JP2022548343A - Method and apparatus for drilling components - Google Patents

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Abstract

【解決手段】金属性の材料からなるコンポーネントを、及び積層された金属性と誘電性の材料からなるコンポーネントを穿孔する方法が記載され、穴軸と、穴壁と、穴深さの進捗に伴って進捗していく穴底面とが割り当てられる生成されるべき穴のオーバーラップ領域で、及び作成されるべき穴の縁領域で、レーザ放射に割り当てられるポインティングベクトルの空間分布がそれぞれ別様に調整され、オーバーラップ領域は、シングルパルスドリリングの場合にはレーザ放射の高いエネルギー束密度で照射される領域として定義され、縁領域は、オーバーラップ領域の外部に位置し、穿孔時にオーバーラップ領域でのエネルギー束密度よりも低い、レーザ放射の低いエネルギー束密度で照射される領域として定義される。相応の装置も記載される。【選択図】図1Kind Code: A1 A method for drilling a component made of metallic material and a component made of stacked metallic and dielectric materials is described, and includes a hole axis, a hole wall, and a hole depth as the hole progresses. The spatial distribution of the Poynting vector assigned to the laser radiation is adjusted differently in the overlap region of the hole to be generated and in the edge region of the hole to be created, where the hole bottoms are assigned progressively in increments. , the overlap region is defined as the region irradiated with a high energy flux density of laser radiation in the case of single-pulse drilling, the edge region is located outside the overlap region and the energy in the overlap region during drilling is It is defined as the area irradiated with a low energy flux density of laser radiation that is lower than the flux density. A corresponding device is also described. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本発明は、金属性の材料からなるコンポーネントを、及び積層された金属性と誘電性の材料からなるコンポーネントを、レーザ放射によって穿孔する方法に関する。さらに本発明は、相応の方法を実施することができる装置に関する。 The present invention relates to a method for perforating components made of metallic material and components made of stacked metallic and dielectric materials by means of laser radiation. Furthermore, the invention relates to a device with which the corresponding method can be implemented.

レーザ放射は、溶融穿孔と呼ばれる、特に金属性の材料や誘電性の(たとえばセラミックの)層と金属性の層とからなる複合材料の除去及び穿孔に利用される。特に自動車工学、航空工学、医療工学(薄手シート又は厚手シートの加工)、及びエネルギー工学(いわゆる厚手シートの加工)での用途では、穴を作成するために高い除去率が望まれ、したがって高い生産性と高い品質、特に良好な円錐度K=rB,top/rB,botとリキャストの回避が望まれる。穴の円錐度K=rB,top/rB,botは、穴入口における穴半径rB,topと、穴出口における穴半径rB,botとの比率として定義される。穴の幾何学形状(たとえば円筒状、円錐状)、及び穴壁のモルフォロジー(たとえば固化した溶融物/リキャスト)は、回避されることが必要である主要な指標となる。 Laser radiation is used in particular for the removal and drilling of metallic materials and composite materials consisting of dielectric (eg ceramic) and metallic layers, called melt drilling. Especially for applications in automotive engineering, aeronautical engineering, medical engineering (processing of thin or thick sheets) and energy engineering (processing of so-called thick sheets), high removal rates are desired for making holes and therefore high production It is desirable to have a high quality and a good conicity K=r B,top /r B,bot and avoidance of recasting. The hole conicity K=r B,top /r B,bot is defined as the ratio of the hole radius r B,top at the hole entrance and the hole radius r B,bot at the hole exit. Hole geometry (eg cylindrical, conical) and hole wall morphology (eg solidified melt/recast) are key indicators that need to be avoided.

溶融穿孔では、さまざまな要求が満たされなければならない。それに含まれるのは、穴の再現可能な直径、穴の定義された円錐度、多層システムを穿孔するときの定義された円錐度、コーティングの付着強度やせん断強度の低下がないこと、固化した溶融物の穴壁での堆積(リキャスト)がないこと、穴出口でのばり形成がないこと、溶融物の定義された排出、穴開口部の領域での出口エッジの大きな湾曲などである。 Various requirements must be met in melt drilling. It includes reproducible diameter of the hole, defined conicity of the hole, defined conicity when drilling multilayer systems, no loss of adhesion strength or shear strength of the coating, solidified melting No build-up (recast) of material on the hole wall, no flash formation at the hole exit, defined evacuation of the melt, large curvature of the exit edge in the region of the hole opening, etc.

レーザ放射を用いて穿孔をする周知の技術は、形成されていく穴から材料を除去するための主要なメカニズムに基づいて区別される。除去は主として溶融物排出によって、又は主として蒸発した材料の排出によって、行うことができる。溶融物排出が主として行われる穿孔技術のグループに属するのは、シングルパルスドリリング(単一のパルスによる穿孔)、パーカッションドリリング(被削材に対して相対的に放射のビーム軸の位置を固定したうえでのマルチパルス)、及びトレパニングドリリング(被削材に対して相対的に放射のビーム軸の位置を移動させながらのマルチパルス)である。個々の穿孔技術には利点と欠点の両方がある。 Known techniques for drilling with laser radiation are differentiated based on the primary mechanism for removing material from the forming hole. Removal can take place primarily by melt discharge or primarily by vaporized material discharge. The groups of drilling techniques in which melt ejection is predominantly performed include single pulse drilling (drilling with a single pulse), percussion drilling (with a fixed position of the beam axis of the radiation relative to the workpiece). and trepanning drilling (multiple pulses while moving the position of the beam axis of the radiation relative to the workpiece). Each drilling technique has both advantages and disadvantages.

パーカッションドリリングは、レーザ光が照射され、その際に照射位置を変更せず、それによってこの照射位置に穴又は穿孔を作成する技術である。パーカッションドリリングは、レーザ光の照射位置を移動させないので、短い加工時間しか必要としない。 Percussion drilling is a technique in which a laser beam is irradiated without changing the irradiated position, thereby creating a hole or perforation at this irradiated position. Percussion drilling requires only a short processing time because it does not move the irradiation position of the laser beam.

シングルパルスドリリングとパーカッションドリリングは、高い除去率(高い生産性)という利点を有する欠点となるのは、レーザ放射のビーム直径によって制限される最大限実現可能な穴直径が小さすぎることと、不完全な溶融物排出や穴壁並びに/又は穴入口及び穴出口における固化した溶融物からなる堆積物のために穴の品質が不足することと、穴直径に関する低い精度である。 Single pulse drilling and percussion drilling, which have the advantage of high removal rates (high productivity), have the disadvantage that the maximum achievable hole diameter, which is limited by the beam diameter of the laser radiation, is too small and imperfect drilling. Poor hole quality due to poor melt discharge and deposits of solidified melt on the hole walls and/or hole entrance and hole exit, and low accuracy with respect to hole diameter.

いわゆるトレパニングドリリングでは、まずコンポーネントの材料にパーカッション穴が穿設され、次いで、定義された半径の穴がくり抜かれる。トレパニングによる穿孔は、形成されるべき穴の円周に沿ってレーザ光を移動させる技術であり、レーザ光は、作成されるべき穴又は作成されるべき穿孔よりも小さいスポット直径又はビーム直径を有し、それによって当該円周に沿って開口部を形成し、そのようにして穴又は穿孔を作成する。トレパニング加工では、作成されるべき穴の円周に沿ってレーザ光の照射が行われるので、穴の形状精度が高くなる。 In so-called trepanning drilling, percussion holes are first drilled in the material of the component and then holes of defined radius are drilled out. Drilling by trepanning is a technique in which the laser light is moved along the circumference of the hole to be formed, the laser light having a spot diameter or beam diameter that is smaller than the hole or perforation to be made. , thereby forming an opening along the circumference and thus creating a hole or perforation. In the trepanning process, since the laser beam is irradiated along the circumference of the hole to be formed, the shape accuracy of the hole is improved.

トレパニングドリリングは、シングルパルスドリリングとの比較で、及びパーカッションドリリングとの比較で穴壁の品質も改善しながら、適用される放射のビーム直径よりも大きい穴直径(穴直径=1.2×スポット直径)を実現することができるという利点を有する。しかしながらトレパニングドリリングは、適用される放射の大部分が既存の穴を通って利用されないままコンポーネントを透過するので、長いドリリング時間が必要になるという欠点を有する。 Trepanning drilling provides hole diameters larger than the beam diameter of the applied radiation (hole diameter = 1.2 x spot diameter) while also improving hole wall quality compared to single pulse drilling and to percussion drilling diameter) can be realized. However, trepanning drilling has the disadvantage that a large portion of the applied radiation penetrates the component through the existing holes unused, requiring long drilling times.

シングルパルスドリリング及びパーカッションドリリングについては、穴の定義された多くの場合に円筒の形状を実現するために、穴から溶融物を可能な限り完全に排出することを目的とする方策が知られている。このような方策に数えられるのは、穴の深さが増すにつれて適用するレーザビームの強度又はエネルギー束密度の空間平均値又は最大値を増強すること(面積あたりの出力W[/m]を単位として、又は体積あたりのエネルギーに速度を乗算したもの[(J/m)(m/s)]を単位として)、及び全体の穿孔時間中に多数のシングルパルスによって強度を時間的に変調すること(パーカッション)である。 For single-pulse drilling and percussion drilling, measures are known which aim at the most complete possible evacuation of the melt from the hole in order to achieve a defined and often cylindrical shape of the hole. . Among such measures is increasing the spatial average or maximum value of the intensity or energy flux density of the applied laser beam as the depth of the hole increases (power per area W[/m 2 ] in units of energy per volume multiplied by velocity [(J/m 3 )(m/s)]), and temporally modulating the intensity by a number of single pulses during the entire drilling time. It is to do (percussion).

独国特許発明第102004014820号明細書(米国特許出願公開第2007/193986号明細書に対応)は、金属材料並びに積層された金属材料及び少なくとも1つのセラミック層を有する積層された金属材料に、アスペクト比の大きい穴を製作する方法を記載している。この文献から明らかとなるのは、パーカッションドリリングについては穴を生成する放射は、放射の方向に関して放射の伝搬と反対方向すなわち穿孔進捗の方向と反対方向の向きで、固化した溶融物の穴壁への少ない堆積をもって、穴の最大深さに至るまで穴からの溶融物の完全な排出を実現できるように設計することができるということである。 DE 10 2004 014 820 (corresponding to US 2007/193986) describes a metallic material and a laminated metallic material and a laminated metallic material having at least one ceramic layer, an aspect A method for fabricating high ratio holes is described. It becomes clear from this document that for percussion drilling the hole-producing radiation is directed with respect to the direction of the radiation in the direction opposite to the propagation of the radiation, i. It can be designed to achieve a complete evacuation of the melt from the hole up to the maximum hole depth with a low build-up of .

パーカッションドリリングが工業的に適用されるのは、技術水準の如何に関わりなく、付着する固化した溶融物の典型的には100μmを超える層厚を有する、及びそれによって穴形状の低い精度を有する、依然として生じる穴の品質不足が、すなわち不完全な溶融物排出が、製品の機能を制約しない場合に限られる。 Industrial applications of percussion drilling, irrespective of the state of the art, have layer thicknesses of adhering solidified melt, typically greater than 100 μm, and thereby have low accuracy of hole geometry, Only if the quality deficiencies of the holes that still occur, i.e. the imperfect melt discharge, do not limit the functionality of the product.

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加えて、螺旋ドリリング及びレーザ侵食も、主として蒸発を伴う穿孔技術に含まれる。 In addition to percussion drilling and trepanning drilling, helical drilling and laser erosion are also included in drilling techniques that primarily involve evaporation.

螺旋ドリリングでは、トレパニングドリリングに追加して放射がビーム軸を中心として回転し、それにより、レーザ放射の空間分布が時間的な平均で円対称から逸脱した場合にこれを補正する。要求される幾何学形状への近似、及び要求される穴の品質は、現在、螺旋ドリリングによってのみ、又はパーカッションドリリングと螺旋ドリリングのシーケンシャルな組合せによってのみ、達成可能である。 Spiral drilling additionally rotates the radiation about the beam axis to trepanning drilling, thereby compensating for deviations of the spatial distribution of the laser radiation from circular symmetry on average over time. The approximation to the required geometry and the required hole quality can currently be achieved only by helical drilling or by a sequential combination of percussion drilling and helical drilling.

独国特許出願公開第10144008号明細書は、レーザビームを用いて被削材に穴を生成する方法を記載している。第1のステップで、最終的に達成されるべき直径よりも小さい第1の直径で穴が穿設され、第2のステップで、又はさらに別のステップで、達成される直径まで穴が拡張される。したがって、主に溶融物排出によって作成されるパーカッション穴が、第2の方法ステップで材料が蒸気として除去されることで所望の直径まで拡張され、その結果、固化した溶融物の残留物が穴壁にほぼ残らない。このような穿孔技術は穿孔時間が長すぎ、又は、その帰結として生産性が低すぎるという欠点を有する。 DE 101 44 008 A1 describes a method for producing holes in a workpiece using a laser beam. In a first step, a hole is drilled with a first diameter smaller than the final diameter to be achieved, and in a second step, or even a further step, the hole is enlarged to the diameter to be achieved. be. Thus, the percussion hole, which is created primarily by melt ejection, is expanded to the desired diameter by removing material as a vapor in a second method step, so that the solidified melt residue is removed from the hole wall. Almost nothing remains. Such drilling techniques have the drawback of too long drilling times or, as a consequence, too low productivity.

さらに、公知の方法では溶融物排出が材料の蒸発によって生成され、したがってレーザ放射の強度を通じてのみ制御されるが、このことは、穴直径の的確な制御や、リキャストとも呼ばれる溶融物堆積の回避を可能にしない。そしてこのような方法では、上記の独国特許出願公開第10144008号明細書に示されているように、材料の蒸発除去によって穴壁を平滑化するための第2の方法ステップが必要とされる。 Furthermore, in the known method the melt ejection is produced by vaporization of the material and is therefore controlled only through the intensity of the laser radiation, which requires precise control of the hole diameter and avoidance of melt deposits, also called recasting. not allow. Such a method then requires a second method step for smoothing the hole walls by evaporative removal of material, as indicated in the above-mentioned DE 101 44 008 A1. .

独国特許出願公開第10144008号明細書にも記載されているように、主として溶融物排出を伴う穿孔に関わる先行技術は、再び固化した溶融物からなる粗くて亀裂を生じやすい層(リキャスト)が穴壁に生じることがあり、穴の所望の幾何学形状からの誤差につながることを教示している。したがって独国特許出願公開第10144008号明細書によれば、リキャストや、要求される穴直径からの誤差が後加工によって取り除かれ、蒸発除去による除去によって穴壁が平滑化される。 As also described in DE 101 44 008 A1, the prior art, which is primarily concerned with drilling with melt ejection, is characterized by a rough and crack-prone layer of resolidified melt (recast). It teaches that it can occur in the hole walls, leading to deviations from the desired geometry of the hole. According to DE 101 44 008 A1, therefore, recasting and deviations from the required hole diameter are eliminated by post-machining and the hole walls are smoothed by removal by evaporation.

米国特許第5837964号明細書は、パーカッションドリリングとトレパニングが時間的に連続して適用されるレーザ加工方法を記載している。この文献には、10よりも大きいアスペクト比や、最初にパーカッションドリリング、その次にトレパニングの時間的に連続するシーケンシャルな加工が記載されている。 US Pat. No. 5,837,964 describes a laser machining method in which percussion drilling and trepanning are applied sequentially in time. This document describes aspect ratios greater than 10 and sequential processing in time, first percussion drilling and then trepanning.

独国特許発明第102004014820号明細書DE 102004014820 独国特許出願公開第10144008号明細書DE 10144008 A1 米国特許第5837964号明細書U.S. Pat. No. 5,837,964

上に説明した先行技術を前提としたうえで、本発明の課題は、先行技術を参照して上に説明した欠点の少なくとも一部が回避され、特に必要な加工時間が短縮され、そのために加工精度が低下することがない、金属性の材料を、及び金属性と誘電性の材料から積層された材料を、穿孔する方法を提供することにある。さらに別の課題によれば、この方法を実施することができる装置を提供することも意図される。 Given the prior art described above, the object of the present invention is to obviate at least some of the drawbacks described above with reference to the prior art, in particular to reduce the required machining time and for that reason to To provide a method for perforating a metallic material and a material laminated from metallic and dielectric materials without lowering accuracy. According to a further task, it is also intended to provide a device with which this method can be implemented.

