JP4700279B2 - レーザビームを用いてワークに孔を形成する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、少なくとも１つのレーザビームを用いてワークに孔を形成する方法と、請求項１５の上位概念部に記載の形式の、ワークに孔を形成する装置とに関する。

従来の技術
請求項１及び請求項１５の上位概念部に記載された形式の方法及び装置は、公知である。このような方法及び装置は、レーザビームを用いてワークに精密かつ正確な極小の孔を形成するために役立ち、この場合孔は、２５０μｍよりも小さな直径を有することができる。

金属材料から成るワークに公知の装置を用いて、レーザビーム特に短パルスレーザを用いて孔を加工する場合、ワークのレーザビーム進入側には溶融ばりが形成され、このような溶融ばりは、後作業過程においてばり取りされねばならない。さらに孔内には、つまり孔の周面には溶融膜が形成され、この溶融膜もまた同様に後で除去されねばならない。この後加工の際に、孔の縁部において不都合な損傷の生じること及び／又は孔の閉塞の生じることがある。

例えば燃料噴射装置の分野では、例えば燃料噴射ノズルにおいては、通常レーザビーム進入開口（燃料流出部）がレーザビーム進出開口（燃料流入部）に比べて小さな直径を有しているので、益々円錐形の孔が必要になる傾向がある。所望の円錐度を有するこのような孔を製造もしくは形成するために、ワークをレーザビームに対して傾倒させること及び／又はいわば加工戦略もしくはレーザビームのパラメータを相応に調節することが公知である。しかしながら公知の方法によって実現可能な円錐度、つまりｋ-係数によって規定可能な円錐度は、孔直径に応じて、かなり制限されている。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載の本発明による方法は、公知の方法に比べて次のような利点を有している。すなわち本発明による方法では、少なくとも１つのプロセスガスパラメータ、特にプロセスガスの組成、圧力及び／又は容積流を所望のように調節することとプロセスガスを特殊に供給することとによって、所望の孔品質を得ることが可能である。しかもそのために、レーザビームパラメータを変化させること又はワークをレーザビームに対して傾倒させることは、不要である。本発明との関連において、少なくとも以下に記載の基準が孔の「品質」を決定する：すなわち、孔の形状及び、少なくとも金属材料から成るワークでは、アブレーション残留物が、孔の品質を決定する基準である。金属におけるレーザ加工の際に生じるアブレーション残留物というのは、特に、レーザビーム進入側のワーク面における溶融ばり（溶融に起因する小突起）と、孔壁における溶融膜とを意味する。本発明による方法によって、溶融ばりは完全に回避することができ、かつ形成される溶融膜は極めて薄い厚さしか有していない。つまり本発明の方法によって、アブレーション残留物は回避することができるか、もしくは少なくとも有害でない値に減じることができるので、孔の後加工を減じることもしくは簡単化すること、又は場合によっては完全に省くことが可能である。本発明による方法はさらに、孔形状に所望の影響を与えることができる。孔の全長にわたって一定又はほぼ一定である真円形横断面を有する孔も、所望の円錐度を有する孔も実現可能である。「円錐形の」孔は、有利には真円形横断面を有していて、その直径が孔の全長にわたって変化している。本発明の方法によって少なくとも上に述べた孔形状を実現することができ、しかもアブレーション残留物を回避もしくは著しく減じることができるので、このような１つの孔又はこのような複数の孔を安価に製造もしくは形成することが可能である。さらに作業時間もまた、公知の方法に比べて短縮することができる。

本発明による方法の根底を成す原理は、レーザビームとワークとの間における反応領域に供給されるプロセスガスが、材料蒸気・プラズマ混合物の特性、ひいてはレーザビームとワークとの間における反応を規定するということに、基づいている。ワークの蒸発する材料によって、孔を取り囲む雰囲気は圧縮され、その結果強い衝撃波の形成されることがあり、この衝撃波は例えば短パルスレーザビームを用いたワーク加工時に数１０ｋｍ／ｓに到るほどの伝播速度に達することがある。そして衝撃波は、ワークから蒸発する材料に対するバリアを形成し、この場合圧力、密度及び温度、ひいては材料蒸気・プラズマ混合物の吸収能力並びにイオン化定数は、衝撃波の特性に関連している。衝撃波の伝播速度及び衝撃波の熱力学的な特性はまた、孔を取り囲む雰囲気の関数である。本発明による方法を用いて、上に挙げた利点を実現できるような雰囲気条件を、孔の周囲に形成することが可能である。

