NL8002842A

NL8002842A - Workpiece support used in energy beam machining - made of heat absorbing grains and volatile binder to give clean burr-free holes

Info

Publication number: NL8002842A
Application number: NL8002842A
Authority: NL
Inventors: C G Howard; L W Jordan; C E Yaworsky
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1981-12-16

Abstract

A support for a workpiece, in which a hole is to be machined by an energy beam, consists of grains (or particles) binded together by a binder which is evaporated by the beam and partially transforms into a liquid after machining. The grains absorb heat and vapours when contacted by the beam. The compsn. of the support is chosen to ensure absorption of the beam and creation of an amt. of gas sufficient to expel molten metal from the hole and reduce formation of burrs and resolidified layers in the hole. The support is useful in the electron beam machining of holes, slots, etc. in (non)metallic workpieces, e.g. to form a hole in one wall of a hollow gas turbine engine blade.

Description

- 1 -- 1 -

Aa

Steunlaagsamenstelling, alsmede werkwijze voor het boren van gaten onder toepassing van deze samenstelling.Backing layer composition, as well as a method of drilling holes using this composition.

De uitvinding heeft betrekking op materiaalbewerking en meer in het bijzonder op het boren van openingen, gleuven, en andere doorgangen door een werkstuk met behulp van elektronenbundels en andere energiebundel-5 technieken.The invention relates to material processing and more particularly to the drilling of openings, slots, and other passages through a workpiece using electron beams and other energy beam techniques.

De toepassing van elektronenbundelenergie voor het boren van één of meer gaten in een metalen of niet metalen werkstuk is pas de laatste tijd onderzocht. Er is gevonden uit experimentele elektronenbundelboorproeven, 10 dat, om een gat te produceren, dat symmetrisch is over zijn lengte door het werkstuk, de elektronenbundel een bepaalde overmaat aan energie moet hebben, dat wil zeggen meer energie, dan uitsluitend vereist is voor het verkrijgen van penetratie door het werkstuk. Indien deze 15 overmaat aan bundelenergie niet wordt geleverd, wordt een gat met niet symmetrische dwarsdoorsnede, of een taps verlopende vorm, of beide, geproduceerd. Als gevolg van het vereiste voor overmaat aan bundelenergie is een materiaal of zgn. steunlaag vereist aan het oppervlak 20 van het werkstuk, afgekeerd van de bundel, dat wil zeggen het oppervlak, dat het laatst zal worden gepenetreerd door de bundel, naarmate deze voortgaat door het werkstuk.The use of electron beam energy for drilling one or more holes in a metal or non-metal workpiece has only recently been investigated. It has been found from experimental electron beam drilling tests, that in order to produce a hole symmetrical along its length through the workpiece, the electron beam must have a certain excess of energy, ie more energy, than is required only to obtain penetration through the workpiece. If this excess beam energy is not supplied, a hole with an unsymmetrical cross-section, or a tapered shape, or both, is produced. Due to the requirement for excess beam energy, a material or so-called backing layer is required on the surface 20 of the workpiece facing away from the beam, that is, the surface which will last penetrate through the beam as it proceeds through the essay.

In de verdere beschrijving zal dit oppervlak worden aangegeven als het uittree-oppervlak. Het doel van het 25 steunlaagmateriaal is zowel het absorberen of dissiperen van de overmaat elektronenbundelenergie, als de bundel het uittree-oppervlak penetreert, alsook het voortbrengen van voldoende gasdruk door de locale werking van de bundel, teneinde het gesmolten werkstukmateriaal uit te 30 drijven uit het gat, dat wordt geboord. Het gesmolten materiaal wordt kenmerkend uitgedreven in de richting tegenovergesteld aan de voortplanting van de bundel, dat wil zeggen uit de ingang van het gat aan het eerst gepenetreerde oppervlak, of ingangsoppervlak, van het werkstuk.In the further description, this surface will be referred to as the exit surface. The purpose of the backing layer material is to both absorb or dissipate the excess electron beam energy as the beam penetrates the exit surface and to generate sufficient gas pressure through the local action of the beam to expel the molten workpiece material from the beam. hole being drilled. The molten material is typically expelled in the direction opposite to the propagation of the beam, that is, from the hole entrance to the first penetrated surface, or entrance surface, of the workpiece.

35 Wanneer deze uitdrijving onvoldoende is, zal zich een baard vormen rond de ingang aan de opening. Dit gaat vaak 800 2 8 42 * - * - 2 - gekoppeld met een "recast" laag, of een gedeelte gesmolten en gestold metaal binnen het gat.When this expulsion is insufficient, a beard will form around the entrance to the opening. This often involves 800 2 8 42 * - * - 2 - coupled with a "recast" layer, or a portion of molten and solidified metal within the hole.