この課題は、方法に関しては独立請求項1の構成要件を有する方法によって解決され、装置に関しては独立請求項12の構成要件を有する装置によって解決される。方法及び装置の有利な実施形態は、従属請求項から明らかとなる。 This problem is solved for a method by a method having the features of independent claim 1 and for a device by an apparatus having the features of independent claim 12 . Advantageous embodiments of the method and device emerge from the dependent claims.

本発明の方法により、金属性の材料からなるコンポーネントが、及び積層された金属性と誘電性の材料からなるコンポーネントが、シングルパルス/パーカッションドリリングによって、及びトレパニングドリリングによって、レーザ放射によって主として溶融物排出により穿孔される。シングルパルスドリリングは非パルス化方法であるとみなされる。穿孔が完了するまで、又は貫通穿孔が行われるまで、レーザ放射のエネルギー束密度が時間的に中断されないからである。トレパニングドリリングも、パルス化して実行するだけでなく、時間的な中断(パルス休止)なしに非パルス化して実行することができる。シングルパルスドリリング/パーカッションドリリングとトレパニングドリリングが、本発明では時間的に見て同時に実行される。 By means of the method of the invention, components made of metallic materials and components made of laminated metallic and dielectric materials are mainly melted by laser radiation by single pulse/percussion drilling and by trepanning drilling. Perforated by ejection. Single pulse drilling is considered a non-pulsing method. This is because the energy flux density of the laser radiation is not interrupted in time until the drilling is completed or the through drilling is performed. Trepanning drilling can be performed not only pulsed, but also unpulsed without temporal interruptions (pulse pauses). Single pulse drilling/percussion drilling and trepanning drilling are performed simultaneously in time in the present invention.

ビーム軸(B)(beam axis)とビーム直径(D)とを有し、方向がビーム軸の横の位置でビーム軸(B)の方向と相違していて局所的な放射伝搬の方向を示すとともに容積あたりのエネルギーに光速を乗算したものとして値が定義される放射のエネルギー束密度であるベクトルとして定義される、レーザ放射(LS)に割り当てられたポインティングベクトル(<S>)の空間分布は、穴軸(H)と、穴壁(H)と、穴深さの進捗に伴って進捗していく穴底面(H)とが割り当てられる生成されるべき穴(H)のオーバーラップ領域(O)(overlap area)で、及び生成されるべき穴の縁領域Rで、それぞれ別様に調整される。単位[Jms-1-3](エネルギー・速度/体積、Jms-1-3=Wm-2)を有するエネルギー束密度は、レーザ放射の強度とも呼ばれる。 having a beam axis (B A ) (beam axis) and a beam diameter (D S ), the direction of which is different from that of the beam axis (B A ) at a position lateral to the beam axis and of local radiation propagation; of the Poynting vector (<S>) assigned to the laser radiation (LS), defined as the vector that indicates the direction and is the energy flux density of the radiation whose value is defined as energy per volume multiplied by the speed of light. The spatial distribution is the holes to be generated (H) to which the hole axis (H a ), the hole wall (H w ), and the hole bottom (H b ), which progresses with the progress of the hole depth, are assigned. , and the edge region R of the hole to be generated are adjusted differently. The energy flux density with the unit [Jms −1 m −3 ] (energy velocity/volume, Jms −1 m −3 =Wm −2 ) is also called the intensity of the laser radiation.

本発明の方法により、オーバーラップ領域(O)では放射の高いエネルギー束密度が調整され、縁領域では低いエネルギー束密度が調整される。放射のエネルギー束密度のこのような空間的分割は、時間的に見て、オーバーラップ領域(O)での高速の貫通穿孔と、縁領域での穴壁の品質的に高価値な除去との並行する適用を惹起する。本発明の方法によって周知の穿孔方法の利点が組み合わされ、すなわち、シングルパルスドリリング又はパーカッションドリリングの高い生産性と、トレパニングドリリングの高い品質とが組み合わされる。 By means of the method of the invention, a high energy flux density of the radiation is adjusted in the overlap area (O) and a low energy flux density in the edge area. Such a spatial division of the energy flux density of the radiation, viewed in time, between high-speed through-drilling in the overlap region (O) and high-quality removal of the hole wall in the edge region. Evoke parallel applications. The method according to the invention combines the advantages of known drilling methods, namely the high productivity of single pulse drilling or percussion drilling and the high quality of trepanning drilling.

両方の方法の利点が達成されるような周知の穿孔方法の組合せは、レーザ放射の強度について最大値と最小値を含むインターバルを遵守することを必要とし、遵守されるべき最大値と最小値は、オーバーラップ領域(O)でも縁領域Rでもさまざまに異なる大きさである。本発明によれば、レーザ放射の強度についての2つの異なるインターバルの調整は、移動するレーザビーム軸を有するパルス化レーザ放射の適用によって達成され、レーザビーム軸の移動は、レーザ放射の各々のパルスにより照射されるオーバーラップ領域(O)と、各々のパルスにより照射されるのではない外側の縁領域Rとが生じるように行われなければならない。ただし、レーザ放射の強度についての2つの異なるインターバルの本発明に基づく調整は、レーザビーム軸の移動をせずに適切なビームフォーミングをすることでも達成される。 A combination of known drilling methods in which the advantages of both methods are achieved requires the observance of intervals containing maximum and minimum values for the intensity of the laser radiation, the maximum and minimum values to be observed being , both in the overlap region (O) and in the edge region R are of different sizes. According to the invention, the adjustment of the intensity of the laser radiation in two different intervals is achieved by applying pulsed laser radiation with a moving laser beam axis, the movement of the laser beam axis for each pulse of laser radiation. and an outer edge region R not illuminated by each pulse. However, the adjustment according to the invention of the two different intervals of the intensity of the laser radiation can also be achieved by suitable beamforming without movement of the laser beam axis.

オーバーラップ領域は、レーザ放射の各々のパルスで照射される領域として定義される。縁領域は、オーバーラップ領域の外側かつレーザビーム半径の内側に位置する領域として定義される。 The overlap area is defined as the area illuminated by each pulse of laser radiation. The edge region is defined as the region located outside the overlap region and inside the laser beam radius.

方法に関しては、穴長さと穴直径との比率として定義されるアスペクト比Aの最大値AmaxはA=d/(2rB,top)をもって値Amax=10を有し、ここでdは、材料の表面若しくは上面に対して相対的に垂直方向の穴(H)の場合には貫通穿孔されるべき材料の材料厚みであり、又は材料の上面に対して相対的に傾いた穴軸の場合には穴長さであり、rB,topは、穴軸(H)に対して垂直の方向で測定した半径として定義される、穴入口における穴(H)の穴半径である。 As regards the method, the maximum value A max of the aspect ratio A, defined as the ratio of the hole length to the hole diameter, has the value A max =10 with A=d/(2r B,top ), where d is The material thickness of the material to be drilled through, in the case of a hole (H) that is perpendicular to the surface or top of the material, or in the case of a hole axis that is inclined relative to the top of the material. is the hole length and r B,top is the hole radius of the hole (H) at the hole entrance defined as the radius measured in the direction perpendicular to the hole axis (H a ).

アスペクト比についてのこのような制限A<Amaxが重要であるのは、10よりも大きい比較的大きなアスペクト比Aについては、穴壁(H)が個所Aで直接照射される、本発明に基づいて調整される放射に追加して、別の個所Bで穴壁(H)によって反射される放射も個所Aでの除去に寄与するからである。穴壁(H)の反射と複数回の照射とによって、穴壁(H)でのレーザ放射(LS)の本発明に基づく調整が反射される放射のために変化し、本方法を実施可能ではなくなる。 Such a limit A<A max for the aspect ratio is important because for relatively large aspect ratios A, greater than 10, the hole wall (H W ) is directly irradiated at point A, according to the invention. This is because, in addition to the radiation adjusted accordingly, the radiation reflected by the hole wall (H W ) at another location B also contributes to the elimination at location A. By reflection of the hole wall (H w ) and multiple irradiations, the adjustment according to the invention of the laser radiation (LS) at the hole wall (H w ) is changed for the reflected radiation to carry out the method. will not be possible.

先行技術では必要とされる、たとえばシングルパルスドリリング又はパーカッションドリリングに関わる独国特許発明第102004014820号明細書に記載されているような、入射するレーザ放射と反対向きに溶融物を生じた穴から完全に排出し、穴壁への固化した溶融物の堆積をなくすように、穴を形成する放射を生成するための方策は必要ない。 It is necessary in the prior art, for example as described in DE 10 2004 014 820 for single-pulse drilling or percussion drilling, to remove completely from the hole produced the melt in the direction opposite to the incident laser radiation. No measures are required to produce the hole-forming radiation so as to discharge into the hole and eliminate solidified melt deposits on the hole walls.

本発明による方法の別の利点は、たとえば穴壁(H)への固化した溶融物の堆積の事後的な除去のための後続するトレパニングドリリングが必要ないという点に見出すことができる。 A further advantage of the method according to the invention can be found in that no subsequent trepanning drilling is required for subsequent removal of eg solidified melt deposits on the hole walls (H w ).

本発明による方法の1つの主要な方策は、作成される穴(H)が中央領域又はオーバーラップ領域(O)と縁領域(R)とに分割されることにも見出すことができる。実現されるべき穴(H)の穴軸(H)に対して垂直の放射(LS)の空間分布が、オーバーラップ領域(O)と縁領域(R)とでそれぞれ別様に調整される。 One main measure of the method according to the invention can also be found in that the hole to be created (H) is divided into a central or overlapping area (O) and a rim area (R). The spatial distribution of the radiation (LS) perpendicular to the hole axis (H a ) of the hole (H) to be realized is adjusted differently in the overlap region (O) and edge region (R) respectively. .

実現されるべき穴(H)の縁領域(R)でレーザ放射(LS)に割り当てられるポインティングベクトル<S>の方向の調整は、レーザ放射(LS)の焦点位置とレイリー長の調整によって行うことができる。 The adjustment of the direction of the Poynting vector <S> assigned to the laser radiation (LS) in the edge region (R) of the hole (H) to be realized is done by adjusting the focus position and the Rayleigh length of the laser radiation (LS). can be done.

本発明による方法のためには、作成される穴の縁領域での放射のエネルギー束密度を非常に正確に測定して調整しなければならない。エネルギー束密度についての非常に小さい値のとき、すでに除去が行われるからである。除去のために最低限必要なエネルギー束密度について、本発明によると、1ナノ秒よりも長いパルス時間についてWcm-2の、又は10ピコ秒よりも短いパルス時間についてJcm-2(10-4Wm-2又はJm-2に相当)の規模を有する数として定義される閾値が規定され、この閾値が、穿孔されるべき材料を特徴づけるために知られるその他すべての穴に関連するパラメータ(溶融温度、熱容量、熱伝導率など)の代替となり、金属材料については10~10W・cm-2又は1~10J・cm-2の典型的な値をとる。 For the method according to the invention, the energy flux density of the radiation in the edge region of the hole to be produced must be measured and adjusted very precisely. This is because at very small values for the energy flux density the removal already takes place. The minimum required energy flux density for ablation, according to the invention, is W cm −2 for pulse times longer than 1 ns, or J cm −2 (10 −4 Wm −2 or equivalent to Jm −2 ), and this threshold is defined as all other hole-related parameters known to characterize the material to be drilled (melting temperature , heat capacity, thermal conductivity, etc.), with typical values of 10 4 to 10 5 W·cm −2 or 1 to 10 J·cm −2 for metallic materials.

測定されるべきエネルギー束密度について限定された領域を有し、エネルギー束密度の任意の大きさの差異を同時に検出することができない市販の器具を用いた測定を行うことができるのは、たとえばレーザビームの強度の高い領域がフェードアウトされ、そのようにしてレーザビームの外側領域を高い解像度で測定することができる場合に限られ、測定によって調整が管理されなければならない。 Measurements with commercially available instruments that have a limited area for the energy flux density to be measured and are not capable of simultaneously detecting arbitrarily large differences in energy flux density are possible, e.g. Only if the high intensity areas of the beam are faded out and thus the outer areas of the laser beam can be measured with high resolution, the adjustment must be controlled by measurement.

穿孔中にレーザ放射(LS)は、少なくとも1回通過されるべき閉じた軌道曲線(C)に沿ってそのビーム軸(B)が移動を行うように案内されるのが好ましい。このときビーム直径(D)の半分は、軌道曲線(C)の直径(D)の半分と少なくとも同じ大きさに選択される。穿孔中のレーザ放射(LS)の移動は、たとえばスキャナを用いて行われる。 During drilling the laser radiation (LS) is preferably guided such that its beam axis (B A ) makes a movement along a closed trajectory curve (C) which is to be traversed at least once. Half the beam diameter (D S ) is then chosen to be at least as large as half the diameter (D C ) of the trajectory curve (C). The movement of the laser radiation (LS) during drilling is done using a scanner, for example.

さらに別の方策では、作成されるべき穴(H)のオーバーラップ領域(O)と縁領域(R)における放射(LS)のエネルギー束密度を、時間的な平均値でそれぞれ別様に調整することができる。それが意味するのは、レーザ放射がパルス化され、その間にビーム軸(B)が閉じた軌道曲線(C)を通過し、2つの連続するパルス間の時間(パルス休止)が変更され、軌道速度vが時間的な平均値で変更されることである。 In yet another approach, the energy flux densities of the radiation (LS) in the overlap region (O) and the edge region (R) of the hole (H) to be created are adjusted differently with temporal averages. be able to. It means that the laser radiation is pulsed, during which the beam axis (B A ) passes through a closed trajectory curve (C), the time between two consecutive pulses (pulse pause) is changed, The trajectory velocity v C is changed with a mean value over time.

穴(H)の内部でのレーザ放射(LS)の望ましくない反射が十分に小さい値を有することによって、すなわち、反射されるエネルギー束密度が除去についての閾値よりも低い値をとることによって、アスペクト比についての本発明に基づく最大値Amaxが拡大されることを惹起するために、穴(H)の縁領域(R)におけるポインティングベクトル(<S>)が、作成されるべき穴(R)の穴壁(H)の方を向く方向成分をもって調整される。このような方策によって入射する放射(LS)の吸収が増加し、形成される穴(H)の穴壁(H)の比較的深い位置にある領域への放射(LS)の反射が回避され、又は、除去についての閾値を上回ることがなく、管理不能な除去が行われない程度まで少なくとも減少する。 Aspect In order to cause the maximum value A max according to the invention for the ratio to be enlarged, the Poynting vector (<S>) in the edge region (R) of the hole (H) is defined by the hole (R) to be created is adjusted with the directional component pointing toward the hole wall (H W ) of . This measure increases the absorption of the incident radiation (LS) and avoids reflection of the radiation (LS) to relatively deep regions of the hole wall (H w ) of the hole (H) to be formed. , or at least reduced to such an extent that the threshold for removal is not exceeded and unmanageable removal does not occur.

限界フルエンスFthは、すなわち10ピコ秒より短いパルス時間についての閾値は、穴の形成中又は通過の有限数の周期後に到達され、又はさらにこれを下回る。穴壁が各々のパルスによって次第に急傾斜になっていき、したがって穴壁に入射する放射のフルエンスが、穴壁の次第に広くなる面又は面積に当たるようになるからである。限界フルエンスFthに到達すると、又はこれを下回ると、除去は可能でなくなり、穴の漸近的な幾何学形状が達成される。このことは、シミュレーションと実験との比較から判定される、限界フルエンスFthの値についての定義及び測定規則である。穴の幾何学形状は最終的又は漸近的な形状(最終形状とも呼ぶ)に近似していき、それ以上は除去をすることができなくなる。漸近性への近似は、常に、漸近性に達したときの穿孔の結果が照射時間に依存しなくなるか、又は近似の場合には弱く依存するだけになることを意味し、したがって再現可能であると想定される。 The critical fluence F th , ie the threshold for pulse times shorter than 10 picoseconds, is reached or even below during hole formation or after a finite number of cycles of passage. This is because the hole wall becomes progressively steeper with each pulse, so that the fluence of radiation incident on the hole wall impinges on progressively wider surfaces or areas of the hole wall. When the critical fluence F th is reached or below it, removal is no longer possible and the asymptotic geometry of the hole is achieved. This is the definition and measurement rule for the value of the critical fluence F th determined from a comparison of simulations and experiments. The geometry of the hole approaches the final or asymptotic shape (also called the final shape) and no further removal is possible. An approximation to asymptote always means that the perforation result when asymptotic is reached becomes independent of irradiation time, or only weakly dependent in the case of approximation, and is therefore reproducible. is assumed.