本発明による方法の特に有利な実施態様では、有利には特殊な各使用例のために、プロセスガスの組成、圧力及び／又は反応領域に供給される容積流及び／又は供給戦略（プロセスガスガイド）を、孔の少なくとも１つの特徴的な構成、つまり例えば孔直径、所望の円錐度、孔縁部のうちの少なくとも１つの規定された丸み付けのような特徴的な構成及び／又はワークの少なくとも１つの特徴的な構成、つまり例えば壁厚、ワーク材料等のような特徴的な構成に関連して調節するようにした。この場合、孔の形成中におけるプロセスガスのパラメータは必ずしも一定である必要はなく、有利な変化態様におけるように、時間的に制御することも可能である。例えば孔の「前穿孔」はヘリウムから成るプロセスガスによって行い、かつ次いで行われる「後穿孔／仕上げ穿孔」はアルゴンから成るプロセスガスによって行うことができる。

本発明による方法の別の有利な実施態様では、レーザビームが、有利には１００ｎｓよりも小さなパルス長を有する短パルスレーザビーム（ｎｓ−Ｐｕｌｓｅ）か又は超短パルスレーザビーム（ｆｓ／ｐｓ−Ｐｕｌｓｅ）である。もちろん本発明の方法を実現するために、他のレーザコンセプトを使用することも可能である。

別の有利な実施態様では、所望の円錐度を有する孔を形成し、その際に孔の円錐度係数（ｋ）が相応なプロセスガスガイドとプロセスガスパラメータの調節とによって可変である。これによって−３〜＋３の円錐度係数ｋを有する孔を容易に形成できることが分かっている。しかしながらまた本発明による方法を用いて、＋／−３よりも大きな円錐度係数をも実現することができる。円錐度係数ｋは下記の式によって決定される：

本発明による方法を用いて、２５０μｍよりも小さな直径を有する孔のため及び約０.２ｍｍ〜２ｍｍのワーク壁厚のために、それぞれ所望の円錐度を調節することができ、円錐度係数ｋは例えば−３〜＋３の範囲を有することが可能である。

孔形成中に使用される少なくとも１つのプロセスガスは、少なくとも１つのガス、例えばヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ_２）、アルゴン（Ａｒ）及び／又は窒素（Ｎ_２）から成っている。このプロセスガスはしかしながらまた複数のガスから、特に上に述べた複数のガスから成っていることができ、これらのガスは、有利にはそれらが反応領域に供給される前もしくは反応領域に達する前に、混合形成される。プロセスガスを複数のガスから混合形成する場合には、プロセスガスにおける各ガスの成分が０％〜１００％であり、プロセスガスを形成するすべてのガスの成分の総和が１００％である。異なったガスは種々異なった物理的特性を有しているので、異なったガスから成るプロセスガスは、特定の混合比で混合形成され、それによって所望の雰囲気を、レーザビームによって穿孔される孔の周囲に生ぜしめることができ、この所望の雰囲気において、所望の孔形状、例えば孔円錐度が生ぜしめられ、そして有利な形式で、金属材料をレーザ加工する際に生じる孔壁における溶融膜及び溶融ばりを最小にすること又は排除することができる。

さらにまた、反応領域に供給されるプロセスガスの容積流が、約０.８Ｎｌ／ｍｉｎ〜２７０Ｎｌ／ｍｉｎの範囲であり、プロセスガスの圧力が、０.１ｂａｒ〜２０ｂａｒの範囲、有利には０.３ｂａｒ〜１５ｂａｒの範囲、特に０.５ｂａｒ〜１０ｂａｒの範囲であると、有利である。