Er zijn steunlagen gebruikt van metalen zoals messing of zink bij de ontwikkeling van elektronenbundel-- 5 boring. Dergelijke steunlagen zijn bruikbaar, wanneer zij een hogere dampdruk bezitten dan het werkstuk, zoals het geval is bij staal. Metalen steunlagen zijn tevens gebruikt in combinatie met vervluchtende films, die zorgen voor het gasmedium om het gesmolten metaal uit te drijven uit het 10 geboorde gat in het werkstuk, zoals wordt beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.649.806. Veel werkstukken die worden gebruikt in situaties waar een hoge prestatie vereist is, worden evenwel vervaardigd van materialen, die gevoèlig zijn voor verontreiniging. In een dergelijk 15 geval zal het gebruik van metalen steunlagen op nadelige wijze de materiaaleigenschappen omlaagbrengen wegens legering aan de gatlocatie. Dit gebeurt bijv., wanneer zinken steunlagen worden gebruikt in combinatie met tegen hoge temperatuur en vermoeidheid bestendige nikkellegeringen. 20 Als gevolg van verontreiniging zullen aan de gaten voortijdige defekten optreden. Andere öteunmaterialen kunnen eveneens achteruitgang veroorzaken door het verminderen van de eigenschappen of het induceren van corrosie tijdens het gebruik.Backing layers of metals such as brass or zinc have been used in the development of electron beam bore. Such support layers are useful when they have a higher vapor pressure than the workpiece, as is the case with steel. Metal backings have also been used in conjunction with volatilizing films, which provide the gas medium to expel the molten metal from the drilled hole in the workpiece, as described in U.S. Patent 3,649,806. However, many workpieces used in situations where high performance is required are made from materials that are susceptible to contamination. In such a case, the use of metal backing layers will adversely decrease material properties due to alloy at the hole location. This happens, for example, when zinc backing layers are used in combination with high temperature and fatigue resistant nickel alloys. 20 As a result of contamination, premature defects will occur at the holes. Other support materials can also cause deterioration by reducing the properties or inducing corrosion during use.

25 Combinaties van metaalpoeders en verschillende organische matrices zijn eveneens gebruikt. Het gebruik van steunlagen, die metaalpoeder bevatten, bezit het in verband met metalen films eerdergenoemde nadeel van mogelijke verontreiniging. Verder kan het deeltjesresidu, 30 achtergelaten in het inwendige van een holgeboorde component reageren met deze component bij verhitting gedurende het normale gebruik met een nadelig resultaat.Combinations of metal powders and various organic matrices have also been used. The use of backing layers containing metal powder has the drawback of possible contamination mentioned above in connection with metal films. Furthermore, the particle residue left in the interior of a hollow-drilled component can react with this component when heated during normal use with an adverse result.

De met metaalpoeders gebruikte organische bindmiddelen omvatten tot nog toe in het algemeen materialen zoals 35 siliconenrubber en epoxy's. Deze kunnen alleen worden verwijderd door mechanische middelen of verbranding, voor zover zij niet gemakkelijk oplosbaar zijn in commercieel verkrijgbare oplosmiddelen, die niet tevens het werkstuk aantasten. Men heeft tevens gebruik gemaakt van 40 voorgevormde metalen en keramisch cellulaire strukturen, 800 2 8 42The organic binders used with metal powders have hitherto generally included materials such as silicone rubber and epoxies. These can only be removed by mechanical means or combustion, as far as they are not easily soluble in commercially available solvents, which do not also attack the workpiece. 40 preformed metal and ceramic cellular structures were also used, 800 2 8 42

* » * V* »* V

- 3 - die vluchtige materialen bevatten, zoals wordt beschreven in bovengenoemd Amerikaans octrooischrift. Deze bezitten evenwel het nadeel, evenals metalen lagen in een geringe mate doen, dat zij niet zodanig kunnen worden gemaakt, 5 dat zij nauw conformeren aan onregelmatige oppervlakken, en zij zijn algemeen ongeschikt om aan te brengen in of tie verwijderen uit complex gevormde inwendige holtes.Containing volatile materials, as described in the above-mentioned U.S. Patent. However, they have the drawback, as do metal layers to a small extent, that they cannot be made to conform closely to irregular surfaces, and are generally unsuitable for application in or removal from complex shaped interior cavities. .

Wanneer nauw contact met het werkstuk niet wordt gehandhaafd, functioneren steunlagen slecht en verder kan zich een 10 ongewenste baard vormen aan het uittree-oppervlak.If close contact with the workpiece is not maintained, backing layers function poorly and furthermore an unwanted beard may form on the exit surface.