穴(H)の幾何学形状の高い再現性を保証するために、穴壁(H)の漸近性への到達を保証するのが好ましい。そのために、たとえば複数の穴(テスト穴)がパルスの数を増やしながら(パルス化レーザ放射)又は照射時間を増やしながら(cwレーザ放射)作成され、その際に不必要に長くレーザ放射(LS)に暴露されて、穴(H)がそれ以上進捗しないことが観察される。達成された穴直径は、断面研磨の作成によって実験的に決定される。断面研磨から実験的に決定された穴形状又は穴直径が変化しなくなったときに、漸近性が達成される。穴壁(H)の漸近性への到達が保証されていれば、他の穴も特別に高い再現性で、又は技術的に無視できるわずかな相互の誤差(数マイクロメートル未満)で製作することができる。 In order to ensure a high reproducibility of the geometry of the holes (H), it is preferable to ensure that the hole walls (H w ) reach asymptotics. To that end, for example, multiple holes (test holes) are produced with increasing number of pulses (pulsed laser radiation) or with increasing irradiation time (cw laser radiation), with unnecessarily long laser radiation (LS). , it is observed that the hole (H) does not progress any further. The hole diameter achieved is experimentally determined by making cross-sectional grinds. Asymptoticity is achieved when the experimentally determined hole shape or hole diameter from cross-sectional polishing ceases to change. If the asymptotic attainment of the hole wall (H W ) is guaranteed, the other holes are also fabricated with exceptionally high reproducibility or technically negligible mutual errors (less than a few micrometers). be able to.

穴の漸近形状又は漸近性とは、レーザ放射の特定数のパルスの後(パルス化レーザ放射)に、又は特定の照射時間の後(cwレーザ放射)に生じ、以後のすべてのパルス又は以後の照射によってもはや変化しない穴形状を意味し、これは除去ストップとも呼ばれる。このときに漸近性が成立する、又は漸近性が近似される、レーザ放射のパルスの数は、材料パラメータ、ビームパラメータ、及び方法パラメータの値に依存する。したがって漸近性への近似が意味するのは、達成された穴形状が照射時間の進捗に伴って変化しなくなり、又は穴形状の結果が照射時間の進捗に伴ってごくわずかしか変化しなくなり、それにより、生じている穴形状が再現可能であると想定され、そのようにして最終形状に達することである。 The asymptotic shape or asymptoticity of a hole occurs after a certain number of pulses of laser radiation (pulsed laser radiation) or after a certain irradiation time (cw laser radiation) and all subsequent pulses or It means a hole shape that is no longer changed by the irradiation, which is also called removal stop. The number of pulses of laser radiation at which the asymptotic property holds or is approximated depends on the values of the material, beam and method parameters. An asymptotic approximation therefore means that the achieved hole shape will not change as the irradiation time progresses, or the resulting hole shape will change only slightly as the irradiation time progresses, and It is assumed that the resulting hole shape is reproducible, thus arriving at the final shape.

方法に関わる1つの方策によると、穴の最終形状への到達は縁領域(R)に対するレーザ放射(LS)の調整によって規定され、穴(H)の最終形状への到達について、1ナノ秒よりも長いパルス時間についてW・cm-2の、又は10ピコ秒よりも短いパルス時間についてJ・cm-2(10-4W・m-2又はJ・m-2に相当)の規模を有する数として定義される閾値が規定され、この閾値が、穿孔されるべき材料を特徴づけるために知られるその他すべての穴に関連するパラメータの代替となり、金属材料については10~10W・cm-2又は1~10J・cm-2の典型的な値をとる。 According to one approach to the method, reaching the final shape of the hole is defined by the adjustment of the laser radiation (LS) with respect to the edge region (R), and it takes less than 1 ns for reaching the final shape of the hole (H). A number with a magnitude of W·cm −2 for pulse times longer than 10 picoseconds, or J·cm −2 (equivalent to 10 −4 W·m −2 or J·m −2 ) for pulse times shorter than 10 picoseconds. A threshold value defined as 10 4 to 10 5 W·cm for metallic materials is defined and substitutes for all other hole-related parameters known to characterize the material to be drilled. It takes typical values of 2 or 1 to 10 J·cm −2 .

穿孔時間の進捗に伴って穴壁が次第に急傾斜になっていくので、穴壁(H)の次第に広くなっていく部分面に対して次第に増えていく放射割合が当たるようになり、そのようにして、穴壁(H)に入射する放射のフルエンス(F)が低くなっていく。このようにして穴形状が再現可能に、かつ高い精度をもって、それ以上除去することができない最終形状に近似していく。 As the drilling time progresses, the hole wall becomes progressively steeper, so that progressively wider partial surfaces of the hole wall (H W ) are impinged by increasingly increasing radiation fractions, such that , the fluence (F) of the radiation incident on the hole wall (H W ) becomes lower. In this way, the hole shape is reproducibly and highly accurately approximated to the final shape that cannot be removed any more.

10ピコ秒よりも短いパルス時間、又は材料とレーザ放射との相互作用の時間については、レーザ放射は吸収されたエネルギーを材料の自由電子に蓄えるだけであり、照射される材料の原子の顕著な加熱はない。エネルギー束密度[J・m-2-1]に代えて、フルエンス(F)[J・m-2]が時間を通じてのエネルギー束密度の積分として定義され、フルエンスは材料を面積あたりで照射するレーザ放射のエネルギー(放射エネルギー)の割合として定義され、SI単位J・m-2を有する。 For pulse durations shorter than 10 picoseconds, or durations of interaction between the material and the laser radiation, the laser radiation only stores the absorbed energy in the material's free electrons, leaving the material's atoms to be irradiated significantly No heating. Instead of the energy flux density [J·m −2 s −1 ], the fluence (F) [J·m −2 ] is defined as the integral of the energy flux density over time, the fluence irradiating the material per area. It is defined as the fraction of the energy of laser radiation (radiant energy) and has the SI unit J·m −2 .

コンポーネントの材料が照射される面積あたりの放射エネルギーはF=I・Δtをもってフルエンス(F)と呼ぶこともでき、このときエネルギー束密度は強度Iとも呼ばれ、Δtはコンポーネントが照射される時間を表す。 The radiant energy per area irradiated by the material of the component can also be called the fluence (F) with F=I·Δt, where the energy flux density is also called the intensity I, and Δt is the time the component is irradiated. show.

フルエンス(F)についての閾値(限界フルエンスFth)を下回ると、除去がもはや不可能になり、穴の漸近的な幾何学形状が達成される。すなわち、穴の幾何学形状が最終的又は漸近的な形状に近似していき、それ以上は除去することができなくなる。したがって穴の幾何学形状の高い再現性のためには、すでに上で説明したように、漸近性への到達が保証されなければならない。 Below a threshold for fluence (F) (critical fluence F th ), removal is no longer possible and an asymptotic geometry of the hole is achieved. That is, the geometry of the hole approaches the final or asymptotic shape and no more can be removed. For high reproducibility of the hole geometry, therefore, as already explained above, reaching asymptotics must be ensured.

材料が貫通穿孔されると穴の穴底面が開き、レーザ放射の一部が穴を通過して照射されて、穿孔されるべき材料によっては吸収されない。このとき穴底面(H)は、形成されていく穴(H)の、穿孔時に進捗していく端部として定義される。穴底面のところで開いている穴(H)の中では、溶融物が開口部の周囲からさほど強力には加速されず、穴から完全に排出されなくなり、穴壁で固化する。穿孔中に排出されるべき溶融物が穴壁で固化するのを回避するために、パルス化レーザ放射を用いる穿孔について好ましい1つの方策は、複数のパルス(最後のパルスまで)を用いた穿孔時に、オーバーラップ領域(O)の貫通穿孔前に溶融物がレーザ放射(LS)の伝搬方向と反対向きに穴(H)から排出される方策である。このことは、穴底面が材料厚みに達して貫通穿孔が生じることがないように、オーバーラップ領域(O)でのレーザ放射のエネルギー束密度が調整されることによって実現される。このようにして、穴の最終形状に到達するためになおも排出されるべきである、少なくとも部分的に望ましくないリキャストとして穴の中に残る残留容積が、可能な限り少なくなる。 When the material is drilled through, the hole base of the hole is open and part of the laser radiation passes through the hole and is not absorbed by the material to be drilled. The hole base (H b ) is then defined as the edge of the forming hole (H) that progresses during drilling. In the hole (H) which is open at the bottom of the hole, the melt is accelerated less strongly from the periphery of the opening, does not exit the hole completely and solidifies on the hole wall. In order to avoid that the melt to be discharged during drilling solidifies on the hole wall, one preferred strategy for drilling with pulsed laser radiation is to use , the melt is ejected from the hole (H) in a direction opposite to the direction of propagation of the laser radiation (LS) before the through-drilling of the overlap region (O). This is achieved by adjusting the energy flux density of the laser radiation in the overlap region (O) such that the hole base does not reach the material thickness and lead to through-drilling. In this way, as little residual volume as possible remains in the hole, at least partly as undesired recast, which still has to be discharged in order to reach the final shape of the hole.

本方法により、ガスノズルを使用することなく蒸発圧力のみに基づいて、形成されている穴から溶融物の排出を行うことができる。オーバーラップ領域での、すなわちレーザ放射の各々のパルスで照射される領域でのエネルギー束密度とパルス時間は、上で述べた漸近性に到達することなしに、穴底面がパルス終了時にコンポーネントの下面に到達するように調整される。穴壁で固化して排出することができず、回転しないコンポーネントについて典型的には100μmよりも小さいのがよく、回転して加速されるコンポーネントについて典型的には50μmより小さいのがよいリキャスト厚みすなわち溶融物堆積の厚みを測定することで、小さいリキャスト厚みの成果を確認することができる。適用される放射の強度とパルス時間は、コンポーネントがその下面で(穴底面(H)で)貫通穿孔される時点で、最終的に穴の漸近性へと到達するために、溶融物の最小限の残留容積を排出するだけでよいように適合化される。この時点で、なおも排出されるべきごく少量の材料の残留容積が溶融され、蒸発圧力によって部分的に下方に向かって、及び部分的に穴壁に沿って上方に向かって穴から排出され、そこでさらに部分的に固化してリキャストを形成する。 The method allows for the ejection of the melt from the formed bore based solely on evaporation pressure without the use of gas nozzles. The energy flux density and pulse time in the overlap region, i.e., the region irradiated with each pulse of laser radiation, is reduced to is adjusted to reach It should typically be less than 100 μm for non-rotating components that cannot be solidified and ejected at the hole wall, and typically less than 50 μm for rotating and accelerated components. The effect of a small recast thickness can be confirmed by measuring the thickness of the melt pile. The intensity and pulse time of the applied radiation are the minimum of It is adapted so that only a limited residual volume needs to be evacuated. At this point, a very small residual volume of material still to be expelled is melted and expelled from the hole partly downwards and partly upwards along the hole wall by the evaporation pressure, There it is further partially solidified to form a recast.

エネルギー束密度の最小値を下回らないのがよく、エネルギー束密度の最大値を上回らないのがよい。最小値は、コンポーネントの下面で穴底面がまだ開いていないこととして定義される、貫通穿孔が行われないことによって決定され、最大値は、貫通穿孔に到達するための穿孔時間が飛躍的に増大することによって決定される。飛躍的な増大が意味するのは、最大値よりもわずかに低いエネルギー束密度については材料を貫通穿孔するために短い穿孔時間で足り、このとき穿孔速度vが大きい値をとり、典型的には1ms-1よりも大きい値をとり、かつ、最大値よりもわずかに高いエネルギー束密度については貫通穿孔までに長い穿孔時間が必要であり、穿孔速度vが小さい値をとり、典型的には10-2ms-1よりも小さい値をとるということである。 It should not fall below the minimum energy flux density and should not exceed the maximum energy flux density. The minimum value is determined by no through-drilling, defined as the hole base not yet open on the underside of the component, and the maximum value dramatically increases the drilling time to reach the through-drilling. determined by The dramatic increase means that for energy flux densities slightly below the maximum value, short drilling times are sufficient to drill through the material, at which the drilling velocity vP takes high values, typically takes a value larger than 1 ms −1 , and for energy flux densities slightly higher than the maximum value, a long drilling time is required until through-drilling, and the drilling speed v P takes a small value, typically takes a value smaller than 10 −2 ms −1 .

付言しておくと、レーザ放射の低すぎるエネルギー束密度は溶融物を穴からその深さ全体を通じて排出するのに十分ではなく、レーザ放射の高すぎる強度は稠密すぎる金属蒸気を引き起こし、それがレーザ放射を相当に吸収し、そのために穿孔速度vを引き下げてしまう。 In addition, too low an energy flux density of the laser radiation is not sufficient to eject the melt from the hole through its entire depth, and too high an intensity of the laser radiation causes too dense a metal vapor, which causes the laser It absorbs the radiation considerably, thus lowering the drilling speed v P .

方法に関して、レーザ放射のビーム軸(B)が穴軸(H)を中心として回転する角度として定義される増分角(Alpha)を調整することで、断面で見て円形の穴、8の字形の穴、長孔、又は3穴の穴、若しくは星形の穴を生成することができる。先行技術では、円形でない穴断面の製作のために穴の最小断面よりも小さいレーザ放射のビーム直径が必要であり、生成されるべき穴輪郭が軌道曲線に沿って追従されなければならない。先行技術に基づく方法の適用によって実現可能な最小の断面形状は、たとえば8の字型の輪郭の中心にあるx字型の区域は、輪郭が追従されるときに少なくともビーム直径と同じ大きさであり、すなわち、本発明による方法の適用によるよりも大きい。本発明の方法により8の字型の輪郭のx字型の区域が、レーザビーム直径のオーバーラップ領域によってのみ照射されるからである。 With respect to the method, a circular hole, 8 in cross-section, is obtained by adjusting the incremental angle (Alpha), defined as the angle by which the beam axis (B A ) of the laser radiation rotates about the hole axis (H a ). Letter-shaped holes, slots, or three-hole holes, or star-shaped holes can be produced. In the prior art, the production of non-circular hole cross-sections requires a beam diameter of the laser radiation smaller than the minimum cross-section of the hole, and the hole contour to be generated has to be followed along the trajectory curve. The smallest cross-sectional shape achievable by application of methods based on the prior art is, for example, that the x-shaped area in the center of a figure-eight profile is at least as large as the beam diameter when the profile is followed. Yes, ie larger than with the application of the method according to the invention. This is because according to the method of the invention, the x-shaped area of the figure-eight contour is illuminated only by the overlapping region of the laser beam diameters.