本発明による方法の別の有利な実施態様では、請求項２〜１４に記載された特徴を組み合わせることによって得られる。

本発明の対象はまた、請求項１５に記載された装置、特に請求項１〜１４までのいずれか１項に記載された方法を実施するのに適した装置である。すなわち本発明は、ワークに孔を形成する装置であって、ワークに方向付け可能な少なくとも１つのレーザビームを生ぜしめるレーザビーム源と、ノズル装置とが設けられていて、該ノズル装置が、圧力下にある少なくとも１つのプロセスガスを供給可能な少なくとも１つのノズルを有しており、該ノズルから流出するガス噴流が、ワークにおけるレーザビームの衝突箇所に、もしくはレーザビームとワークとの間における反応領域に方向付け可能である形式のものに関する。

そしてこのような形式の装置において、本発明の特徴的な構成では、プロセスガスの組成、圧力及び／又は衝突箇所に供給される量を調節する装置が設けられている。

その都度の使用例に適したプロセスガスの使用及び／又はプロセスガス圧力及び／又はプロセスガス容積流の適正な調節によって、孔円錐度を変化させることつまり所望のように調節することが、レーザビームのパラメータを変化させる必要なしに可能である。さらに、金属製のワークにおいては孔壁における溶融膜や溶融ばりを最小にする、有利には完全に排除することができる。

本発明による装置の実施態様では、装置が、プロセスガスを混合するための少なくとも１つの混合装置と、混合されたプロセスガスを供給するためにノズルに流れ技術的に接続された少なくとも１つの供給管路とを有している。つまりプロセスガスは、レーザビームとワークとの間における反応領域に達する前に、混合形成される。混合装置は有利には、プロセスガスパラメータ（組成、圧力、容積流）を調節するための制御装置を有している。

装置の別の有利な実施態様は、請求項１６〜２５に記載された特徴を組み合わせることによって得られる。

図面
次に図面を参照しながら本発明の複数の実施例を説明する。

図１は、本発明による装置の１実施例の構造を示す原理図、
図２は、プロセスガスを供給するノズル装置の１実施例を示す図、
図３は、プロセスガスを供給するノズル装置の別の実施例を示す図、
図４は、プロセスガスを供給するノズル装置のさらに別の実施例を示す図、
図５は、ある特定のプロセスガスを使用してレーザビームを用いて製造された孔を示す断面図、
図６は、図５におけるとは異なったプロセスガスを使用してレーザビームを用いて製造された孔を示す断面図、
図７は、レーザビーム進入側の孔直径と円錐度係数ｋとを、プロセスガスの圧力を関数として示す線図である。

実施例の記載
図１には、ワークに孔を形成する装置１の１実施例の構造が略示されている。この装置１はレーザビーム源３を有しており、このレーザビーム源３を用いて短パルスレーザビーム又は超短パルスレーザビームを生ぜしめることができ、このような短パルスレーザビームもしくは超短パルスレーザビームは以下において単にレーザビームと呼ぶ。レーザのビーム路には拡大レンズ系７、トレパンレンズ系（Trepanieroptik）９及び集光レンズ系１１が位置している。トレパンレンズ系９と集光レンズ系１１との間の領域において、レーザビーム５は変向ミラー１３を用いて例えば９０°変向させられる。装置１の図示されていない別の実施例では、レーザビーム路に拡大レンズ系７が配置されていない。

図１にはワーク１５が示されており、このワーク１５には、孔、特に貫通孔を正確な円錐度で穿孔するために、レーザビーム５が向けられている。ワーク１５は、レーザビーム５のビーム路の方向で見て集光レンズ系１１の後ろに配置されている。孔が穿孔されるべきワーク１５の部位を正確にレーザビーム５のビーム路に配置するために、ワーク１５を位置決めするための調節装置（図示せず）が設けられており、この調節装置を用いてワークは矢印で示されているようにｘ方向、ｙ方向及びｚ方向に移動可能である。