Steunlagen, zoals genoemd, worden gebruikt, teneinde de dimensionale kwaliteit van het gat, dat geboord wordt, te verbeteren. Maar tot nog toe bestond er weinig meer dan een algemeen inzicht omtrent de specifieke correlatie 15 tussen de fysische eigenschappen van het steunlaagmateriaal en de aard van het geboorde gat. De vakman kon daardoor aan de hand van de bekende stand der techniek niet komen tot een keuze van steunlaagmateriaal waarmee de problemen met speciale gatconfiguraties of werkstukmaterialen konden 20 worden overwonnen. Rechthoekige openingen kunnen bijv. worden geboord in bepaalde nikkelbasislegeringen onder gebruikmaking van uit de techniek bekende steunlaagmaterialen of strukturen. Wanneer evenwel deze zelfde materialen worden gebruikt bij het boren van schuine openingen in 25 andere gegoten nikkelbasislegeringen, worden onregelmatige en ongewenste vormen verkregen.Backing layers, as mentioned, are used in order to improve the dimensional quality of the hole being drilled. However, until now there has been little more than a general understanding of the specific correlation between the physical properties of the backing material and the nature of the hole drilled. The person skilled in the art could therefore not come to a choice of support layer material on the basis of the prior art with which the problems with special hole configurations or workpiece materials could be overcome. For example, rectangular holes can be drilled in certain nickel base alloys using art-known backing materials or structures. However, when these same materials are used in drilling oblique holes in other cast nickel base alloys, irregular and undesired shapes are obtained.

Als verder voorbeeld zij opgemerkt, dat de te absorberen energie en de effekten, die moeten worden geaccomodeerd door het steunlaagmateriaal, aanzienlijk 30 groter zijn voor diepere gaten dan voor ondiepe gaten.As a further example, it should be noted that the energy to be absorbed and the effects to be accommodated by the backing material are considerably greater for deeper holes than for shallow holes.

Als gevolg werken sommige steunlagen goed in het tweede geval maar slecht in het eerste.As a result, some support layers work well in the second case but poorly in the first.

Het is nu een doel van de uitvinding om verbeterde steunlagen te verschaffen en methodes voor energiebundel-35 boren, meer in het bijzonder elektronenbundelboren, teneinde de kwaliteit van geboorde gaten te verbeteren.It is now an object of the invention to provide improved backing layers and methods of energy beam drilling, more particularly electron beam drilling, to improve the quality of drilled holes.

Volgens de uitvinding wordt een combinatie van deeltjesmateriaal en bindmiddel gebruikt voor werkstukken voorafgaand aan het boren. De steunlagen kunnen tenminste 40 gedeeltelijk vloeibaar gemaakt worden door oplossen, 800 2 8 42 1 I* -4- smelten, logen en dergelijke. Na het boren worden zij verwijderd door omzetting tot een vloeibare toestand, waarna zij opnieuw kunnen worden gevormd en desgewenst opnieuw gebruikt. Bij één uitvoering is het bindmiddel 5 een thermoplastische polymeer zoals polyvinylalcohol of was; in een ander geval, bruikbaar voor diepere gaten, is het bindmiddel een silicaat, bijv. natriumsilicaat.According to the invention, a combination of particulate material and binder is used for workpieces prior to drilling. The backing layers can be at least 40 partially liquefied by dissolving, melting, leaching and the like. After drilling, they are removed by conversion to a liquid state, after which they can be reformed and reused if desired. In one embodiment, the binder 5 is a thermoplastic polymer such as polyvinyl alcohol or wax; in another case, useful for deeper holes, the binder is a silicate, e.g. sodium silicate.

In bepaalde uitvoeringen is het deeltjesmateriaal een keramisch materiaal zoals aluminiumoxyde, zirkoniumoxyde, 10 siliciumdioxyde en dergelijke, of een glas. De verhouding van de deeltjesmateriaalfraktie ten opzichte van de bindmiddelfraktie_kan worden gevarieerd. Kenmerkend is het deeltjesmateriaal 50-90 gew. % van de steunlaag.In certain embodiments, the particulate material is a ceramic material such as aluminum oxide, zirconia, silicon dioxide and the like, or a glass. The ratio of the particulate fraction to the binder fraction can be varied. Typically, the particulate material is 50-90 wt. % of the backing.

Volgens de uitvinding wordt een steunlaag ver-15 schaft door het mengen van het deeltjesmateriaal met het bindmiddel en deze combinatie in innig contact te brengen met de uitt-ree-zijde van het werkstuk. Kenmerkend verkeert de steunlaag bij het aanbrengen of formeren in een verhitte toestand, of bevat deze een vluchtig vloeibaar 20 verdunningsmiddel, en wordt de steunlaag geconverteerd tot een bruikbare vorm door koelen of drogen, al naar het geval kan zijn. De steunlaag kan met betrekking tot het werkstuk ter plaatse worden gevormd of afdonderlijk. Wanneer ter plaatse gevormd, is het de werking van het 25 bindmiddel, welke bij voorkeur zorgt voor het aanhechten van de steunlaag aan het werkstuk.According to the invention, a backing is provided by mixing the particulate material with the binder and bringing this combination into intimate contact with the exit side of the workpiece. Typically, the backing layer is in a heated state when applied or forming, or contains a volatile liquid diluent, and the backing layer is converted into a useful form by cooling or drying, as may be the case. The backing layer can be molded in situ or densely with respect to the workpiece. When formed on-site, it is the action of the binder, which preferably provides for adhesion of the backing to the workpiece.