本発明の方法によって8の字型の穴は、2つの連続するパルスの間で増分角が180度になり、レーザ放射がパルス化され、このとき8の字型の穴形状が実現されるまで0度と180度への到達時にパルスが反復して行われるように、増分角とパルス時間とが調整されることによって生成される。長孔の形成のためには、連続する2つのパルスの間で増分角が180度になり、0度と180度に達したときにパルスが反復して行われるように、同じく180度の増分角とパルス時間とが調整され、このときオーバーラップ領域は長孔が生じるような大きさに調整される。3穴の穴は、たとえば120度の角度間隔をおく3つの穴を有する穴であり、増分角を120度に合わせて調整することで生成され、3穴の穴が形成されるまで、0度、120度、及び240度に達したときにパルスが反復して行われる。星形の穴が本発明の方法に基づいて生じるのは、0度、3601/n度、3602/n度、...360(n-1)/(n)度に達したときパルスが反復して行われる場合であり、ここでnは自然数であり、360/nは星形の穴が達成されるまでの自然数である。 The method of the present invention produces a figure-eight hole with an increment angle of 180 degrees between two successive pulses until the laser radiation is pulsed, at which time a figure-eight hole shape is achieved. It is produced by adjusting the increment angle and pulse time such that the pulses are repeated on reaching 0 and 180 degrees. For slot formation, the increment angle is 180 degrees between two consecutive pulses, and the pulses are repeated when 0 and 180 degrees are reached, also in 180 degree increments. The angle and pulse time are adjusted, with the overlap area sized to produce a slot. A 3-hole hole is, for example, a hole having 3 holes with an angular spacing of 120 degrees, and is generated by adjusting the incremental angle to 120 degrees, until a 3-hole hole is formed, 0 degrees , 120 degrees, and 240 degrees, the pulses are repeated. Star-shaped holes are produced based on the method of the present invention at 0 degrees, 360 * 1/n degrees, 360 * 2/n degrees, . . . 360 * (n−1)/(n) where the pulse is repeated when reaching degrees, where n is a natural number and 360/n is the natural number until the star hole is achieved. is.

本発明の方法によって製作可能な穴の主要な利点と特殊性、並びにこれから生じる特別な用途や利用分野は、以下のように要約することができる。本発明による方法で作成されるべき穴の直径は照射時間に伴って増加し、漸近値に到達しようとする。穴直径についての漸近値に近似していくとき、1つのパルスあたりの除去又は穿孔速度vはゼロに近づこうとし、穴の直径を再現可能である。 The main advantages and peculiarities of the holes that can be produced by the method of the invention, as well as the special applications and fields of application that arise from them, can be summarized as follows. The diameter of the holes to be produced by the method according to the invention increases with irradiation time and tends to reach an asymptotic value. When approximating an asymptotic value for the hole diameter, the per-pulse ablation or drilling rate v P tends to zero and the hole diameter is reproducible.

これに関して付言しておくと、溶融物を排出するためにガスジェットを用いる穿孔の場合には、穴深さに対して生じる穴の最小直径が穴の幾何学形状の指標となり、これが装入ガスの容積流量を制限する。 In this regard, it should be noted that in the case of drilling using a gas jet to discharge the melt, the minimum diameter of the resulting hole relative to the hole depth is a measure of the hole geometry, which is the gas charge. limit the volumetric flow rate of

燃料フィルタなどの全体の貫流容積は、個々の穴の貫流容積を加算したものとなる。タービンの冷却は穴によって実現され、その直径と拡張(円錐度)が冷却作用を決定づける。したがって燃料フィルタやタービン部品の穴の製作は、本発明による方法の特別に重要な適用分野である。 The total through-flow volume of a fuel filter or the like is the sum of the through-flow volumes of the individual holes. Cooling of the turbine is achieved by means of holes whose diameter and expansion (conicity) determine the cooling effect. The manufacture of holes in fuel filters and turbine components is therefore a particularly important field of application for the method according to the invention.

気体や液体が穴から排出されるときの流動挙動は、特に、材料表面に対する穴壁の角度と、穴の拡張すなわち穴の円錐度とによって決定される。事前定義された円錐度の遵守は、たとえばタービンコンポーネントを保護するための材料表面への冷却ガスの分配にとって特に重要である。本発明の方法により、そのような円錐度を非常に定義どおりに調整することができ、それは、穴(H)の縁領域(R)におけるポインティングベクトル(<S>)が、達成されるべき穴(H)の穴壁(H)の方を向く、穴深さに伴って単調に変化する方向成分を有することによってである。放射の吸収、及びこれに伴って穿孔速度vは、穴壁(H)の方を向く方向成分が増すにつれて大きくなるので、穴直径もこの方向成分に比例して大きくなる。 The flow behavior when a gas or liquid is discharged from a hole is determined, inter alia, by the angle of the hole wall with respect to the material surface and the expansion of the hole, ie the conicity of the hole. Adherence to a predefined conicity is particularly important for the distribution of cooling gases on material surfaces, for example to protect turbine components. The method of the present invention allows such conicity to be adjusted in a very defined manner, which means that the Poynting vector (<S>) in the edge region (R) of the hole (H) is equal to the hole to be achieved. By having a directional component that points towards the hole wall (H W ) of (H) and varies monotonically with hole depth. Since the radiation absorption, and thus the drilling velocity v p , increases with increasing directional component pointing towards the hole wall (H W ), the hole diameter also increases proportionally with this directional component.

円筒や円錐の穴の形状は、穴を通る液体や気体の層流のための前提条件である。特にタービンコンポーネントで該当するような、ベース材料と、付着媒介層と、断熱層とからなる多層システムにおける穴の直径は、穿孔中に貫通穿孔されるべきそれぞれの材料層に関わりなく調整可能でなければならず、それにより、貫通穿孔されるべき材料層に左右されることなく、平滑な穴壁と、増していく穴深さに伴って均等に拡張していく、又は縮小していく穴直径とが生じる。このことは本発明の方法によると、貫通穿孔のために比較的高いエネルギー束密度を必要とする、又は閾値フルエンスについて比較的高い値を有する、断熱層がまず貫通穿孔されることによって可能となり、穿孔時間は、断熱層の穴がその漸近形状に到達し、さらに深くに位置する材料層での後続する穿孔時に、これよりも低いエネルギー束密度又はこれよりも低い閾値フルエンスの値によってそれ以上除去されないように選択される。 The shape of the cylindrical or conical hole is a prerequisite for laminar flow of liquids and gases through the hole. The diameter of the holes in multilayer systems consisting of a base material, an adhesion layer and a thermal insulation layer, as is the case especially in turbine components, should be adjustable independently of the respective material layer to be drilled through during drilling. which must result in smooth hole walls and evenly expanding or decreasing hole diameters with increasing hole depth, regardless of the material layer to be drilled through. occurs. This is made possible, according to the method of the invention, by first through-perforating the insulating layer, which requires a relatively high energy flux density for through-perforation or has a relatively high value for the threshold fluence, The drilling time is further removed by a lower energy flux density or a lower threshold fluence value when the hole in the insulation layer reaches its asymptotic shape and upon subsequent drilling in deeper material layers. selected not to be

本発明による方法のさらに別の驚くべき特性は、レーザ放射の吸収や熱伝導についてそれぞれ非常に異なる特性をもつ多層システム(断熱層のセラミックとベース層の金属)を穿孔する場合に、穴深さ全体を通じて定義された円錐度を実現可能であるという点に見ることができる。驚くべきことに、最初に穿孔されるべき層が、穿孔プロセス及びこれに伴って穴形状に無視できるほどの影響しか及ぼさない。このことは、最初に穿孔されるセラミック層を介して流れてこれを覆う溶融物流の帰結として理解され、それにより、レーザ放射の吸収と熱伝導が断熱層と金属のベース層とについて同じ大きさとなり、そのようにして平滑な穴壁が生じる。このように重要なのは、本発明による方法が穿孔の開始時から通過貫通の時点まで、ビーム方向と反対向きに溶融物排出を行うことである。穴は中央領域に生じるので、品質の不足(ここでは相違する材料特性に基づく形状誤差)などが生じている穴の領域が穿孔の以後の過程で除去され、したがって穴の品質には寄与しない。さらに深くに位置する金属層の溶融物は、その上に位置するたとえばセラミック層の方向に追いやられてこれを覆い、このことは、深くに位置する層に由来する溶融液状の材料で放射が吸収されて、覆っている溶融物による熱が支配的となることにつながる。 Yet another surprising property of the method according to the invention is that when drilling multilayer systems (insulating layer ceramic and base layer metal) with very different properties for laser radiation absorption and heat conduction, the hole depth It can be seen in that a defined conicity is achievable throughout. Surprisingly, the layer to be drilled first has negligible influence on the drilling process and thus the hole shape. This can be understood as a consequence of the melt flow flowing through and overlying the ceramic layer that is drilled first, so that the absorption of laser radiation and the heat conduction are of the same magnitude for the insulating layer and the metallic base layer. , thus producing a smooth hole wall. It is thus important that the method according to the invention has a melt discharge opposite the beam direction from the start of drilling to the point of through-penetration. Since the hole occurs in the central region, the region of the hole which suffers from quality deficiencies (here shape errors due to different material properties) etc. is removed in the subsequent steps of drilling and therefore does not contribute to the quality of the hole. The melt of the metal layer lying deeper is driven towards and covers the e.g. , leading to dominance of heat from the overlying melt.

コーティングの付着強度とせん断強度の低下は観察されない。多層システムを穿孔する場合、穴の領域で各層の間の付着性が低下してはならない。たとえばタービンコンポーネントの断熱層が損傷していると、作動時に熱的及び機械的に高い負荷を受けるコンポーネントの層がベース材料から剥離する可能性があり、断熱層による防護が保証されなくなる。各層の間の付着部は、穿孔中に穴壁に沿ってビーム方向と反対向きに流出する溶融物によって熱的に負荷を受け、このとき各層が各々のパルス中にそばを流れる溶融物の溶融物温度まであらためて加熱され、それぞれ異なる層におけるそれぞれ異なる熱膨張のために各層をそれぞれ相違する強さでせん断する熱力学的作用が生じるので、連続する2つのパルスの間のパルス休止は、熱拡散によって加熱を再び低下させることができる、せん断をするように負荷する作用を高める熱の蓄積が起こらないような長さに選択されなければならない。その際に留意すべきは、断熱層の中への(断熱層の厚みでスケーリングされる)熱の浸透深さが1よりも小さく保たれなくてはならないことであり、そうでない場合には、図面の図4のグラフに示すようにせん断作用が強くなりすぎる。この図では、断熱層への熱の浸透深さと、加熱後の断熱層の穴壁における温度とが、時間tpとパルス休止tpauseとで示されている。このことは本発明の方法によると、パルス休止tpauseがパルス時間tpの倍数として選択されことによって可能であり、このとき温度Tは、関係T=Ta+(Tm-Ta)Tsに基づきスケーリングされた温度Tsから算出される。Taは周囲温度を表し、それに対してTmは溶融温度を表す。図4のグラフを参照すると、スケーリングされた温度Tsがパルス休止tpauseの間にどのように低下していくかを読み取ることができる。溶融温度Ts=1から、溶融温度Tmの10番目の部分-図4の一定の曲線-までの冷却を達成するには、パルス休止tpauseがパルス時間tpの40倍でなければならない。 No reduction in adhesion strength and shear strength of the coating is observed. When perforating multilayer systems, the adhesion between the layers must not be compromised in the area of the holes. For example, if the thermal insulation layer of a turbine component is damaged, the layer of the component, which is subjected to high thermal and mechanical loads during operation, can delaminate from the base material and the protection provided by the thermal insulation layer is no longer guaranteed. The bond between each layer is thermally loaded during drilling by the melt flowing along the hole wall in the direction opposite to the beam direction, with each layer melting the melt flowing by during each pulse. The pulse pause between two consecutive pulses is the thermal diffusion, because the thermal expansion of the different layers causes a thermodynamic effect that shears the layers with different intensities. The length must be chosen such that no heat build-up occurs which enhances the shear loading action, which can reduce the heating again. Note that the heat penetration depth (scaled by the thickness of the insulation layer) into the insulation layer must be kept less than 1, otherwise The shear action becomes too strong as shown in the graph of FIG. 4 of the drawings. In this figure, the penetration depth of heat into the heat insulating layer and the temperature at the hole wall of the heat insulating layer after heating are indicated by time tp and pulse pause tpause. This is possible according to the method of the invention by selecting the pulse pause tpause as a multiple of the pulse time tp, where the temperature T is the temperature scaled according to the relationship T=Ta+(Tm-Ta)Ts Calculated from Ts. Ta represents the ambient temperature, whereas Tm represents the melting temperature. Referring to the graph of FIG. 4, it can be read how the scaled temperature Ts drops during the pulse pause tpause. To achieve cooling from the melt temperature Ts=1 to the tenth part of the melt temperature Tm - the constant curve of FIG. 4 - the pulse pause tpause must be 40 times the pulse time tp.

本発明の方法によれば、固化した溶融物の穴壁への堆積(リキャスト)が回避される。定義された穴直径を実現できるのは、穴壁で固化した溶融物の不規則な堆積物によって穴の幾何学形状が変化しない場合に限られ、こうした堆積物は、穿孔の進捗や穴の幾何学形状にも非体系的に影響することになる。さらに、固化した溶融物に亀裂や応力が発生する可能性があり、コンポーネントの作動時に損傷につながりかねない。タービンブレードや燃料フィルタなどの高い負荷を受けるコンポーネントでは、固化した溶融物からなる堆積物の回避がその耐用寿命を伸ばす。 The method of the invention avoids depositing (recasting) of the solidified melt on the hole walls. A defined hole diameter can only be achieved if irregular deposits of solidified melt on the hole wall do not change the hole geometry, and these deposits influence the drilling progress and the hole geometry. It will also unsystematically affect academic forms. Furthermore, cracks and stresses can develop in the solidified melt, which can lead to damage during operation of the component. For highly loaded components such as turbine blades and fuel filters, avoiding deposits of solidified melt increases their service life.

穴出口での固化した溶融物によるばり形成が回避される。本方法により、穴の漸近形状に到達した後に、縁領域の穴直径よりも小さい穴直径を有する貫通穿孔がオーバーラップ領域で生成されるからである。たとえば穿孔の開始時にオーバーラップ領域で穴出口に生じるばりが、穿孔をする本方法によって縁領域でさらに除去され、時間的に互いに密接に引き続いて両方の領域が除去されるので、短い穿孔時間が実現される。ばり形成の回避は後加工を節減させるとともに、たとえばタービンコンポーネントや燃料フィルタの生産時間を短縮し、冷却の効率を向上させる。普通ならば穴出口でのばり形成が、冷却流体の流動抵抗及びこれに伴って冷却の効率を低下させるからである。 Burr formation by solidified melt at the hole exit is avoided. This is because with the method, after reaching the asymptotic shape of the hole, a through-drilling hole with a smaller hole diameter than the hole diameter in the edge region is produced in the overlap region. Short drilling times, since the burrs that occur at the hole exit, e.g. Realized. Avoiding flash formation saves post-processing, reduces production time for turbine components and fuel filters, for example, and improves cooling efficiency. This is because flash formation at the hole exit would otherwise reduce the flow resistance of the cooling fluid and thus the cooling efficiency.

溶融物の排出は、入射するレーザ放射と反対向きの方向に、穴底面でのコンポーネントの材料の蒸発に基づく圧力勾配によって実現することができ、このことは小さい穴直径については、駆動される外部のガスジェットに基づく圧力勾配よりも穿孔の開始段階ではるかに効率的である。先行技術では、溶融物を排出するために外部のガスジェットが必要である。本発明の方法による経験は、蒸発に基づく圧力勾配によるオーバーラップ領域での溶融物排出が十分なものであり、外部のガスジェットは必要ないことを示している。オーバーラップ領域に由来する溶融物の大部分の割合が、入射するレーザ放射と反対向きに穴から外へ流出することは、穴壁でのリキャストを低減する。ステント、燃料フィルタ、タービンブレードの製造では、穿孔中に材料残留物(リキャスト)が穴の中に堆積したとき、クリーニングとも呼ばれる後加工が普通ならば必要になる。 Ejection of the melt can be achieved in the direction opposite to the incident laser radiation by means of a pressure gradient based on evaporation of the material of the component at the bottom of the hole, which for small hole diameters is driven externally. is much more efficient in the initiation phase of drilling than the gas jet-based pressure gradient of . The prior art requires an external gas jet to eject the melt. Experience with the method of the present invention has shown that melt evacuation in the overlap region by evaporation-based pressure gradients is sufficient and no external gas jet is required. A large fraction of the melt originating from the overlap region flows out of the hole in a direction opposite to the incident laser radiation, reducing recast on the hole wall. In the manufacture of stents, fuel filters and turbine blades post-processing, also called cleaning, is normally required when material residues (recast) are deposited in the holes during drilling.