装置１はさらに、プロセスガスの組成を調節する装置１６を有しており、このプロセスガス調節装置１６は、プロセスガスを混合するために制御装置を備えた混合装置１７を有している。プロセスガスは有利にはヘリウム、酸素、アルゴン及び窒素のようなガスのうちの少なくとも１つ、又はこれらのガスの混合物から成っている。混合装置１７においてこれらのガス及び場合によってはさらに別の適宜なガスを、予め選択可能な所定の比で混合することができる。プロセスガスが混合ガスである場合、プロセスガスにおける各ガスの成分比は、０％〜１００％であってよい。レーザビーム５とワーク１５との間における反応領域に供給されるプロセスガス容積流は、有利には約０.８Ｎｌ／ｍｉｎ〜２７０Ｎｌ／ｍｉｎ（Normliter／Minute）の範囲である。プロセスガス圧は有利には０.６ｂａｒ〜２０ｂａｒの間、特に０.５ｂａｒ〜１０ｂａｒの間である。

プロセスガスは供給管路１９を介して、少なくとも１つのノズルを有するノズル装置（図１には図示せず）に供給される。装置１６を用いて、プロセスガスの圧力及び／又は、レーザビーム５とワーク１５との間における反応領域に供給される量を調節することができる。プロセスガスパラメータの時間的な制御は容易に実現可能である。例えば、ヘリウムを用いた予備穿孔及び続いて行われるアルゴンを用いた後穿孔が可能である。

図２には、ノズル装置２１の第１実施例が断面図で略示されている。このノズル装置２１は、圧力下にあるプロセスガスを供給可能なノズル２３を有している。このノズル２３は縦断面図で見て円錐形状を有しており、プロセスガスによって貫流されるノズル横断面は、ワーク１５に向かって小さくなっている。ノズル２３の配置はここでは次のように、すなわちノズル２３から流出するプロセスガス噴流２５がレーザビーム５に対して同軸的に延びるように、選択されている。プロセスガス噴流２５及びレーザビーム５はここではワーク表面２７に対して垂直に方向付けられている。

図３には示された第２実施例によるノズル装置２１が図２に示されたノズル装置２１と異なっているのは単に次のことだけである。すなわち図３に示された実施例ではノズル２３はレーザビーム５に対して次のように、すなわちノズル２３から流出するプロセスガス噴流２５が約９０°の角度αを成してレーザビーム５もしくは反応領域に供給されるように、方向付けられている。プロセスガス噴流２５はこの実施例では、平らなワーク表面２７に対して平行に延びている。ノズル２３は有利には移動調節可能に形成されており、このように構成されていることによって、プロセスガス噴流２５とレーザビーム５との間に形成される角度αを、例えば０°〜９０°の範囲で調節することができる。

図４に示された第３実施例では、ノズル装置２１はノズル２３Ａ，２３Ｂを有しており、この場合ノズル２３Ａはその配置形式及び構成の点で図２に示されたノズル２３に相当し、かつノズル２３Ｂの配置形式及び構成は、図３に示されたノズル２３に相当している。二重矢印で示されているように、ノズル２３Ｂはノズル２３Ａに対して調節可能であり、すなわちこの場合、プロセスガス噴流２５つまりノズル２３Ｂから吹き出されるプロセスガス２５とレーザビーム５とが互いに衝突する角度αは、０°〜９０°の間において可変である。ノズル２３Ａ，２３Ｂには同じプロセスガスが供給される。ノズル２３Ａ，２３Ｂから吹出し可能なプロセスガス噴流２５のパラメータは有利には互いに無関係につまり独立して調節可能であり、このことは、レーザビーム５を用いてワーク１５に形成される孔の周囲における雰囲気の最適な調節を可能にする。

円錐形横断面を有する図示のノズルの他に択一的に、例えば円錐ノズル（Laval-Duesen）、リングノズル、自由形状又はこれに類した形式のノズルも同様に使用可能であり、つまり上に挙げたノズルジオメトリは単に、可能な複数のノズルジオメトリのうちの１つである。