De uitvinding voorziet in de eigenschappen, die vereist zijn van een steunlaagmateriaal om commerciële massaproduktiebasis, welke eigenschappen zijn: 30 a) lage kosten? b) gemakkelijk aan te brengen aan complexe vormen ? c) het handhaven van een innig contact met het werkstukoppervlak; 35 d) gemakkelijk verwijderbaar van het werkstuk na het boren; e) gemakkelijk absorberen of dissiperen van de overmaat aan bundelenergie; f) het uitdrijven van gesmolten werkstukmateriaal 40 uit het gat, dat geboord wordt? 800 2 8 42 - 5 - g) het voortbrengen van een metallurgisch aanvaardbare recast-struktuur in het gat; h) niet schadelijk voor de levensduur van het elektronenbundelkanon, 5 i) het minimaliseren van de baard rond de omtrek van de opening in het laatst gepenetreerde oppervlak; en j) onschadelijk voor de metallurgische of andere eigenschappen en struktuur van het werkstuk.The invention provides the properties required of a backing material on a commercial mass production basis, which properties are: a) low cost? b) easy to apply to complex shapes? c) maintaining intimate contact with the workpiece surface; D) easily removable from the workpiece after drilling; e) easily absorbing or dissipating the excess beam energy; f) expelling molten workpiece material 40 from the hole being drilled? 800 2 8 42 - 5 - g) generating a metallurgically acceptable recast structure in the hole; h) not harmful to the life of the electron beam gun; i) minimizing the beard around the circumference of the opening in the last penetrated surface; and j) harmless to the metallurgical or other properties and structure of the workpiece.

De uitvinding voorziet verder in een werkwijze 10 bruikbaar voor het met behulp van een energiebundelboren van één of meer gaten, waaronder gleuven, doorgangen en dergelijke, die een nagenoeg uniforme symmetrie hebben over hun lengtes door een werkstukwand. Hoewel de uitvinding bijzonder bruikbaar is voor het voortbrengen van symmetrische 15 openingen van nagenoeg constante diameter door een werkstukwand, vindt de uitvinding tevens toepassing voor het produceren van symmetrisch taps verlopende openingen. door het werkstuk en bij het reduceren van baardvorming aan de ingangs- en uitgangsoppervlakken.The invention further provides a method 10 usable for energy beam drilling one or more holes, including slots, passages and the like, which have substantially uniform symmetry along their lengths through a workpiece wall. While the invention is particularly useful for producing symmetric openings of substantially constant diameter through a workpiece wall, the invention also finds application for producing symmetrically tapered openings. through the workpiece and when reducing dross at the entry and exit surfaces.

20 De uitvinding zal thans nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. In de tekening toont: fig. 1 schematisch een opstelling voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding op een werkstukwand, waaraan een steunlaag is aangebracht, en 25 fig. 2 in dwarsdoorsnede het boren van een holle gasturbinevleugel, waarvan de holte gevuld is met een steunlaag.The invention will now be further elucidated with reference to the drawing. In the drawing: Fig. 1 schematically shows an arrangement for carrying out the method according to the invention on a workpiece wall to which a supporting layer has been applied, and Fig. 2 shows in cross section the drilling of a hollow gas turbine wing, the cavity of which is filled with a backing.

Fig. 1 toont schematisch een kenmerkend arrangement voor het uitvoeren van het boorproces volgens de uitvinding. 30 Daarbij is een te boren werkstukwand 2 getoond, welke een ingangsoppervlak 4 bezit en een uittree-oppervlak 6, waarbij het ingangsoppervlak is toegekeerd naar een elektronenkanon 8, dat een elektronenbundel 8a voortbrengt en richt en de bundel voortplant op het ingangsoppervlak.Fig. 1 schematically shows a typical arrangement for performing the drilling process according to the invention. Shown is a workpiece wall 2 to be drilled, which has an entrance surface 4 and an exit surface 6, the entrance surface facing an electron gun 8, which generates and directs an electron beam 8a and propagates the beam on the entrance surface.

35 Aan het uittree-oppervlak is een steunlaag 10 getoond voor het absorberen van de overmatige energie van de bundel, als deze het oppervlak penetreert en voor het voortbrengen van voldoende gasdruk onder de locale werking van de bundel, teneinde gesmolten werkstukmateriaal 14 uit te 40 drijven van de ingang naar de opening 12 in oppervlak 4 in 800 2 8 42 - 6 - een richting tegenovergesteld aan de bundelvoortplanting.At the exit surface, a support layer 10 is shown for absorbing the excess energy from the beam as it penetrates the surface and for generating sufficient gas pressure under the local action of the beam to expel molten workpiece material 14. from the entrance to the opening 12 in surface 4 in 800 2 8 42 - 6 - a direction opposite to the beam propagation.