穴の出口縁で非常に小さい曲率半径を実現することができる。このような小さい曲率半径は、すなわち理想的には90度又は直角のエッジに相当する鋭利なエッジは、入口エッジの近傍で穴壁へのレーザ放射の吸収が増大することによって実現され、それは、穴(H)の縁領域(R)におけるポインティングベクトル(<S>)が、達成されるべき穴(H)の穴壁(H)の方を向く、穴深さに伴って変化する方向成分を有することによる。 A very small radius of curvature can be achieved at the exit edge of the hole. Such small radii of curvature, i.e. sharp edges which ideally correspond to 90 degree or right-angled edges, are achieved by increased absorption of the laser radiation in the hole wall in the vicinity of the entrance edge, which is A directional component that varies with hole depth such that the Poynting vector (<S>) in the edge region (R) of the hole (H) points towards the hole wall (H w ) of the hole (H) to be achieved by having

穴が生成されている間には、発生する溶融物が入口エッジから剥離するのがよく(すなわちばりが生じないのがよく)、たとえばノズル穴としての穴の使用中には、たとえば出口エッジから燃料が剥離するのがよい。すなわち、穴開口部で(すなわち穴が生成される入口エッジでも、穴底面が最初に開くコンポーネントの下面でも)液体流が剥離することは、出口エッジの湾曲によって決定される。噴射ノズルにおいて出口エッジの湾曲は、燃焼室での燃料の剥離と完全燃焼にとって決定的である。穴の中への周囲ガスの引込みや、タービンブレードにある冷却穴の出口からの冷却ガス流の剥離も望ましくない流れの特性であり、その発生は出口エッジの幾何学形状に依存し、これは好ましくは直角であるか、少なくとも近似的に直角であるのがよい。 The melt that is generated should delaminate (i.e., no flash) from the entry edge while the hole is being produced, and during use of the hole as a nozzle hole, for example, from the exit edge. It is good for the fuel to separate. That is, the separation of the liquid flow at the hole opening (i.e. either at the entry edge where the hole is created or at the underside of the component where the hole bottom opens first) is determined by the curvature of the exit edge. The curvature of the exit edge at the injection nozzle is decisive for fuel separation and complete combustion in the combustion chamber. The entrainment of ambient gas into the holes and separation of the cooling gas flow from the exit of the cooling holes in the turbine blade are also undesirable flow characteristics, the occurrence of which depends on the geometry of the exit edge, which is It is preferably right angled or at least approximately right angled.

金属性の材料からなるコンポーネントを、及び積層された金属性と誘電性の材料からなるコンポーネントを穿孔する本発明の装置は、レーザ放射をコンポーネントに向ける少なくとも1つのビームユニットを含むレーザ加工装置を有し、及び、レーザ放射により上面で照射されるコンポーネントの領域として定義されるスポット面が、作成されるべき穴の内側円周に相当する位置である内側の円周区域に沿って移動するように放射ユニットを制御する、さらにはスポット面の一部が穴の内側円周区域の内部でどの時点でもオーバーラップ領域を生成するように制御する、制御ユニットを有する。 The apparatus of the present invention for drilling components made of metallic material and components made of laminated metallic and dielectric materials comprises a laser processing apparatus comprising at least one beam unit for directing laser radiation onto the component. and so that the spot plane, defined as the area of the component illuminated on the upper surface by the laser radiation, moves along the inner circumference area, the position corresponding to the inner circumference of the hole to be made. It has a control unit for controlling the radiation unit and for controlling a portion of the spot plane to produce an overlapping area at any one time within the inner circumferential area of the hole.

このようなレーザ加工装置によって非常に良好な穴の形状精度が実現され、穴を形成するために必要な時間が従来の方法に比べて短縮される。 Such a laser machining apparatus achieves very good hole shape accuracy and reduces the time required to form a hole compared to conventional methods.

この装置は、作成されるべき穴の断面よりも小さい、コンポーネントに当たるレーザ放射のスポット面の照射面又は断面を利用する。 This device utilizes an illuminated area or cross-section of the spot area of the laser radiation impinging on the component that is smaller than the cross-section of the hole to be made.

スポット面の直径である点直径が、作成されるべき穴の直径の長さの半分よりも大きく、かつ穴の直径の長さよりも小さくなるように、レーザ加工装置がレーザ放射を放出するのも好ましい。それにより、貫通穿孔のために必要でありオーバーラップ領域の迅速な貫通穿孔のためには望ましいレーザ光の高すぎるエネルギー束密度が、開口部の縁部で、すなわち縁領域で低減されるという利点があり、エネルギー束密度の低減はパルスあたりのいっそう小さい除去容積につながり、そのようにして穴の形状精度を改善する。 The laser processing device also emits laser radiation such that the point diameter, which is the diameter of the spot surface, is greater than half the length of the diameter of the hole to be made and less than the length of the diameter of the hole. preferable. This has the advantage that the too high energy flux density of the laser light, which is necessary for through-drilling and which is desirable for rapid through-drilling of the overlap region, is reduced at the edge of the opening, i.e. in the edge region. and a reduction in the energy flux density leads to a smaller ablated volume per pulse, thus improving hole shape accuracy.

制御ユニットは、ビーム軸に対して径方向で見たとき、レーザ放射がコンポーネントの開口部の領域をオーバーラップ領域から外方に向かって拡張するように、レーザビームユニットを制御する。 The control unit controls the laser beam unit such that the laser radiation extends outwardly from the overlapping area to the area of the opening of the component when viewed radially with respect to the beam axis.

穴底面が開いた後の溶融物の排出を改善するために、コンポーネントの上面に、及びコンポーネントに形成されている穴の中に、流体を供給する補助流体供給ユニットが意図される。 Auxiliary fluid supply units are provided for supplying fluid to the top surface of the component and into the holes formed in the component to improve melt evacuation after the bottom of the hole has been opened.

レーザ加工装置は、ビーム軸に関してレーザ放射を径方向に発振させるレーザ発振ユニットと、レーザ放射の反射によってスポット面の位置を変化させ、それと同時にレーザ発振ユニットにより発振されるレーザ放射の光路を変化させるガルバノスキャナユニットとを利用することができる。 A laser processing apparatus includes a laser oscillation unit that oscillates laser radiation in a radial direction with respect to a beam axis, and changes the position of a spot surface by reflecting the laser radiation, and at the same time changes the optical path of the laser radiation oscillated by the laser oscillation unit. A galvanometer scanner unit can be used.

本発明のその他の詳細と構成要件は、図面を参照した実施例についての以下の説明から明らかになる。 Further details and features of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings.

図1は、本発明による方法を適用したコンポーネントの穴の生成を、それぞれ穴軸を含む平面において、時間的な順序で示す模式的な断面図において、穴底面が貫通穿孔される時点の前の穴壁及び穴底面の幾何学形状を示す。FIG. 1 shows the production of a hole in a component to which the method according to the invention has been applied, in a schematic sectional view in chronological order, in a plane containing the hole axis respectively, before the point at which the hole base is through-drilled. The geometry of the hole wall and hole bottom are shown. 図2は、本発明による方法を適用したコンポーネントの穴の生成を、それぞれ穴軸を含む平面において、時間的な順序で示す模式的な断面図において、貫通穿孔された時点での穴壁の幾何学形状を示す。FIG. 2 shows, in a schematic cross section, the generation of a hole in a component with the application of the method according to the invention, in a plane containing the hole axis, in chronological sequence, in the geometry of the hole wall at the time of through-drilling. showing the academic shape. 図3は、本発明による方法を適用したコンポーネントの穴の生成を、それぞれ穴軸を含む平面において、時間的な順序で示す模式的な断面図において、穴壁がその事前定義された達成されるべき幾何学形状になったときの穴壁の幾何学形状を示す。FIG. 3 shows, in a schematic cross-section, the generation of a hole in a component applying the method according to the invention, in a plane containing the hole axis respectively, in chronological sequence, in which the hole walls are achieved according to their predefined Figure 3 shows the geometry of the hole wall when it comes to the power-law geometry. 図4は、そばを通過する溶融物による加熱後の断熱層の穴壁における、時間tp及びパルス休止tpauseでの温度を表すグラフを示す。FIG. 4 shows a graph representing the temperature at time tp and pulse pause tpause in the hole wall of the thermal insulation layer after heating by the melt passing by. 図5は、作成されるべき穴の幾何学状況を穴軸に対して垂直な断面で示す。FIG. 5 shows the geometry of the hole to be made in a section perpendicular to the hole axis. 図6Aは、縁領域とオーバーラップ領域の放射割合を重ね合わせることによって穴を作成する穿孔プロセスの図5に対応する断面図の時間的なシーケンスを示す図である。FIG. 6A shows a temporal sequence of cross-sectional views corresponding to FIG. 5 of the drilling process for creating a hole by overlapping the emissive proportions of the edge region and overlap region. 図6Bは、縁領域とオーバーラップ領域の放射割合を重ね合わせることによって穴を作成する穿孔プロセスの図5に対応する断面図の時間的なシーケンスを示す図である。FIG. 6B shows a temporal sequence of cross-sectional views corresponding to FIG. 5 of the drilling process for creating a hole by overlapping the emissive proportions of the edge region and overlap region. 図6Cは、縁領域とオーバーラップ領域の放射割合を重ね合わせることによって穴を作成する穿孔プロセスの図5に対応する断面図の時間的なシーケンスを示す図である。FIG. 6C shows a temporal sequence of cross-sectional views corresponding to FIG. 5 of the drilling process for creating a hole by overlapping the emissive proportions of the edge region and overlap region. 図6Dは、縁領域とオーバーラップ領域の放射割合を重ね合わせることによって穴を作成する穿孔プロセスの図5に対応する断面図の時間的なシーケンスを示す図である。FIG. 6D shows a temporal sequence of cross-sectional views corresponding to FIG. 5 of the drilling process for creating a hole by overlapping the emissive proportions of the edge region and overlap region. 図6Eは、縁領域とオーバーラップ領域の放射割合を重ね合わせることによって穴を作成する穿孔プロセスの図5に対応する断面図の時間的なシーケンスを示す図である。FIG. 6E shows a temporal sequence of cross-sectional views corresponding to FIG. 5 of the drilling process of creating a hole by overlapping the emissive proportions of the edge region and overlap region. 図7は、コンポーネントの貫通穿孔の進捗を図像(1)~(4)のシーケンスで示す。FIG. 7 shows the progression of the through-drilling of the component in a sequence of icons (1) to (4). 図8は、穴を生成するために先行技術に基づいて適用されているトレパニング加工を図像(1)~(4)のシーケンスで示す。FIG. 8 shows the trepanning process applied according to the prior art to produce holes in a sequence of images (1) to (4). 図9は、本発明による方法を実施可能である第1の実施形態に基づく装置の模式的な構造を示す。FIG. 9 shows a schematic structure of a device according to a first embodiment with which the method according to the invention can be implemented. 図10は、追加の補助ガス供給ユニットを備えた図9の構造を示す。FIG. 10 shows the structure of FIG. 9 with an additional auxiliary gas supply unit. 図11は、図9及び図10の装置で適用可能であり、穿孔をする装置に割り当てられた補助ガス供給源を備える、穿孔をする装置の模式図を部分的に切断された図面で示す。FIG. 11 shows a schematic diagram of a drilling device applicable in the devices of FIGS. 9 and 10 and with an auxiliary gas supply assigned to the drilling device, in a partially cut-away drawing.

次に図5及び図6A~図6Eを参照しながら、金属性の材料からなるコンポーネントを、及び積層された金属性と誘電性の材料からなるコンポーネントを、シングルパルス/パーカッションドリリングによって、及びパルス化レーザ放射又は連続レーザ放射を用いるトレパニングドリリングによって穿孔する本発明の方法について説明する。 Referring now to FIGS. 5 and 6A-6E, components made of metallic materials and components made of laminated metallic and dielectric materials are subjected to single pulse/percussion drilling and pulsed. The method of the present invention for drilling by trepanning drilling with laser radiation or continuous laser radiation will be described.

幾何学状況を説明するために、まず図1~図3を援用する。 In order to explain the geometrical situation, firstly FIGS. 1 to 3 are referred to.

図1は、穴底面Hが貫通穿孔される時点の前における、上面2に対して垂直に厚みdを有するコンポーネント1の断面図を示している。コンポーネント1は金属性の材料からなり、又は積層された金属性と誘電性の材料からなる。このコンポーネント1では、横断面の平面に延びる穴軸Hを有する穴Hがすでに形成されており、その穴壁がHで示されている。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of a component 1 having a thickness d perpendicular to the top surface 2 before the moment when the hole base Hb is drilled through. The component 1 consists of a metallic material or of laminated metallic and dielectric materials. In this component 1, a hole H is already formed with a hole axis Ha extending in the plane of the cross-section, the hole wall being designated Hw .

穿孔速度がvで示されており、穴軸Hの方向への穴底面Hの運動を表す。中央領域又はオーバーラップ領域Oの外部に位置し、穿孔時にレーザ放射LSの比較的低いエネルギー束密度で照射される領域として定義される縁領域がRで表されている。 The drilling speed is denoted by v p and represents the motion of the hole bottom surface H b in the direction of the hole axis H a . Denoted by R is the edge region, which lies outside the central or overlap region O and is defined as the region irradiated with a relatively low energy flux density of the laser radiation LS during drilling.

レーザ放射のビーム方向を有するビーム軸Bは、方向Rを有する軌道曲線Cの上で移動し、図3に略示されている穿孔結果が達成されるまで、この軌道曲線Cを反復して通過する。軌道曲線Cは、ビーム軸B(beam axis)に対して垂直な平面に位置する。 The beam axis B A with the beam direction of the laser radiation moves over a trajectory curve C with direction R C and repeats this trajectory curve C until the drilling result schematically shown in FIG. 3 is achieved. pass through. The trajectory curve C lies in a plane perpendicular to the beam axis B A (beam axis).

図1の穴Hはコンポーネント1の下面3をまだ貫通しておらず、円錐形の断面形状を示している。このことは、オーバーラップ領域O(overlap area)の直径Dが割り当てられた穴底面Hによって、穴Hが依然として区切られていることを意味する。オーバーラップ領域Oは、図1~図3に破線で示されている。したがってこの穿孔段階まで、溶融物は使用されるレーザ放射LSのビーム軸Bのビーム方向に対して反対向きに穴底面Hから出るように加速され、穴壁Hに沿ってコンポーネント1の上面2で穴Hから排出される。加速作用は、穴底面Hでの材料の蒸発と、その際に材料の溶融物に作用する蒸発圧力又はアブレーション圧力とによって引き起こされる。 The hole H in FIG. 1 has not yet penetrated the underside 3 of the component 1 and exhibits a conical cross-sectional shape. This means that the hole H is still bounded by the hole base Hb to which the diameter D O of the overlap area O is assigned. The overlap region O is indicated by dashed lines in FIGS. 1-3. Up to this drilling step, the melt is thus accelerated out of the hole base Hb counter to the beam direction of the beam axis B A of the laser radiation LS used and along the hole wall Hw of the component 1. It is discharged from the hole H on the upper surface 2 . The acceleration effect is caused by the evaporation of material at the bottom of the hole Hb and the evaporation or ablation pressure acting on the melt of the material in the process.

図2は、コンポーネント1が下面3で貫通穿孔された時点における、オーバーラップ領域Oの断面形状及び穴Hの穴壁Hの幾何学形状を破線で示している。コンポーネント1が貫通穿孔される時点は、オーバーラップ領域Oの全幅Dが材料の下面3に到達し、溶融物排出の向きが変わることよって定義され、このことは、主としてコンポーネント1の下面2でも溶融物を排出できるようになったことを意味する。 FIG. 2 shows in dashed lines the cross-sectional shape of the overlapping area O and the geometry of the hole wall Hw of the hole H when the component 1 is drilled through on the underside 3 . The point at which the component 1 is pierced through is defined by the total width D O of the overlap region O reaching the bottom surface 3 of the material and the direction of the melt discharge changing, which is also primarily the bottom surface 2 of the component 1. Means that the melt can now be discharged.

