を最適に合わせることが可能である。
【００１３】
もちろん、上に述べた装置が特に、高速のレーザ穿孔のために適していることは明らかである。
【００１４】
本発明の別の有利な構成もしくは実施形態は、従属請求項に記載された特徴の組合せによって得られる。
【００１５】
図面
次に図面を参照しながら本発明の複数の実施例を説明する。
【００１６】
図１は、本発明による装置の一部を横から見て示す図であり、
図２は、保護ガスノズルの第２実施例を示す図である。
【００１７】
実施例の記載
図１には、ワーク３に孔、特に穿孔を形成する装置１の一部が概略的に示されている。ワーク３は図示の実施例では円筒形部材５の形で示されており、この円筒形部材５には図示されていない駆動装置を用いて、その長手方向中心軸線７を中心にして回転させるために回転モーメントを加えることができる。円筒形部材５は図示の実施例では、矢印で示されているように時計回り方向で駆動される。
【００１８】
装置１は、ワーク３に向けることができる少なくとも１つのレーザビーム９（図１の矢印参照）を生ぜしめるためのレーザビーム源（図示せず）を有している。レーザビーム源の構造及び機能は自体公知であるので、これについて詳しく述べることは省略する。
【００１９】
図１に示された実施例ではレーザビーム９は、円筒形部材５の外周面１１に対して垂直に衝突するように、方向付けられている。また、レーザビーム９が部材表面に対して９０°とは異なる角度で衝突するように、レーザビーム９を部材５に対して方向付けることも、容易に可能である。
【００２０】
装置１はさらにノズル装置１３を有しており、このノズル装置１３は保護ガスノズル１５と、図示の実施例では２つの横方向流ノズル１７，１９とを有している。保護ガスノズル１５はレーザビーム９に対して同軸的に又は同心的に配置されていて、円錐台形状に形成されており、そして保護ガスノズル１５の横断面はワーク３に向かって減じられている。保護ガスノズル１５の開口領域は、円筒形部材５の外周面１１に対して僅かな間隔をおいて配置されており、保護ガスノズル１５と部材５との間の間隔は、図１に二重矢印２１で示されているように、図示されていない調節装置を用いて調節可能である。
【００２１】
保護ガスノズル１５は図示されていない第１のガス供給装置と接続されており、このガス供給装置を用いて保護ガスノズル１５には、圧力下にある保護ガスが供給可能である。保護ガスノズル１５内部における保護ガス流２３は、矢印で示されている。ノズルジオメトリ及び保護ガスガイドは、保護ガスもしくは保護ガス流がレーザビーム９を取り囲むように選択されている。
【００２２】
単純化されて管状の形成体として示された横方向流ノズル１７，１９は、円筒形部材５の回転方向で見て、保護ガスノズル１５に前置されている。横方向流ノズル１７，１９は図示されていない第２のガス供給装置と接続されており、このガス供給装置を用いて横方向流ノズル１７，１９にはそれぞれ、圧力下にあるプロセスガス、有利には同一のプロセスガスが供給可能であり、この場合別のガスを使用することも可能である。プロセスガス流２５，２７はそれぞれ矢印で示されている。横方向流ノズル１７，１９は、円筒形部材５の長手方向中心軸線７の方向で見て、互いに相前後して配置されており、そして図示されていない調節装置を用いて、横方向流ノズル１７，１９から流出するプロセスガス流２５，２７の方向付けを目的として、複数矢印で示されているように空間内において、互いに無関係に独立してそれぞれ任意のポジションにもたらすことができる。
【００２３】
横方向流ノズル１７，１９は図１に示された実施例では、その開口領域が保護ガスノズル１５の開口領域から僅かな間隔をおいて位置するように配置されている。横方向流ノズル１７，１９から流出するプロセスガス流２５，２７は、仮想の水平線に対して平行に、つまり保護ガス流２３に対して直角又はほぼ直角に延びており、ほぼ保護ガスノズル１５の開口領域において互いに衝突し、そして円筒形部材５の外周面１１の所定領域、つまりレーザビーム９を用いて孔が溶融穿孔される領域を全面的に覆いながら流れる。これによって保護ガスノズル１５から流出する保護ガス流２３は、円筒形部材５の外周面１１から横方向に変向させられ、その結果保護ガス流２３は外周面１１に対して垂直に衝突することができなくなる。