Volgens de uitvinding /bevat de steunlaag een deeltjesmateriaal 10a, samengebonden en aan het oppervlak 6 gebonden door een bindmiddel 10b. Er zijn veel soorten 5 deeltjesmateriaal of deeltjes geschikt om te gebruiken in de steunlaag. Kenmerkende niet-beperkénde voorbeelden zijn metaallegeringen, kleine glaskogeltjes, glasfrit, gesmolten siliciumoxydedeeltjes, en poeder van aluminium-oxyde, calciumoxyde, magnesiumoxyde, siliciumdioxyde, 10· en zirkoniumoxyde. De hoeveelheid van het deeltjesmateriaal kan worden gevarieerd teneinde te beantwoorden aan een speciaal doel in samenhang met het soort bindmiddel, dat wordt gebruikt, en de diepte van de te boren opening, zoals hierna zal worden besproken. De deeltjes funktioneren 15 bij de werkwijze volgens de uitvinding voor het absorberen van een groot deel van de overmatige elektronenbundelenergie, als deze bundel het uittree-oppervlak 6 penetreert.According to the invention, the backing layer contains a particulate material 10a, bound together and bound to the surface 6 by a binder 10b. There are many kinds of particulate material or particles suitable for use in the backing layer. Typical non-limiting examples are metal alloys, small glass beads, glass frit, molten silica particles, and alumina, calcium oxide, magnesium oxide, silicon dioxide, and zirconia powder. The amount of the particulate material can be varied to meet a special purpose in connection with the type of binder used and the depth of the hole to be drilled, as will be discussed below. The particles function in the method according to the invention to absorb a large part of the excess electron beam energy when this beam penetrates the exit surface 6.

Organische bindmiddelenOrganic binders

Het bindmiddel, dat wordt gebruikt in de steunlaag, 20 zal enigermate afhangen van de diepte van de te boren opening. Voor ondiepe gaten, d.w.z. openingen van een diepte minder dan 2,54 mm, verdient een bindmiddel van thermoplastisch polymeer de voorkeur. Verschillende soorten thermoplastische polymeren zijn bruikbaar in de steunlaag, 25 waaronder, zij het niet beperkt daartoe, elastomeren, harsen, en wassen, alsook natuurlijke en synthetische polymeren. Thermoplastische polymeerbindmiddelen, die de voorkeur hebben, zijn polyvinylchloride, polyethyleenglycol, polyvinylalcohol, en was. Hoewel dit in het algemeen 30 niet de voorkeur heeft, kunnen ook thermohardende polymeren in sommige gevallen toepassing vinden in de steunlaag.The binder used in the backing layer will depend to some extent on the depth of the hole to be drilled. For shallow holes, i.e. openings of depth less than 2.54 mm, a thermoplastic polymer binder is preferred. Different types of thermoplastic polymers are useful in the backing layer, including, but not limited to, elastomers, resins, and waxes, as well as natural and synthetic polymers. Preferred thermoplastic polymeric binders are polyvinyl chloride, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, and wax. While this is generally not preferred, thermosetting polymers may also find use in the backing layer in some instances.

De verwekings- en smelttemperaturen van het gebruikte polymeer moeten voldoende hoog zijn, opdat gedurende het boren de overmaat energie, geabsorbeerd door het bindmiddel, 35 dit niet algemeen of op grote schaal in uitzonderlijke mate verweekt of smelt, waardoor verlies van adhesie zou worden veroorzaakt of delaminatie van de steunlaag.The softening and melting temperatures of the polymer used must be sufficiently high that during drilling the excess energy absorbed by the binder will not soften or melt excessively or widely, thereby causing loss of adhesion or delamination of the support layer.

Het spreekt vanzelf, dat het gedeelte van de steunlaag, dat plaatselijk wordt getroffen door de elektronenbundel, 40 zal smelten en verdampen. Nadat het boren van het gat is 800 2 8 42 -7- voltooid, wordt de steunlaag weggenomen van het oppervlak 6 van het werkstuk. Hiertoe moet het polymeerbindmiddel verwijderbaar zijn van de steunlaag, bijv. door verhitten, oplossen, afpellen of dergelijke.It goes without saying that the portion of the backing layer locally hit by the electron beam will melt and evaporate. After hole drilling 800 2 8 42 -7- is completed, the backing layer is removed from the surface 6 of the workpiece. For this purpose, the polymer binder must be removable from the backing layer, e.g. by heating, dissolving, peeling or the like.

5 Polymeerbindmiddelen, die in het bijzonder de voorkeur verdienen voor toepassing bij het vervaardigen van een flexibele steunlaag, zijn een commerciële flexibele was, bekend als Cerita 1003 Dipping Wax, vervaardigd door Argueso Corporation of Mamaroneck, New York, en een 10 geplastificeerde polyvinylchloridepolymeer. Aan de andere kant kan een half-stijve steunlaag bij voorkeur worden gevormd van een thermoplastische hars bekend als WINF, eveneens vervaardigd door Argueso Corporation.Particularly preferred polymeric binders for use in manufacturing a flexible backing are a commercial flexible wax, known as Cerita 1003 Dipping Wax, manufactured by Argueso Corporation of Mamaroneck, New York, and a plasticized polyvinyl chloride polymer. On the other hand, a semi-rigid backing layer may preferably be formed from a thermoplastic resin known as WINF, also manufactured by Argueso Corporation.