図3は、図2に示されるような穴Hの形状から開始して穴壁Hがその事前定義された幾何学形状に達したときの、穴Hの穴壁Hの幾何学形状を示しており、この幾何学形状は、コンポーネント1の上面2における半径rB,topと、コンポーネント1の下面3における半径rB,botとによって事前定義される。円錐形の穴についてはrB,top=rB,botであり、穴の直径Dは穴深さに関して一定である。 FIG. 3 shows the geometry of the hole wall H w of the hole H when starting from the shape of the hole H as shown in FIG. 2 the hole wall H w reaches its predefined geometry. The geometry is predefined by a radius r B,top at the top surface 2 of the component 1 and a radius r B,bot at the bottom surface 3 of the component 1 . For a conical hole r B,top =r B,bot and the hole diameter D H is constant with hole depth.

図3には、オーバーラップ領域の穴直径Dが、縁領域Rの外側の縁部すなわち穴壁H(破線)にも追加的に達する作成されるべき穴全体の穴直径Dよりも小さいことが示されている。 FIG. 3 shows that the hole diameter D O in the overlap region is larger than the hole diameter D H for the entire hole to be made, which additionally reaches the outer edge of the edge region R, ie the hole wall H w (dashed line). shown to be small.

レーザ放射LSによってコンポーネント1に穴を製作するために、本発明によれば、シングルパルス/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両方が時間的に見て同時に実行され、すなわち、これら両方の方法が、パルス化レーザ放射LSの場合にはオーバーラップ領域でのオーバーラップによって重ね合わされ、又は連続レーザ放射若しくは非パルス化レーザ放射では、エネルギー束密度の高い内側の中央領域若しくはオーバーラップ領域Oとエネルギー束密度が低い外側領域若しくは縁領域との調整によって重ね合わされる。 In order to produce a hole in the component 1 by means of laser radiation LS, according to the invention both single-pulse/percussion drilling and trepanning drilling are performed simultaneously in time, i.e. both methods In the case of pulsed laser radiation LS they are superimposed by an overlap in the overlap region, or in the case of continuous or non-pulsed laser radiation an inner central region or overlap region O with a high energy flux density and an overlap region O with a low energy flux density. It is superimposed by coordinating with a low outer area or edge area.

比較的高いエネルギー束密度とは最大値を上回らないことを意味し、これを超過すると、除去された材料に由来する金属蒸気の中でレーザ放射LSの強い吸収が起こり、低下していくエネルギー束密度に伴って穿孔時間が劇的に飛躍的に長くなる。比較的低いエネルギー束密度とは最小値又は閾値を下回らないことを意味し、これを下回ると除去が行われなくなり、又はアブレーション停止が生じる。 A relatively high energy flux density means that a maximum value is not exceeded, beyond which strong absorption of the laser radiation LS occurs in the metal vapor originating from the removed material, resulting in a decreasing energy flux. Drilling time increases dramatically with density. A relatively low energy flux density means that a minimum or threshold value is not exceeded, below which no ablation occurs or ablation arrest occurs.

次に、連続レーザ放射又は非パルス化レーザ放射で行われる、適用されるレーザ放射LSのビームガイドについて図5及び図6A~図6Eを参照して説明する。 The beam guiding of the applied laser radiation LS, which is carried out with continuous laser radiation or non-pulsed laser radiation, will now be described with reference to FIGS. 5 and 6A-6E.

図6A~図6Eは、縁領域Rとオーバーラップ領域Oの放射割合を重ね合わせることによって穴を作成するための、図5に対応する穿孔プロセスの穴軸Hに対して垂直の断面図(スナップ図像)の時間的なシーケンスを示している。ビーム軸Bは閉じた軌道曲線Cを通過し、連続する2つのパルスの間の時間(パルス休止)と軌道速度vを変えることで、縁領域におけるエネルギー束密度の時間的な平均値が変更される。 6A-6E are cross-sectional views perpendicular to the hole axis H a of the drilling process corresponding to FIG. Snap iconography) shows the temporal sequence. The beam axis BA passes through a closed trajectory curve C , and by varying the time between two consecutive pulses (pulse pause) and the trajectory velocity vc , the temporal average value of the energy flux density in the edge region is Be changed.

連続レーザ放射又は非パルス化レーザ放射で行われるビームフォーミングは、レーザビーム軸Bが移動せず、中央領域O(パルス化レーザ放射の場合には、時間的に連続する個々のパルスのオーバーラップ領域Oと呼ぶ)のレーザ放射LSが最大値よりも低い比較的高いエネルギー束密度を有し、縁領域ではアブレーション停止の閾値よりも高い比較的低いエネルギー束密度を有するように実行される。 Beamforming, which is carried out with continuous or non - pulsed laser radiation, is such that the laser beam axis BA does not move and the central region O (in the case of pulsed laser radiation, the overlap of the temporally successive individual pulses It is carried out in such a way that the laser radiation LS in the region O) has a relatively high energy flux density below the maximum value and a relatively low energy flux density above the ablation stop threshold in the edge regions.

図5に断面の平面図で示されている穴Hは、図1~図3に示されているコンポーネント1の厚みd全体にわたり、穴軸Hを起点として半径D/2の直径Dを与えられるものとし、それにより、コンポーネント1を通る円筒形の穴壁Hがもたらされる。 The hole H , shown in cross-sectional plan view in FIG. 5, extends through the thickness d of the component 1 shown in FIGS . , which results in a cylindrical hole wall H W through the component 1 .

図5では、直径Dが割り当てられる中央領域O(以下においてはオーバーラップ領域Oとも呼ぶ)がハッチングで示されている。縁領域Rは径方向で中央領域Oに後続して、穴壁Hまで延びている。 In FIG. 5, the central area O (also referred to below as the overlapping area O ), to which the diameter DO is assigned, is hatched. The edge region R extends radially following the central region O as far as the hole wall Hw .

この縁領域Rの面積Fについては次式:F=F-F=π・D/2-π・D/2が成り立ち、ここでFは穴Hの断面積を表し、Fは中央/オーバーラップ領域Oの面積を表す。 For the area F R of this edge region R, the following formula holds: F R =F H −F O =π·D H /2−π·D O /2, where F H represents the cross-sectional area of the hole H. , F O represents the area of the central/overlap region O.

図5を参照すると、同じく図1~図3を参照してもわかるとおり、図1に示されている穴Hの穿孔の開始時にはオーバーラップ領域Oで大きな穿孔進捗が実現され、縁領域Rでは比較的小さい穿孔進捗が生じる。 With reference to FIG. 5 and also with reference to FIGS. 1 to 3, at the start of drilling the hole H shown in FIG. A relatively small drilling progress occurs.

そして図5及び図6A~図6Eが示すように、コンポーネントの上面(図1~図3も参照)がレーザ放射LSで照射され、そのビーム軸はBで示されており、ビーム軸Bに対して垂直に見たときにビーム直径Dを有している。コンポーネントの上面の照射される面積はレーザ放射LSの断面積Sであり、スポット面Sとも呼ばれる。 5 and 6A-6E, the upper surface of the component (see also FIGS. 1-3) is illuminated with laser radiation LS, the beam axis of which is denoted B A and the beam axis B A It has a beam diameter D S when viewed perpendicular to . The illuminated area of the upper surface of the component is the cross-sectional area S of the laser radiation LS, also called spot surface S.

そしてスポット面Sでコンポーネントに当たるレーザ放射LSは、本発明によると、そのビーム軸Bが軌道曲線Cの上で、図示した例では円軌道Cの上で、穴軸Hを中心として案内されるように案内され、このことは図6Aが明示している。円軌道C(輪郭C)に沿ったビーム軸案内の方向Rは、図6A~図6Eに示す例では反時計回りに行われるが、このことが絶対に必要なわけではない。このようなビームガイドを時計回りに行うこともできる。 The laser radiation LS impinging on the component in the spot plane S is then, according to the invention, guided with its beam axis BA on a trajectory curve C , in the example shown on a circular trajectory C, about the hole axis Ha. and this is clearly shown in FIG. 6A. The direction R C of beam axis guidance along the circular trajectory C (contour C) takes place counterclockwise in the examples shown in FIGS. 6A-6E, but this is not absolutely necessary. Such beam guiding can also be done clockwise.

ビーム直径Dについては次式が成り立つ。
=D+D及びD=D/2+D/2
=レーザ放射のビーム直径
=中央領域Oの直径
=穴Hの直径
=軌道曲線Cとも呼ぶ円軌道Cの直径
The following equation holds for the beam diameter D S .
D S =D C +D O and D S =D H /2+D O /2
D S = beam diameter of the laser radiation D O = diameter of the central region O D H = diameter of the hole H D C = diameter of the circular trajectory C, also called trajectory curve C

そして図6Aは、図5と比較したとき、レーザ放射LSの2つのパルス後におけるコンポーネントの照明又は照射を示し、それに対して図6Bはレーザ放射LSの3つのパルス後におけるコンポーネントの照明又は照射を示し、図6Cはレーザ放射の4つのパルス後におけるコンポーネントの照射を示し、図6Dは完全な1周期後の放射のパルスを示す。それぞれ最後のパルスのスポット領域Sの縁部が太い線で図示されている。 6A then shows the illumination or illumination of the component after two pulses of laser radiation LS, compared to FIG. 5, whereas FIG. 6B shows the illumination or illumination of the component after three pulses of laser radiation LS. 6C shows the irradiation of the component after four pulses of laser radiation and FIG. 6D shows the pulse of radiation after one complete cycle. The edge of the spot area S of each last pulse is illustrated with a thick line.

図6A~図6Eのシーケンスから明らかなように、中央領域Oは、断面積又はスポット領域がSで表されるレーザ放射の各々のパルスで照射され、したがってオーバーラップ領域Oとも呼ばれ、それに対して縁領域Rは、オーバーラップ領域Oの外部に位置し、輪郭Cに沿ってのレーザビーム軸Bの移動に基づいて各々のパルスで照射されるのではない領域として定義される。 As is evident from the sequence of FIGS. 6A-6E, the central region O is irradiated with each pulse of laser radiation whose cross-sectional area or spot area is denoted by S and is therefore also called the overlapping region O, whereas Edge region R is defined as the region that lies outside overlap region O and is not irradiated with each pulse based on movement of laser beam axis BA along contour C. FIG.

図7の図像(1)~(4)は、穴底面Hで穴(穿孔)がどのように開かれるかの例を示す概略図である。レーザ放射LSが照射されることで、コンポーネント1の開口部H(穿孔)が、穴軸Hの場所を起点として、広がっていく黒い面によってわかるように径方向外方に向かって段階的に拡大されていく。黒で示している円形面の縁部は、コンポーネント1の穴Hのそれぞれの穴壁Hを表している。 Figures (1) to (4) in FIG. 7 are schematic diagrams showing examples of how holes (perforations) are drilled in the hole base Hb . Irradiation with laser radiation LS causes the opening H (perforation) of the component 1 to step radially outward, as seen by the widening black surface, starting from the location of the hole axis Ha . expanding. The edges of the circular surfaces shown in black represent the respective hole walls HW of the holes H of the component 1 .

その結果、達成されるべき穴Hの漸近的な形状に到達し、エネルギー束密度のさらなる照射によってそれ以上の除去が行われなくなるまで、コンポーネント1の下面にある穴Hの直径D=2・rB,botが広がっていく。 As a result, the diameter D H of the hole H in the underside of the component 1 =2·H until the asymptotic shape of the hole H to be achieved is reached and further irradiation of the energy flux density causes no further ablation. r B, bot spreads.

図7-(1)が示すように、レーザ光LSでの照射の開始時には穴Hの開口が達成されておらず、又は貫通穿孔が達成されていない。それが意味するのは、開口を達成するために、適用されるレーザビームユニットがレーザ放射LSによる照射を続行し、その間に、図6A~6Eを参照して前に説明したように、方向Rに沿ってスポット面Sを複数回移動させることである。 As shown in FIG. 7-(1), opening of the hole H has not been achieved or through perforation has not been achieved at the start of the irradiation with the laser beam LS. That means that in order to achieve the aperture, the applied laser beam unit continues to irradiate with laser radiation LS, meanwhile the direction R It is to move the spot plane S along C multiple times.

レーザビームユニットは、スポット面Sを移動させている間に、オーバーラップ領域Oをレーザ放射LSで常時照射する。したがって、オーバーラップ領域Oでの時間的に平均したレーザ放射LSのエネルギー束密度は、縁領域Rにおけるよりも高い。 The laser beam unit constantly irradiates the overlap area O with the laser radiation LS while moving the spot surface S. Therefore, the time-averaged energy flux density of the laser radiation LS in the overlap region O is higher than in the edge region R.

したがって、図7-(2)が示すように、穴底面の開口部又は穴Hは、まずオーバーラップ領域Oで開く。さらなる照射に伴って開口部が広がっていき(図7-(3))、最終的に開口部Hがその全直径をとる(図7-(4))。 Therefore, as shown in FIG. 7-(2), the opening or hole H in the bottom of the hole is first opened in the overlap region O. Then, as shown in FIG. With further irradiation, the aperture widens (FIG. 7-(3)), and finally the aperture H assumes its full diameter (FIG. 7-(4)).

付言しておくと、レーザ光LSが放出されるタイムスパンは、穴軸Hからオーバーラップ領域Oの縁部を介して径方向外方に向かって傾向的に短くなっていく。それに応じて、開口部の直径が事前定義された穴壁Hまで達して事前定義された穴Hが生成されるまで、形成される開口部が径方向でオーバーラップ領域Oから外方に向かって拡張されていく(これに関しては図6Eも参照)。 In addition, the time span in which the laser beam LS is emitted tends to become shorter radially outward from the hole axis Ha via the edge of the overlap region O. As shown in FIG. Correspondingly, the formed opening extends radially outward from the overlap region O until the diameter of the opening reaches the predefined hole wall Hw to produce the predefined hole H. (See also FIG. 6E for this).

図7も図像シーケンス(1)~(4)を通して、シングルパルス/パーカッションドリリングとトレパニングドリリングが同時に実行されることを明示している。それと同時に、中央領域Oがレーザ放射LSの各々のパルスで完全に照射されるようにレーザビームが案内されることが意味されており、ビーム軸Bは前のパルスのビーム軸Bに対してオフセットされており、そのようにして、縁領域の一部だけが1つのパルスの間に照射される。 FIG. 7 also demonstrates through the iconographic sequences (1)-(4) that single pulse/percussion drilling and trepanning drilling are performed simultaneously. At the same time, it is meant that the laser beam is guided in such a way that the central area O is completely illuminated with each pulse of laser radiation LS, the beam axis B A relative to the beam axis B A of the previous pulse. , so that only part of the edge region is illuminated during one pulse.

レーザビームLSのビーム直径Dは、達成されるべき穴の直径Dの半分よりも小さく調整されないのがよい(D>D/2)(図5を参照)。このような方策により、比較的高いエネルギー束密度で照射され、cw放射については全穿孔時間の間放射で照射される、又はパルス化された放射については各々のパルスで照射される、中央領域Oが形成されることが保証される。 The beam diameter D S of the laser beam LS should not be adjusted less than half the hole diameter D H to be achieved (D S >D H /2) (see FIG. 5). Such a strategy ensures that the central region O is irradiated with a relatively high energy flux density and is irradiated with radiation for the entire drilling time for cw radiation or with each pulse for pulsed radiation. is guaranteed to be formed.

また、中央領域O全体が全穿孔時間の間時間的に欠けた隙間なく放射で負荷されることを実現するために、軌道曲線Cの直径Dはビーム直径Dより大きく調整されないのがよく、したがってD<Dが成り立つ(図5を参照)。このような方策によっても、中央領域Oが形成されることが保証される。 Also, the diameter D C of the trajectory curve C should not be adjusted larger than the beam diameter D S in order to ensure that the entire central region O is loaded with radiation without gaps in time during the entire drilling time. , thus D S <D C (see FIG. 5). Such measures also ensure that the central region O is formed.