図１〜図４に示された装置１を用いて、本発明による方法を簡単に実現することができる。プロセスガスの組成、圧力及び／又は容積流は次のように選択され、かつプロセスガスはレーザビームとワークとの間における反応領域に次のように供給される。すなわちこの場合レーザビームを用いて生ぜしめられる孔は、所望の品質、特に所望の円錐度を有しかつ／又は僅かな溶融ばり又は溶融膜しか有さないように、選択及び供給がなされ、しかもその際にワーク１５を揺動運動させる必要及び／又はレーザビーム５のパラメータを変化させる必要がない。有利には上記装置部分は少なくとも穿孔製造中は、ワーク１５に対して固定のポジションに配置されている。固定ポジションを占める装置部分には、装置１の運転中に回転する図１に略示されたトレパンレンズ系９の光学的なくさびプレート（optischen Keilplatten）は含まれていない。

図６に縦断面図で示された円錐形の孔２９では、その製造時に、レーザビーム５とワーク１５との間における反応領域に供給されるプロセスガスは、２０％アルゴンと８０％ヘリウムとから成っている。残りのプロセスガスパラメータ（圧力、容積流）及びレーザビームパラメータは、図５に示された孔２９の製造時におけると同じである。図面から明らかなように、孔２９は著しく大きな円錐度係数ｋを有しており、この円錐度係数ｋはここでは約−１である。すなわち、孔２９の円錐度はもっぱら、プロセスガスの組成の変化に基づいてもしくは、プロセスガスに混合されるガスの容積部分の高さに基づいて、異なっている。つまり孔の円錐度は、所望のように、もっぱらプロセスガスの組成によって可変である。さらに、例えば図１〜図４を参照しながら述べたように、反応領域にプロセスガスを所望のように供給することも必要である。孔円錐度のさらに正確な調節を可能にするために、図示の変化実施例では場合によっては、圧力及び、レーザビーム５とワーク１５との間の反応領域に供給されるプロセスガス容積流を相応に変化させることも可能である。

図６に示された孔は、図５に示された孔２９とは異なり、ワーク表面２７に細いばり３５を有しており、これに対してレーザビーム進出開口３３における孔縁部は鋭い縁部を形成している。つまりプロセスガスパラメータの相応な調節と反応領域への所望のプロセスガス供給とによって、孔の特徴的な構成（円錐度、直径、孔縁部を鋭くするか又は丸く面取りするか等）を正確に制御することが可能である。

確認しておくべきことは次のことである。すなわちこの場合２５０μｍよりも小さな直径を有する孔及び２ｍｍ以下のワーク壁厚では、相応なプロセスガス組成を選択しかつ反応領域へのプロセスガスの所望の供給を行うことによって、−３〜＋３の間の範囲おける又はそれよりも大きな範囲におけるそれぞれ任意の円錐度係数ｋを実現することができる。正確な孔円錐度を調節するために別の重要なパラメータは、プロセスガスの圧力及び容積流である。

本発明による装置の有利な実施例では、光学装置、特に特殊なトレパンレンズ系を備えた光学装置が、レーザビームに影響を与えるために使用されており、このような光学装置を用いて、規定された、有利には調節可能な円錐度係数をもつ円錐形の孔を形成することができ、しかもそのために、プロセスガスのパラメータ及びガイドを特殊な形態に変化もしくは調節する必要なない。例えば、レンズ系の特定の調節によって円錐度係数が５の円錐形の孔を生ぜしめることができる。少なくとも１つのプロセスガスパラメータに対する所望の影響と反応領域へのプロセスガスの特殊な影響とを及ぼす本発明による方法を用いて、有利な形式で５の円錐度係数を極めて正確に増減すること、例えば５.４又は３.７又は７.８に増減することが可能である。言い換えれば、レーザビームパラメータによって実現もしくは規定される孔円錐度の精密調節が、そのためにレーザビームパラメータを変化させる必要なしに、可能である。

表の値から分かるように、プロセスガスの圧力を変化させるだけによって、つまりプロセスガスの組成を変化させることなしに、著しく異なった孔円錐度及び孔直径を製造することができる。