そしてプロセスガス流２５，２７と保護ガス流２３とは１つに成って合成ガス流を形成し、この合成ガス流は、レーザビーム９を用いて生ぜしめられる孔の領域における外周面１１に対して平行に又はほぼ平行に方向付けられている。プロセスガス流２５，２７及び保護ガス流２３は、レーザビーム９によって溶融されて外周面１１から剥離された材料粒子を連行して、円筒形部材５から横方向に引き離すべく案内する。これによって有利な形式で、外周面１１におけるこのような粒子の沈着もしくは堆積が回避され、少なくとも公知の装置に比べて著しく減じられる。そしてこの場合、ワーク３に対する面倒かつ高価な後処理を場合によっては完全に省くことができる。
【００２４】
明記しておくと、横方向流ノズル１７，１９から吹き出されたプロセスガス流２５，２７は２つの働きを有している。すなわちプロセスガス流２５，２７は一方では、保護ガス流２３を側方に変向させることによって、保護ガス流２３が外周面１１に対して垂直に衝突することを阻止しており、かつ他方では溶融粒子を円筒形部材５から連行排出する。
【００２５】
当然のことながら、特定の場合には横方向流ノズル１７，１９のうちの１つだけで十分に、保護ガス流２３をワーク３から横方向に導くことができ、かつ溶融粒子をワークから排出搬送することが可能である。さらにまた、２つよりも多くの横方向ノズル、例えば３つ又は４つの横方向ノズルを使用することも、もちろん可能である。横方向流ノズルは安価に製造可能である。また、既に存在している装置に横方向流ノズルを後から設けることも有利に可能である。
【００２６】
圧力下でもたらされかつ横方向流ノズルに供給されるプロセスガスとしては、殆どすべてのガスを、つまり例えば空気をも、使用することが可能である。装置１の構造は例えば、保護ガスノズル１５と横方向流ノズル１７，１９とに圧力下にある保護ガスを供給することによって簡単化することができ、このようにすると、ノズル装置１３のすべてのノズルに１つの共通のガス供給装置からガスを供給することができる。
【００２７】
図２に示されたノズル装置１３の第２実施例では、ノズル装置１３の保護ガスノズル１５は、図１に示された保護ガスノズル１５とは異なり、加工されるワーク３（図示せず）に隣接した開口領域にいわば遮断部２９を有しており、この遮断部２９は、保護ガスノズル１５の前置領域にレーザビーム９に対して同軸的又は同心的に延びる保護ガス流２３の自由な流出を阻止する。保護ガス流２３の少なくとも一部、有利には保護ガス流２３全体に影響を及ぼす遮断部２９は、この実施例ではガイド装置３１として形成されており、このガイド装置３１は、レーザビーム９を取り囲む保護ガス流２３をレーザビーム９に対してほぼ９０°変向させ、その結果保護ガスノズル１５から流出する保護ガス流２３は、有利にワーク表面に対して平行に又はほぼ平行に流れるようになる（矢印２３′参照）。ガイド装置３１はもちろん次のように、すなわち保護ガスノズル１５から流出する保護ガス流２３′がワーク表面に対して鋭角を成して衝突するように、形成されていてもよい。保護ガス流ガイドはいずれにせよ次のように、すなわちワーク３から剥離された粒子が排出連行されて、ワークにおける粒子の堆積が阻止されるように、すくなくとも公知の装置に比べて減じられるように、選択されている。
【００２８】
ガイド装置３１は図示の実施例では保護ガスノズル１５と一体に形成されており、この構成は、保護ガスノズル１５の開口領域における周面の複数区分が半径方向内側に向かってほぼ保護ガスノズル１５の真ん中まで引っ込められていることによって、実現されている。ガイド装置３１は図示の実施例では、保護ガスノズル１５の自由に貫流可能な横断面が開口領域において縮小されるように形成されている。
【００２９】
もちろん、ガイド装置３１及び保護ガスノズル１５を互いに分離可能な個別部材として形成することも可能である。このような場合、保護ガスノズル１５のバリエーションの多様性を減じることができて有利であり、保護ガスノズル１５のために場合によってはただ１つの基本形状を用意するだけでよく、相応に形成されたガイド装置３１を使用することによって所望の保護ガス流ガイドが調節可能である。
【００３０】