上に説明した図面を用いて記述されている方法では、レーザ放射の多重反射が穴形状を変化させないように留意しなければならない。本発明によると最終の漸近的な穴形状は、レーザ放射のエネルギー束密度の空間分布とビーム軸の移動とによって一義的に規定され、多重の反射、及びそれによって反復される照射は、望ましくない。このような多重の反射は、たとえばスポット直径D及び軌道直径Dが、10よりも小さいアスペクト比A=d/(2 rB,top)が遵守される程度の大きさに調整されることによって回避される。穴直径が小さく、穴深さが大きいときに多重の反射が発生し、このことは、アスペクト比が典型的には10よりも大きいことを意味する。 In the method described with the aid of the figures described above, care must be taken that multiple reflections of the laser radiation do not change the hole shape. According to the present invention, the final asymptotic hole shape is uniquely defined by the spatial distribution of the energy flux density of the laser radiation and the movement of the beam axis, and multiple reflections and thus repeated irradiations are undesirable. . Such multiple reflections are such that for example the spot diameter D S and the trajectory diameter D C are sized such that an aspect ratio A=d/(2 r B,top ) of less than 10 is observed. avoided by Multiple reflections occur when the hole diameter is small and the hole depth is large, which means that the aspect ratio is typically greater than ten.

本発明による方法を実施するために、放射LSのビーム軸Bの移動を穿孔中にスキャナを用いて実行することができ、ビーム軸Bの移動は、周期的に少なくとも1回だけ通過されるべき、直径Dを有する閉じた軌道曲線Cに沿って行われる。 In order to carry out the method according to the invention, the movement of the beam axis B A of the radiation LS can be carried out with the scanner during drilling, the movement of the beam axis B A being periodically passed at least once. , along a closed trajectory curve C with diameter D C .

すでに述べたとおり、スポット面Sは、すなわちビーム軸Bに対して垂直なレーザ放射LSの断面積は、開口部の面積よりも小さく、すなわち、穴Hが段階的に開けられる面積よりも小さい。使用されるレーザ加工装置は、本発明による方法が適用されることによって、開口部の縁部でレーザ放射LSのエネルギー束密度が集中するのを防ぐことができ、穴の内側の円周区域I(図7参照)に沿ってスポット面Sを移動させれば、開口部の形状精度の低下が防止されることも帰結される。 As already mentioned, the spot surface S, i.e. the cross-sectional area of the laser radiation LS perpendicular to the beam axis B A , is smaller than the area of the aperture, i.e. the area in which the holes H are stepped. . The laser machining apparatus used can prevent concentration of the energy flux density of the laser radiation LS at the edge of the opening, by applying the method according to the invention, to the inner circumferential area I of the hole. (See FIG. 7), it is also consequential that the deterioration of the shape accuracy of the opening can be prevented by moving the spot surface S along.

図8の図像シーケンス(1)~(4)には、穴を製作するために先行技術に基づいて適用されるトレパニング加工が示されている。トレパニング加工では、生成されるべき穴輪郭の内側の円周区域Iに沿ってスポット領域SXが移動するが、時間的に見て照射のどの時点でもスポット領域に重ね合わされるオーバーラップ領域は存在しない。先行技術に基づいてこのようなトレパニング加工を行うレーザ加工装置は、まず、スポット領域SX1(図像(1)参照)によって示されているレーザ光を放出し、それにより、たとえば生成されるべき穿孔の中心に穴が開けられる。このことは、そのような穴が溶融した材料の排出のために生成されて、コンポーネントの厚み全体を通って延びることを意味する。次いで、レーザ光の照射位置が径方向でスポット位置SX2へと移動する(図像(2)参照)。これに続いて、レーザ光の照射位置が内側の円周区域Iに沿って移動し、それによりスポット領域が位置SX3へと変更される(図像(3)参照)。そして、スポット領域のこのような運動が図像(4)に準じて反復される。 The pictorial sequence (1)-(4) of FIG. 8 shows a trepanning process applied according to the prior art for producing holes. In the trepanning process, the spot area SX is moved along the inner circumferential area I of the hole contour to be generated, but there is no overlapping area superimposed on the spot area at any point in time of the irradiation. . A laser machining device for performing such a trepanning process according to the prior art first emits laser light, which is indicated by the spot area SX1 (see fig. A hole is made in the center. This means that such holes are created for the discharge of molten material and extend through the entire thickness of the component. Next, the irradiation position of the laser beam moves in the radial direction to the spot position SX2 (see figure (2)). Following this, the irradiation position of the laser light moves along the inner circumferential area I, thereby changing the spot area to position SX3 (see icon (3)). Such movement of the spot area is then repeated according to the icon (4).

図9は、上に説明した方法を実施することができる、本発明による第1の実施形態を模式図で示している。 FIG. 9 shows schematically a first embodiment according to the invention with which the method described above can be implemented.

本装置のさまざまな実施形態と構成についての以下の説明との関連で、レーザ放射LSの放射ガイドを取り上げるときには、符号も図1~図3及び図5~図7に関わるものを使用し、これらの符号に対応する記載や部品について図9~図11であらためて説明することはしない。さらに明文もって指摘しておくと、図面に示されているさまざまな実施例の説明において、1つの実施形態に関わるコンポーネントや方法ステップは、それが別の実施形態を参照してすでに説明又は記述されている場合には、あらためて全部を説明するわけではない。それに応じて、1つの実施形態に関わるさまざまなコンポーネントの説明を、他の実施形態のそれぞれのコンポーネントに転用することができ、そのことについて明文で言及することはしない。 In the context of the following description of various embodiments and configurations of the device, when discussing the radiation guide for the laser radiation LS, reference numerals will also be used as they relate to FIGS. The descriptions and parts corresponding to the reference numerals of , will not be described again with reference to FIGS. It should also be explicitly pointed out that in describing the various embodiments illustrated in the drawings, components and method steps associated with one embodiment may have been previously described or described with reference to another embodiment. If there is, it is not necessary to explain all of them again. Accordingly, descriptions of various components associated with one embodiment can be transferred to respective components of other embodiments without explicit reference to such.

図9の装置は、ビーム軸B及びビーム直径Dを有するレーザ放射LSを第1のガルバノスキャナユニット13の光ファイバ11及び出力デバイス12を介してそこから第2のガルバノスキャナユニット14に供給し、これがレーザ放射LSを光学系15を介してコンポーネント1へと向ける、少なくとも1つのレーザビームユニット10を有している。ビームユニット10と、第1及び第2のガルバノスキャナユニット13,14はいずれも制御ユニット16を通じて制御される。この制御は、レーザ放射LSによりコンポーネント1の上面2の面に対して照射される領域(図6A~図6Eの横断面Sを参照)として定義されるスポット面が、作成されるべき穴Hの内側円周すなわち直径Dに相当する位置である内側の円周区域に沿って移動するように行われ、かつ、スポット面Sの一部が穴Hの内側の円周区域の内部にオーバーラップ領域Oを生成するように行われる。 The apparatus of FIG. 9 supplies laser radiation LS with beam axis B A and beam diameter D S via optical fiber 11 and output device 12 of first galvanometer scanner unit 13 and from there to second galvanometer scanner unit 14 . , which has at least one laser beam unit 10 which directs laser radiation LS via optics 15 onto the component 1 . Both the beam unit 10 and the first and second galvanometer scanner units 13 , 14 are controlled through a control unit 16 . This control is such that the spot plane defined as the area (see cross-section S in FIGS. 6A-6E) illuminated by the laser radiation LS onto the surface of the top surface 2 of the component 1 is aligned with the hole H to be made. A portion of the spot surface S overlaps inside the inner circumferential area of the hole H. is performed to generate region O.

レーザ放射LSはパルス化されている。しかしながら、連続波レーザ又はcw放射を利用することもできる。これに加えてレーザ光LSは、たとえばYAGレーザ、COレーザ、又はディスクレーザなどの任意のレーザ源によって提供することができる。レーザ放射のビーム形状についても、すなわちそのビーム軸Bに対して垂直のエネルギー束密度の分布又は強度分布の分布についても、たとえばガウシアン型、トップハット型、又はスーパーガウシアン型などを適用可能である。 The laser radiation LS is pulsed. However, continuous wave lasers or cw radiation can also be used. Additionally, the laser light LS can be provided by any laser source, such as a YAG laser, a CO2 laser, or a disk laser. Also for the beam shape of the laser radiation, i.e. for the distribution of the energy flux density or the distribution of the intensity distribution perpendicular to its beam axis BA, for example a Gaussian, top - hat or super-Gaussian type is applicable. .

ガラスファイバ11は、ファイバの内部でレーザ放射LSを反射することでレーザ光LSを増幅する。ガラスファイバ11から出てくるレーザ放射LSの直径は、ガラスファイバ11の直径に依存する。したがって、コンポーネント1の加工に必要な放射直径を、ガラスファイバの交換によって容易な方式で調整することができる。しかしながら、コンポーネント1の上面2に当たるレーザ放射LSの放射直径を、たとえば相応の光学システムを介して、又はファイバレーザを利用することで行うこともできる。ファイバレーザを利用する場合、ガラスファイバ11及び制御ユニット16は不要である。 The glass fiber 11 amplifies the laser light LS by reflecting the laser radiation LS inside the fiber. The diameter of the laser radiation LS emerging from the glass fiber 11 depends on the diameter of the glass fiber 11 . The radial diameter required for processing the component 1 can thus be adjusted in a simple manner by exchanging the glass fibers. However, it is also possible to adjust the radial diameter of the laser radiation LS impinging on the upper surface 2 of the component 1, for example via a corresponding optical system or by using a fiber laser. If a fiber laser is used, the glass fiber 11 and control unit 16 are not required.

図9に示すような装置により、図5及び図6A~図6Eを参照して上に説明した方法を適用したうえで、穴直径Dが1mmよりも小さい穴Hを製作することができる。図10は、本発明による方法を実施することができる別の装置を模式的に示している。この装置は図9の装置に匹敵する。これが図9の装置と区別されるのは、補助ガス供給ユニット18が設けられていることによる。このような補助ガス供給ユニット18を介して、貫通穿孔の後にオーバーラップ領域で補助ガスの質量流が穴を貫流するように、コンポーネント1に補助ガスが供給される。この補助ガスは、レーザ放射LSによって溶融した材料を、流れていく補助ガスの方向に穴から取り出すための役目を果たす。それにより、導出された溶融物が穴壁で固化し得なくなるので、穴Hの加工精度を向上させることができる。補助ガスとして、たとえば酸素、空気、窒素ガス、アルゴンガス、あるいは混合ガスを利用することができる。補助ガスに代えて液体が、たとえば水が、相応のウォータージェットによって穴Hに供給されることも意図される。 An apparatus such as that shown in FIG. 9 allows the fabrication of holes H with a hole diameter DH smaller than 1 mm, applying the method described above with reference to FIGS. 5 and 6A-6E. FIG. 10 schematically shows another device with which the method according to the invention can be implemented. This device is comparable to that of FIG. It is distinguished from the device of FIG. 9 by the provision of an auxiliary gas supply unit 18 . Via such an auxiliary gas supply unit 18 , auxiliary gas is supplied to the component 1 such that after the through-drilling a mass flow of the auxiliary gas flows through the hole in the region of overlap. This auxiliary gas serves to remove the material melted by the laser radiation LS from the hole in the direction of the flowing auxiliary gas. As a result, the molten material drawn out cannot be solidified on the hole wall, so that the machining accuracy of the hole H can be improved. Oxygen, air, nitrogen gas, argon gas, or mixed gases, for example, can be used as auxiliary gases. It is also conceivable for a liquid, for example water, to be supplied to the bore H by means of a corresponding water jet instead of the auxiliary gas.

図10に見て取れるように、ノズル出口19とコンポーネント1の上面2との間の間隔Dは、レーザ放射LSのビーム方向で見た光学系15の出口側と、コンポーネント1の上面2との間の間隔Dより、それぞれZ方向で見て大きく調整される。このような調整は、穴を貫流する補助ガスの質量流量の最小値を調整し、穴入口のところですでにコンポーネントの上面へと流出させないための役目を果たす。ただし、たとえば図1~図3に示すようにコンポーネント1に傾斜穴又は傾いた穴が穿設されるべき場合には、間隔Dが間隔Dより広く選択される。 As can be seen in FIG. 10, the distance DG between the nozzle outlet 19 and the top surface 2 of the component 1 is between the exit side of the optics 15, seen in the beam direction of the laser radiation LS, and the top surface 2 of the component 1. are adjusted to be larger than the interval D L of , respectively, when viewed in the Z direction. Such an adjustment serves to adjust the minimum mass flow of the auxiliary gas through the hole and not to flow over the upper surface of the component already at the hole entrance. However, if the component 1 is to be drilled with oblique or oblique holes, for example as shown in FIGS. 1-3, the distance D L is chosen to be wider than the distance D G .

補助ガス供給ユニット18は、液体状の溶融物に対する排出作用を実現するために、少なくとも400kPa又はそれ以上の圧力のもとで、すなわち400kPa~1000kPaの範囲内の圧力のもとで、補助ガスを供給する。シングルパルス/パーカッションドリリングとトレパニングドリリングが同時に実行される本発明の方法により、従来の方法に比べて非常に低い補助ガスの圧力で作業をすることができる。本発明に基づく方法では、溶融物は実質的に蒸発に基づく圧力により、レーザビーム方向と反対向きに穴Hからコンポーネント1の上面2を介して運び出されるからである。穿孔中、補助ガスは一時的にのみ供給することができ、しかも、それはオーバーラップ領域で貫通穿孔が行われている場合に限られる。 The auxiliary gas supply unit 18 supplies the auxiliary gas under a pressure of at least 400 kPa or more, ie in the range of 400 kPa to 1000 kPa, in order to achieve a discharge action on the liquid melt. supply. The method of the present invention, in which single pulse/percussion drilling and trepanning drilling are performed simultaneously, allows working with auxiliary gas pressures that are much lower than in conventional methods. This is because in the method according to the invention the melt is carried away from the hole H through the upper surface 2 of the component 1 in a direction opposite to the direction of the laser beam, substantially under pressure due to evaporation. During drilling, auxiliary gas can only be supplied temporarily, and only if through drilling is performed in the overlap region.

補助ガス供給ユニット18がノズル出口19を介してコンポーネント1に補助ガスを横から供給することによって、穴Hからの溶融物の押し出し又は運び出しを行うことができる。 An auxiliary gas supply unit 18 laterally supplies the component 1 with an auxiliary gas via a nozzle outlet 19 so that the melt can be extruded or conveyed out of the hole H. FIG.

ガルバノスキャナユニット13及び14は、レーザ光の反射によってスポット面Sの位置を移動させ、それと同時にレーザ放射LSの光路を変える。このレーザ加工装置は、レーザ放射LSの横断面又はスポット面によって部分的に重なり合うオーバーラップ領域Oを常時提供し、その間に作成されるべき穴Hの内側の円周区域Iに沿ってスポット領域Sを移動させるようにレーザ加工を行うので、ガルバノスキャナユニットを利用するこのようなレーザ加工装置によって穴を加工することができる。 The galvanometer scanner units 13 and 14 move the position of the spot surface S by reflecting the laser light, and at the same time change the optical path of the laser radiation LS. This laser processing apparatus always provides an overlap region O partially overlapped by the cross-section or spot plane of the laser radiation LS, between which the spot region S along the inner circumferential area I of the hole H to be made. Since laser processing is performed so as to move the , holes can be processed by such a laser processing apparatus using a galvanometer scanner unit.

たとえば1つの穴の加工が完了したとき、ガルバノスキャナユニットのミラー体の回転角を調整するだけで次の穴の加工が開始され、それによって次の穴の方向にレーザ放射が向けられるようにすれば、ガルバノスキャナユニットの利用によって材料加工を迅速化させることができる。レーザ放射を案内するためのビームスプリッタを利用し、そのようにして複数の光学システムを同時に制御することも意図される。スキャナに代えて光学系をビームフォーミングのために利用し、そのようにして中断のないcw加工のために、及びパルス化された加工のために、作成されるべき穴Hの中央領域Oと縁領域Rへの放射の分布を時間的な平均値でそれぞれ別様に調整することも意図される。 For example, when machining of one hole is completed, machining of the next hole can be started simply by adjusting the rotation angle of the mirror body of the galvanometer scanner unit, thereby directing laser radiation in the direction of the next hole. For example, material processing can be expedited through the use of a galvanometer scanner unit. It is also contemplated to utilize beam splitters to direct laser radiation and thus control multiple optical systems simultaneously. Instead of a scanner, an optical system is utilized for beamforming, so for uninterrupted cw machining and for pulsed machining, the central region O and edge of the hole H to be made. It is also contemplated to adjust the distribution of the radiation to the region R differently in each temporal average.