要約すると、本発明による方法を用いて、例えばその全長にわたって一定の横断を備えた又は円錐形の）穿孔／孔の横断面形状を所望のように調節することが可能である。特に強調すべきことは次のことである。すなわち本発明によれば、ワークにおけるレーザビーム進入側の溶融ばりと孔壁における溶融膜とを小さな値に低下させることができ、孔縁部形状が調節可能であり、かつ後処理過程を著しく簡単化することができるか又は理想で期な場合には完全に省くことができる。特に上に述べた基準は、本発明による装置もしくは方法を用いて製造された孔の品質が公知の装置／方法によるものに比べて特に高いということを規定するものである。本発明による方法は特に、例えば燃料噴射系におけるノズルにおいて設定される２５０μｍよりも小さな直径を有する精密マイクロ孔を製造するために適している。本発明による装置及び該装置によって実現可能な方法を用いて、大きな直径を有する円錐形の孔もまた精密かつ正確に製造することができる。

本発明による装置の１実施例の構造を示す原理図である。 プロセスガスを供給するノズル装置の１実施例を示す図である。 プロセスガスを供給するノズル装置の別の実施例を示す図である。 プロセスガスを供給するノズル装置のさらに別の実施例を示す図である。 ある特定のプロセスガスを使用してレーザビームを用いて製造された孔を示す断面図である。 図５におけるとは異なったプロセスガスを使用してレーザビームを用いて製造された孔を示す断面図である。 レーザビーム進入側の孔直径と円錐度係数ｋとを、プロセスガスの圧力を関数として示す線図である。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのレーザビーム（５）を用いてワーク（１５）に孔（２９）を形成する方法であって、
   所望の円錐度を有する孔（２９）を形成し、その際に孔の円錐度係数（ｋ）が、レーザビームに対する光学的な影響によって可変であり、
   プロセスガスをレーザビーム（５）とワーク（１５）との間における反応領域に供給し、該プロセスガスがヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ_２）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）のうちの少なくとも１つから成っているか又はこれらのうちの少なくとも２つから混合形成されており、
   レーザビーム（５）を用いて形成される孔（２９）の円錐度を増減するための所望の精密な調節のために、プロセスガスを、０.１ｂａｒ〜２０ｂａｒの範囲の圧力及び約０.８Ｎｌ／ｍｉｎ〜２７０Ｎｌ／ｍｉｎの範囲の流量で、反応領域に供給し、
   さらに、孔（２９）の前穿孔をヘリウムから成るプロセスガスによって行い、かつ次いで行われる後穿孔もしくは仕上げ穿孔を、アルゴンから成るプロセスガスによって行うことを特徴とする、レーザビームを用いてワークに孔を形成する方法。
2. ２５０μｍよりも小さな直径を有する孔を形成する、請求項１記載の方法。
3. １２０μｍよりも小さな直径を有する孔を形成する、請求項２記載の方法。
4. プロセスガスが４つの異なったガスから成っている、請求項１記載の方法。
5. 複数のガスから構成されるプロセスガスの混合を、反応領域へのプロセスガスの到達前に行う、請求項１記載の方法。
6. プロセスガスの圧力が、０.３ｂａｒ〜１５ｂａｒの範囲である、請求項１記載の方法。
7. プロセスガスの圧力が、０.５ｂａｒ〜１０ｂａｒの範囲である、請求項６記載の方法。
8. プロセスガスを、レーザビーム（５）に対して同軸的に延びているプロセスガス噴流（２５）の形で供給する、請求項１記載の方法。
9. プロセスガスを、複数のプロセスガス噴流（２５）の形で供給し、第１のプロセスガス噴流（２５）がレーザビーム（５）に対して同軸的に延びていて、第２のプロセスガス噴流（２５）が、レーザビーム（５）に対して、０°〜９０°の範囲の角度αを成して方向付けられている、請求項１記載の方法。
10. プロセスガスを、レーザビーム（５）に対して０°〜９０°の範囲の角度αを成して延びているプロセスガス噴流（２５）の形で供給する、請求項１記載の方法。

Images