図２に示されたノズル装置１３では、図１に示された実施例において設けられていた横方向流ノズル１７，１９は、まったく必要ない。すなわち、本発明による保護ガスノズルジオメトリを用いて実現された保護ガス流ガイド、つまり保護ガスノズル１５から流出する保護ガス流２３にレーザビーム９に対して横向きの方向を与える保護ガス流ガイドは、既に、ワーク表面におけるアブレーションプロダクト（Ablationsprodukt）を減じるのに十分であり得る。
【００３１】
また付言すれば、図２に示された保護ガスノズル１５を、図１に示された横方向流ノズル１７，１９を有するノズル装置１３との関連において使用することも、もちろん可能である。保護ガス流２３が既に保護ガスノズル１５の領域においてガイド装置３１によって変向されることによって、横方向流ノズルの機能、つまり穿孔から粒子を横方向に排出するという働きが、助成される。
【００３２】
本明細書の導入部分並びに図１及び図２を参照しながら記載した装置１は、平らな表面を有するワーク及び／又は装置１に対して少なくとも孔を生ぜしめる瞬間には固定のポジションを有するワークにおいて、孔を生ぜしめるためにも使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による装置の一部を横から見て示す図である。
【図２】保護ガスノズルの第２実施例を示す図である。

Claims (9)

1. ワーク（３）に孔を形成する装置（１）であって、ワーク（３）に向かって方向付け可能な少なくとも１つのレーザビーム（９）を生ぜしめるレーザビーム源が設けられている形式のものにおいて、圧力下にあるガスを供給可能な少なくとも１つのノズル（１５；１７；１９）を備えたノズル装置（１３）が設けられており、ノズル（１５；１７；１９）から流出するガス流（２３；２５；２７）がワーク表面に対して次のように、すなわち溶融されてワーク（３）から剥離された粒子が、レーザビーム（９）を用いて生ぜしめられた孔から排出されるように、方向付けられていることを特徴とする、ワークに孔を形成する装置。
2. ノズル装置（１３）が、光学装置を保護するために働きかつ圧力下にある保護ガスを供給可能な保護ガスノズル（１５）を有している、請求項１記載の装置。
3. 保護ガスノズル（１５）が、レーザビーム（９）に対して同軸的に又は同心的に配置されており、保護ガスノズル（１５）のジオメトリが次のように、すなわちワーク表面に衝突する保護ガス流（２３）が、ワーク（３）から剥離された粒子をレーザビーム（９）によって生ぜしめられた孔もしくはワーク（３）から排出するように、選択されている、請求項２記載の装置。
4. 保護ガスノズル（１５）の開口領域に、保護ガス流（２３）の少なくとも一部の自由な流出を阻止する遮断部（２９）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 遮断部（２９）が保護ガス流（９）のためのガイド装置（３１）として形成されており、該ガイド装置（３１）が、レーザビーム（９）を取り囲む保護ガス流（２３）を変向させて、該保護ガス流（２３）をワーク表面に対して９０°とは異なる角度に、有利にはワーク表面に対してほぼ平行に方向付けるようになっている、請求項４記載の装置。
6. ノズル装置（１３）が、圧力下にあるプロセスガスを供給可能な少なくとも１つの横方向流ノズル（１７，１９）を有しており、該横方向流ノズル（１７，１９）から流出するプロセスガス流（２５，２７）が、ワーク表面に対して平行に延びる少なくとも１つの方向成分を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 横方向流ノズル（１７，１９）は、保護ガスノズル（１５）に対して次のように、すなわち保護ガス流（２３）がプロセスガス流（２５，２７）によってワーク表面から逸らされるように、方向付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 横方向流ノズル（１７，１９）から流出するプロセスガス流（２５，２７）が、ノズル装置（１３）に対して相対運動を実施するワーク（３）の表面の運動方向に向かって方向付けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. プロセスガス流及び／又は保護ガス流の容積流及び／又は圧力が、調節可能である、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。