本装置のさらに別の実施形態が図11に模式的に示されている。図10の装置とは対照的に、ガルバノスキャナユニットは設けられていない。 Yet another embodiment of the device is shown schematically in FIG. In contrast to the device of FIG. 10, no galvanometer scanner unit is provided.

この実施形態では、レーザ放射LSはガラスファイバ11を介してノズル切断ヘッド20に入力結合される。 In this embodiment, laser radiation LS is coupled into nozzle cutting head 20 via glass fiber 11 .

このノズル切断ヘッド20は、光学システム21と、レンズシリンダ22と、補助ガスノズル23とを含んでいる。 This nozzle cutting head 20 includes an optical system 21 , a lens cylinder 22 and an auxiliary gas nozzle 23 .

ノズル切断ヘッド20は、作成されるべき穴Hの内側円周に沿った軌道上でレーザ放射LSを移動させるために(これに関しては図5、図6A~図6Eを参照)、コンポーネント1の上面又は上面3と平行の方向に沿って、すなわち二次元の座標平面X-Yの任意の軌道に沿って、移動することができる。ノズル切断ヘッド20の移動に代えて、コンポーネント1を担持する載置台(図示せず)を動かすこともでき、それにより、ノズル切断ヘッド20と載置台との間の相対運動を実現する。ただし、移動するべき質量を小さく抑えておくと好ましい。 The nozzle cutting head 20 is positioned on the upper surface of the component 1 in order to move the laser radiation LS on a trajectory along the inner circumference of the hole H to be made (see FIGS. 5, 6A-6E in this regard). or along a direction parallel to the top surface 3, ie along any trajectory in the two-dimensional coordinate plane XY. Instead of moving the nozzle-cutting head 20, a mounting table (not shown) carrying the component 1 can also be moved, thereby achieving relative movement between the nozzle-cutting head 20 and the mounting table. However, it is preferable to keep the mass to be moved small.

Claims (17)

シングルパルスドリリング又はパーカッションドリリングによって、及びトレパニングドリリングによって、金属性の材料からなるコンポーネント(1)を、及び積層された金属性と誘電性の材料からなるコンポーネント(1)を穿孔する方法において、ビーム軸(B)及びビーム直径(D)を有するレーザ放射(LS)と、主要な溶融物排出とが行われ、シングルパルス/パーカッションドリリングとトレパニングドリリングが同時に実行され、
それは、レーザ放射に割り当てられた、放射伝搬の方向を示していて値がレーザ放射(LS)のエネルギー束密度であるベクトルとして定義されるポインティングベクトル(<S>)の空間分布が、穴軸(H)と、穴壁(H)と、進捗していく穴深さに伴って進捗していき、形成されていく穴(H)の穿孔時に進捗していく端部が穴底面(H)と呼ばれる穴底面(H)とが割り当てられる生成されるべき穴(H)のオーバーラップ領域(O)で、及び生成されるべき穴(H)の縁領域(R)で、それぞれ別様に調整されることによってであり、前記オーバーラップ領域(O)はシングルパルスドリリングの場合にはレーザ放射の高いエネルギー束密度で照射される領域として定義され、前記縁領域(R)は、前記オーバーラップ領域(O)の外部に位置し、穿孔時に前記オーバーラップ領域(O)でのエネルギー束密度よりも低い、レーザ放射(LS)の低いエネルギー束密度で照射される領域として定義され、アスペクト比Aの最大値AmaxはA=d/(2rB,top)をもって10よりも低い、又はこれに等しい値を有し、ここでdは、材料の上面(2)に対して相対的に垂直な穴(H)の場合には貫通穿孔されるべき材料の材料厚みであり、又は材料の上面(2)に対して相対的に傾いた穴軸(H)の場合には穴長さであり、rB,topは、穴軸(H)に対して垂直の方向で測定した半径として定義される、穴入口における穴(H)の穴半径である、方法。
In a method for drilling a component (1) made of metallic material and a component (1) made of laminated metallic and dielectric materials by single pulse drilling or percussion drilling and by trepanning drilling, a beam Laser radiation (LS) with axis (B A ) and beam diameter (D S ) and main melt ejection are performed, single pulse/percussion drilling and trepanning drilling are performed simultaneously,
That is, the spatial distribution of the Poynting vector (<S>) assigned to the laser radiation, defined as the vector indicating the direction of radiation propagation and whose value is the energy flux density of the laser radiation (LS), is the hole axis ( H a ), the hole wall (H w ), and the hole bottom (H b ) in the overlapping area (O) of the hole to be generated (H) to be assigned a hole base (H b ) called b ) and in the edge area (R) of the hole to be generated (H), respectively separately wherein the overlap region (O) is defined as the region irradiated with a high energy flux density of laser radiation in the case of single pulse drilling and the edge region (R) is defined by the Defined as a region located outside the overlap region (O) and irradiated with a low energy flux density of laser radiation (LS) during drilling, which is lower than the energy flux density in said overlap region (O), the aspect The maximum value A max of the ratio A has a value lower than or equal to 10 with A=d/(2 rB,top ), where d is relative to the top surface of the material (2) Material thickness of the material to be drilled through in the case of a vertical hole (H) or hole length in the case of a hole axis (H a ) inclined relative to the upper surface of the material (2) and rB,top is the hole radius of the hole (H) at the hole entrance, defined as the radius measured in the direction perpendicular to the hole axis (H a ).
穿孔中のレーザ放射(LS)は、少なくとも1回通過されるべき閉じた軌道曲線(C)に沿ってビーム軸(B)が移動するように行われ、ビーム直径(D)は前記軌道曲線(C)の直径(D)と少なくとも同じ大きさであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 Laser radiation (LS) during drilling is carried out such that the beam axis (B A ) moves along a closed trajectory curve (C) to be traversed at least once, the beam diameter (D S ) being Method according to claim 1, characterized in that it is at least as large as the diameter (D C ) of the curve (C). 達成されるべき穴(H)のオーバーラップ領域と縁領域(O,R)での放射(LS)の分布が時間的な平均値でそれぞれ別様に調整されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。 Claim characterized in that the distribution of the radiation (LS) in the overlap region and the edge region (O, R) of the hole (H) to be achieved is adjusted differently with the temporal average value respectively. 3. The method according to 1 or 2. 穴(H)の縁領域(R)におけるポインティングベクトル(<S>)は、達成されるべき穴(H)の穴壁(H)の方を向く、穴深さに伴って変化する方向成分を有することを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。 The Poynting vector (<S>) in the edge region (R) of the hole (H) has a directional component that varies with hole depth pointing towards the hole wall (H W ) of the hole (H) to be achieved. A method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises 穴(H)の幾何学形状の漸近性への到達は、穿孔時間であってそれ以降は穴(H)がその直径(D)に関してそれ以上進捗せずにそのまま最終形状に達するような穿孔時間が決定されることによって保証されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。 Reaching the asymptotic geometry of the hole (H) is the drilling time after which the hole (H) does not progress further with respect to its diameter (D H ) and directly reaches its final shape. 5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the time is guaranteed by being determined. 穴の最終形状は縁領域(R)に対するレーザ放射(LS)の調整によって規定され、穴(H)の最終形状への到達について、1ナノ秒よりも長いパルス時間についてW・cm-2の、又は10ピコ秒よりも短いパルス時間についてJ・cm-2(10-4W・m-2又はJ・m-2に相当)の規模を有する数として定義される閾値が規定され、この閾値が、穿孔されるべき材料を特徴づけるために知られるその他すべての穴に関連するパラメータの代替となり、金属材料については10~10W・cm-2又は1~10J・cm-2の典型的な値をとることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。 The final shape of the hole is defined by the adjustment of the laser radiation (LS) to the rim region (R), reaching the final shape of the hole (H) in W cm −2 for pulse times longer than 1 ns, or a threshold defined as a number having a magnitude of J·cm −2 (equivalent to 10 −4 W·m −2 or J·m −2 ) for a pulse duration shorter than 10 picoseconds, wherein the threshold is , surrogate for all other hole-related parameters known to characterize the material to be drilled, typically 10 4 to 10 5 W·cm −2 or 1 to 10 J·cm −2 for metallic materials. 6. A method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that . 複数のパルスを用いる穿孔の場合に前記オーバーラップ領域(O)でのレーザ放射のエネルギー束密度は、前記オーバーラップ領域(O)で材料が貫通穿孔される前に溶融物がレーザ放射(LS)の伝搬方向と反対向きに穴(H)から排出され、穴底面(H)が材料厚みに到達し、前記コンポーネント(1)の下面(3)で穴底面(H)に穴(H)が開口することとして定義される貫通穿孔がまだ生じないように調整されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。 The energy flux density of the laser radiation in said overlap region (O) in the case of drilling with multiple pulses is such that the melt is laser radiation (LS) before the material is through-drilled in said overlap region (O). is discharged from the hole (H) in the direction opposite to the propagation direction of the hole (H), the hole base (H b ) reaches the material thickness, and the hole base (H b ) at the bottom surface (3) of said component (1). 7. A method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the through perforations defined as opening are not yet produced. ガスノズルの利用なしで蒸発圧力のみに基づいて溶融物の排出が行われ、前記オーバーラップ領域(O)でのエネルギー束密度は、穴底面(H)が前記オーバーラップ領域(O)で1つのパルス終了時に前記コンポーネント(1)の下面(3)に到達し、穴壁(H)の漸近的な形状がまだ達成されないように調整されることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。 Melt ejection is based solely on evaporation pressure without the use of gas nozzles and the energy flux density at the overlap area (O) is such that the bottom of the hole (H b ) is one at the overlap area (O). 8. Any of claims 1 to 7, characterized in that at the end of the pulse the underside (3) of the component (1) is reached and adjusted such that the asymptotic shape of the hole wall (H w ) is not yet achieved. or the method according to item 1. エネルギー束密度についての最小値を下回ることがなく、かつエネルギー束密度についての最大値を上回ることがなく、前記最小値は、前記コンポーネント(1)の下面(3)で穴底面(H)に穴(H)が開口することとして定義される貫通穿孔が行われないことによって決定され、前記最大値は、貫通穿孔に到達するための穿孔時間がエネルギー束密度に伴って飛躍的に増大することによって決定されることを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。 No less than a minimum value for energy flux density and no more than a maximum value for energy flux density, said minimum value being at the bottom surface (3) of said component (1) at the bottom of the hole (H b ) Determined by no through-drilling defined as the opening of the hole (H), said maximum value is such that the drilling time to reach the through-drilling increases exponentially with energy flux density. 9. A method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it is determined by: 穴の最終形状は前記縁領域(R)でのレーザ放射(LS)のエネルギー束密度の測定によって決定され、穴の最終形状は、測定値が閾値に等しくなる穴壁(H)の位置によって事前決定されることを特徴とする、請求項6に記載の方法。 The final shape of the hole is determined by measuring the energy flux density of the laser radiation (LS) in said edge region (R), and the final shape of the hole is determined by the position of the hole wall ( Hw ) where the measurement equals the threshold value. 7. Method according to claim 6, characterized in that it is predetermined. パルス時間と、連続する2つのパルスの間のパルス休止との合計として定義される周期時間の軌道曲線(C)に沿ってビーム軸(B)の送りが調整されることで、及び、レーザ放射(LS)のビーム軸(BA)が軌道曲線(C)の上で周期時間中に穴軸(H)を中心として回転する角度として定義される増分角(Alpha)が調整されることで、断面で見て円形の穴、8の字型の穴、長孔、又は3穴の穴若しくは星形の穴(H)が生成されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。 by adjusting the advance of the beam axis (B A ) along a trajectory curve (C) of period time defined as the sum of the pulse time and the pulse pause between two successive pulses, and the laser By adjusting the incremental angle (Alpha), defined as the angle by which the beam axis (BA) of the radiation (LS) rotates about the hole axis (H a ) during the cycle time on the trajectory curve (C) 3. A method according to claim 2, characterized in that, in cross-section, circular holes, figure-eight holes, oblong holes, or three-hole holes or star-shaped holes (H) are produced. 金属性の材料からなるコンポーネントを、及び積層された金属性と誘電性の材料からなるコンポーネントを穿孔する装置において、ビーム軸(B)とビーム直径(D)とを有するレーザ放射(LS)を前記コンポーネント(1)に向ける少なくとも1つのビームユニット(20)を含むレーザ加工装置を有し、並びに、レーザ放射(LS)により上面(2)で照射される放射直径Dを有する前記コンポーネント(1)の領域として定義されるスポット面(S)の位置及び断面積をビーム軸(B)とビーム直径(D)が特徴づけるように前記放射ユニット(20)を制御する制御ユニット(12)を有し、ビーム軸(B)が閉じた軌道曲線(C)に沿って移動し、前記スポット面(S)の一部が前記軌道曲線(C)の内部でオーバーラップ領域(O)を生成する装置。 Laser radiation (LS) with beam axis (B A ) and beam diameter (D S ) in an apparatus for drilling components made of metallic material and components made of stacked metallic and dielectric materials towards said component (1), and said component (1) having a radiation diameter DS irradiated at the upper surface (2) by laser radiation ( LS ). 1) a control unit (12) for controlling said radiation unit (20) such that the beam axis (B A ) and beam diameter (D S ) characterize the position and cross-sectional area of the spot plane (S) defined as the region of ), the beam axis (B A ) moves along a closed trajectory curve (C) and a portion of said spot surface (S) is within said trajectory curve (C) with an overlap area (O) A device that generates 前記オーバーラップ領域(O)の面積は穴(H)の直径(D)を有する断面積よりも小さいことを特徴とする、請求項12に記載の装置。 13. Device according to claim 12, characterized in that the area of the overlap region (O) is smaller than the cross-sectional area with the diameter (D H ) of the hole (H). 前記レーザ加工装置は、前記スポット面(S)のビーム直径(D)が穴(H)の直径(D)の長さの半分よりも大きく、かつ穴(H)の直径(D)よりも小さくなるようにレーザ放射(LS)を放出することを特徴とする、請求項12又は13に記載の装置。 The laser processing apparatus has a beam diameter (D S ) of the spot surface (S) larger than half the length of the diameter (D H ) of the hole (H), and the diameter (D H ) of the hole (H) 14. Device according to claim 12 or 13, characterized in that it emits laser radiation (LS) such that it is smaller than . 前記制御ユニット(16)は、レーザ放射(LS)が前記コンポーネント(1)の穴の領域を、穴軸(H)に対して径方向で見たときに前記オーバーラップ領域(O)から外方に向かって拡張していくように前記レーザビームユニットを制御することを特徴とする、請求項12から14のいずれか1項に記載の装置。 Said control unit (16) determines that the laser radiation (LS) extends the area of the hole of said component (1) out of said overlapping area (O) when viewed radially with respect to the hole axis (H a ). 15. Apparatus according to any one of claims 12 to 14, characterized in that the laser beam unit is controlled to expand in the direction. 前記コンポーネント(1)の上面(2)に、及び前記コンポーネント(1)で形成されていく穴(H)の中に、流体を供給する補助流体供給ユニット(18)が設けられることを特徴とする、請求項12から15のいずれか1項に記載の装置。 characterized in that an auxiliary fluid supply unit (18) is provided for supplying fluid to the upper surface (2) of the component (1) and into the hole (H) formed in the component (1). 16. The apparatus according to any one of claims 12-15. 前記レーザ加工装置は、パルス化されたレーザ放射(LS)を生成するビームユニット(10)と、レーザ放射(LS)の反射によってビーム軸(B)すなわちスポット面(S)の中心を移動させ、それと同時に前記ビームユニット(10)により発振されるレーザ放射(LS)の光路を変化させるガルバノスキャナユニット(13,14)とを利用することを特徴とする、請求項12から16のいずれか1項に記載の装置。 Said laser processing apparatus comprises a beam unit (10) for generating pulsed laser radiation (LS) and reflection of the laser radiation (LS) for moving the center of the beam axis (B A ) or spot plane (S). , and a galvano-scanner unit (13, 14) which at the same time changes the optical path of the laser radiation (LS) emitted by the beam unit (10). 3. Apparatus according to paragraph.
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