Met betrekking tot het belang van de verwekings-Γ5 of smelttemperatuur bij de selectie van het bindmiddel is volgens de uitvinding gebleken, dat, wanneer constructies moeten worden geboord met een hoge dichtheid aan gaten, het WINF de voorkeur verdient boven de Cerita 1003 was, aangezien deze laatste eerder onderhevig is aan algemeen 20 verweken en smelten ten gevolge van warmte, geaccumuleerd gedurende het herhaalde boren.Regarding the importance of the softening smelt5 or melting temperature in the selection of the binder, it has been found according to the invention that when constructions are to be drilled with a high density of holes, the WINF is preferred over the Cerita 1003, since the latter is subject to general softening and melting due to heat accumulated during repeated drilling.

Een geschikte techniek voor het verkrijgen van de polymeer-gebonden steunlaag aan het buitenoppervlak bestaat eruit, dat het deeltjesmateriaal wordt gemengd in het 25 polymeer in vloeibare toestand, waarna dit mengsel wordt aangebracht aan het oppervlak in de vorm van een pasta of suspensie door middel van een troffel, borstelen, opsproeien, injectie, of een dergelijk proces, gevolgd door harden tot een vaste steunlaag. Nadat dit gebeurd is, 30 is het bindmiddel in innig contact en aanhechting aan een schoon werkstukoppervlak.A suitable technique for obtaining the polymer-bonded backing on the outer surface is that the particulate material is mixed into the polymer in the liquid state, after which this mixture is applied to the surface in the form of a paste or suspension by means of a trowel, brushing, spraying, injection, or the like, followed by curing to a solid backing. After this is done, the binder is in intimate contact and adhesion to a clean workpiece surface.

(Vanzelfsprekend kan aanhechting opzettelijk worden voorkomen door een ongewoon vuil werkstuk of door de aanwezigheid van een niet-opnemende film op het werkstuk.) 35 De uitvoeringsvorm van het ter plaatse formeren van een steunlaag, welke de meeste voorkeur verdient, houdt het aanhechten in van de steunlaag aan het werkstuk, maar het is niet noodzakelijk, dat dit aanhechten wordt bereikt binnen het kader van de uitvinding. Er is gebleken, 40 dat het nodig is om een redelijke mate van gasdrukverze- 800 2 8 42 - 8 - geling te verkrijgen tussen de steunlaag en het werkstuk, opdat de verdampte of vergaste steunlaagbestanddelen worden gedwongen door het geboorde gat in plaats van dat zij vrijkomen via hetzij een permeabele steunlaag, of via een 5 ruimte tussen het werkstuk en de steunlaag. Zoals de volgende illustratie laat zien, kan dit worden bereikt door gebruik te maken van een afzonderlijk gevormde steunlaag van voldoende meegevendheid om te accomoderen aan onregelmatigheden aan het werkstukoppervlak in combinatie met 10 een middel voor het op elkaar drukken van het werkstuk en de steunlaag. Als verdere mogelijkheid kan een afzonderlijk gevormde steunlaag worden verbonden met een werkstuk door gebruikmaking van een film adhesief materiaal in een aard overeenkomstig aan het bindmiddel.(Obviously, adhesion may be intentionally prevented by an unusually dirty workpiece or by the presence of a non-absorbent film on the workpiece.) The most preferred in-situ formation of a backing layer involves the adhesion of the backing to the workpiece, but it is not necessary that this adhesion be achieved within the scope of the invention. It has been found, 40, that it is necessary to obtain a reasonable amount of gas pressure seal between the backing layer and the workpiece for the evaporated or gasified backing layer components to be forced through the drilled hole instead of released through either a permeable backing, or through a space between the workpiece and backing. As the following illustration shows, this can be accomplished by using a separately formed backing layer of sufficient compliance to accommodate workpiece surface irregularities in combination with a means of pressing the workpiece and backing layer together. As a further possibility, a separately formed backing layer can be bonded to a workpiece using a film adhesive material in a nature similar to the binder.

15 De noodzakelijke dikte van de steunlaag kan variëren met het bindmiddel en het deeltjesmateriaal, de dikte van het te boren werkstuk, en de bundelkarakteristie-ken. Gebleken is, dat diktes van 1,54 tot 6,35 mm bevredigend zijn, waarbij de grotere diktes samengaan met geringe 20 percentages deeltjesmateriaal, dikkere werkstukken en hogere bundelintensiteiten.The necessary thickness of the backing layer may vary with the binder and particulate material, the thickness of the workpiece to be drilled, and the beam characteristics. It has been found that thicknesses from 1.54 to 6.35 mm are satisfactory, the larger thicknesses being associated with low 20 percent particulate matter, thicker workpieces and higher beam intensities.

Flexibele bindmiddelmaterialen zijn in het bijzonder van belang, wanneer flexibele werkstukken in de vorm van stroken, vellen, e.d. moeten worden aangebracht 25 op een cilindervormige trommelvormige bevestiging voor het . boren. In deze toestand wordt een stuk van het flexibele bindmateriaal samen met daarin gedispergeerde deeltjes geëxtrudeerd tot een velvorm. Het flexibele steunvel wordt vervolgens geplaatst op het uittree-oppervlak van een 30 flexibele vlakke metalen werkstukstrook, en het samenstel wordt vervolgens gewikkeld om een trommelbevestiging, waarbij het vrije oppervlak van het steunvel in contact is met de trommel. Het samenstel wordt vervolgens geplaatst in een elektronenbundelapparaat en geboord. Na het gaten 35 boren wordt de gebruikte steunlaag op geschikte wijze afgepeld, gestript, of opgelost vanaf het metalen werkstuk. Daarna kan als gevolg van het voordeel, verschaft door de uitvinding, het steunmateriaal gemakkelijk worden hervormd tot verder steunmateriaal voor een verder dergelijk 40 gebruik.Flexible binder materials are particularly important when flexible workpieces in the form of strips, sheets, etc., are to be applied to a cylindrical drum-shaped attachment for the purpose. drill. In this state, a piece of the flexible bonding material together with particles dispersed therein is extruded into a sheet form. The flexible backing sheet is then placed on the exit surface of a flexible flat metal workpiece strip, and the assembly is then wrapped around a drum mount, the free surface of the backing sheet being in contact with the drum. The assembly is then placed in an electron beam device and drilled. After drilling holes, the used backing layer is suitably peeled, stripped, or dissolved from the metal workpiece. Thereafter, as a result of the advantage provided by the invention, the support material can be easily transformed into further support material for further such use.

800 2 8 42 - 9 -800 2 8 42 - 9 -

Een voorkeursmethode voor het verwijderen van het steunlaagmateriaal is door het converteren van de steunlaag tot vloeibare toestand, ten minste gedeeltelijk. Zoals hier gebruikt betekent vloeistof een toestand, 5 waarin de steunlaag zich in wezen gedraagt als een vloeistof, maar het is vanzelfsprekend duidelijk, dat noch het deeltjesmateriaal, noch al het bindmateriaal een vloeistof behoeft te zijn om aan de doeleinden van de uitvinding te beantwoorden. Wanneer het steunlaagmateriaal 10 wordt geconverteerd tot een vorm, waarin het zich gedraagt als een vloeistof, is het vrij wegneembaar van het werkstuk door de werking van zwaartekracht of andere stromings-inducerende middelen.A preferred method of removing the backing layer material is by converting the backing layer to a liquid state, at least in part. As used herein, liquid means a state in which the backing layer essentially behaves like a liquid, but it is understood that neither the particulate material nor all the binder material need be a liquid to meet the purposes of the invention. When the backing layer material 10 is converted to a shape in which it behaves like a liquid, it is freely removable from the workpiece by the action of gravity or other flow-inducing means.

Volgens de uitvinding is gebleken, dat van de 15 eerder genoemde polymeersteunlaagmaterialen voor het WINF of Cerita 1003 materiaal verhitting tot het tempera-tuurgebied van 79,4-148,9°C voldoende is om er voor te zorgen, dat deze steunlagen vrij kunnen vloeien van het werkstuk. De verwijdering wordt gemakkelijk tot stand 20 gebracht door indompeling in heet water, van waaruit de ondervermengbare gesmolten polymeren en het daarin bevatte deeltjesmateriaal gemakkelijk kan worden teruggewonnen door afschuimen of koelen en stollen. Andere convectie, conductie en stralingsverhittingsverwijderings-25 middelen zullen de vakman duidelijk zijn. Voorbeelden zijn ovenverhitting en microgolfstraling. Alternatief kan een oplosmiddel worden gebruikt teneinde het bindmiddel op te lossen. Het deeltjesmateriaal van de steunlaag komt daarbij gesuspendeerd of bezonken in de oplossing.According to the invention, it has been found that heating of the aforementioned polymeric backing materials for the WINF or Cerita 1003 material to the temperature range of 79.4-148.9 ° C is sufficient to allow these backing layers to flow freely. of the workpiece. The removal is easily accomplished by immersion in hot water, from which the immiscible molten polymers and the particulate material contained therein can be easily recovered by skimming or cooling and solidification. Other convection, conduction, and radiant heat removal means will be apparent to those skilled in the art. Examples are oven heating and microwave radiation. Alternatively, a solvent can be used to dissolve the binder. The particulate material of the backing layer is suspended or settled in the solution.

30 Verwijdering van de opgeloste stof, bijv. door destillatie, zal het steunlaagmateriaal tot zijn oorspronkelijke vorm terugbrengen. Voorbeelden hiervan zijn oplossen van polyvinylalcohol in water, of een paraffinebasiswas in trichloorethyleen. Een dampontvettingsprocedure is in 35 dit laatste geval geschikt. Verder kunnen steunmaterialen worden gedesintegreerd tot de vloeibare toestand door werking van een zuur of alkali. Al deze oplossingsprocessen kunnen worden gekarakteriseerd als logen.Removal of the solute, eg by distillation, will return the backing material to its original shape. Examples of this are dissolving polyvinyl alcohol in water, or a paraffin base wax in trichlorethylene. A vapor degreasing procedure is suitable in the latter case. Furthermore, support materials can be disintegrated to the liquid state by the action of an acid or alkali. All of these solution processes can be characterized as caustics.

Anorganische bindmiddelen 40 Voor het boren van diepe gaten, bijv. groter dan 800 2 8 42 - 10 - 2,54 mm, in het bijzonder gesmede nikkellegeringen, bevat de steunlaag bij voorkeur een anorganisch bindmiddel met of zonder een verdampbaar vloeibaar verdunningsmiddel.Inorganic binders 40 For drilling deep holes, eg larger than 800 2 8 42 - 10 - 2.54 mm, especially forged nickel alloys, the backing layer preferably contains an inorganic binder with or without an evaporable liquid diluent.

De anorganische bindmiddelen funktioneren op dezelfde 5 wijze als eerdergenoemd voor de organische bindmiddelen, dat wil zeggen beide binden het deeltjesmateriaal aan zichzelf voor het vormen van de steunlaag, en wanneer ter plaatse gevormd, de steunlaag aan het uittree-oppervlak van het werkstuk. Het is niet nodig om steunlagen met an-10 organisch bindmiddel te verhitten bij zeer hoge temperaturen voor het verkrijgen van een bruikbare steunlaag of om adhesie aan het werkstuk te verkrijgen, wanneer gebruik gemaakt wordt van geschikte bindmiddelen zoals natrium-silicaat, natriumaluminaat, of natriumfosfaat, e.d.The inorganic binders function in the same manner as mentioned above for the organic binders, ie both bind the particulate material to themselves to form the backing layer, and when formed in situ, the backing layer at the exit surface of the workpiece. It is not necessary to heat backing layers with an-10 organic binder at very high temperatures to obtain a useful backing layer or to obtain adhesion to the workpiece when using suitable binders such as sodium silicate, sodium aluminate, or sodium phosphate , ed

15 Deze bindmiddelen worden gemengd met deeltjesmateriaal kenmerkend in aanwezigheid van waterverdunningsmiddel.These binders are mixed with particulate material typically in the presence of water diluent.

Het hiervoor genoemde natriumsilicaat is kenmerkend voor een anorganisch polymeer. Andere in oplosmiddel oplosbare verbindingen zullen de vakman duidelijk zijn. Het is 20 vanzelfsprekend vereist, dat het anorganische bindmiddel niet in nadelige zin reageert met het deeltjesmateriaal bij het mengen, noch met het werkstuk gedurende het gaten boren. Verder moet het bindmiddel verwijdering van de steunlaag door vloeibaar-making mogelijk maken. Anorganische 25 bindmiddel-bevattende steunlaagmaterialen worden aangebracht op een overeenkomstige manier als beschreven voor de steunlagen met een polymeer bindmiddel.The aforementioned sodium silicate is characteristic of an inorganic polymer. Other solvent-soluble compounds will be apparent to those skilled in the art. Obviously, it is required that the inorganic binder does not adversely react with the particulate material during mixing, nor with the workpiece during hole drilling. Furthermore, the binder must allow removal of the backing layer by liquefaction. Inorganic binder-containing backing layer materials are applied in a similar manner as described for the backing layers with a polymeric binder.

Het bindmiddel wordt toegevoegd in hoeveelheden, vereist voor het verkrijgen van een hechte binding van 30 de deeltjes aan elkaar en aan het werkstukoppervlak. In een mengsel van natriumsilicaat-vloeibare binder en een keramisch deeltjesmateriaal, zoals aluminiumoxyde of zirkoniumoxyde zal het natriumsilicaat bijv. aanwezig zijn in hoeveelheden van ongeveer 25 tot 40 gew. % van 35 de gemengde suspensie. Natriumsilicaat is een voorkeursbindmiddel, aangezien een steunlaag, die dit bindmiddel bevat, gemakkelijk kan worden verwijderd van het laatst gepenetreerde oppervlak na het boren door oplossen in heet water. Steunlagen, die andere bindmiddelen gebruiken, bijv. 40 colloïdaal siliciumdioxyde, kunnen gemakkelijk worden 800 2 8 42 - liver wij der d door oplossen in geschikte zuren of alkali's, die vanzelfsprekend materialen zijn met een pH, aanzienlijk afwijkend van 7 en die moeten worden gekozen met het oog op een ontbreken van nadelige werking op het werkstuk.The binder is added in amounts required to obtain a tight bond of the particles to each other and to the workpiece surface. For example, in a mixture of sodium silicate liquid binder and a ceramic particulate material, such as aluminum oxide or zirconium oxide, the sodium silicate will be present in amounts of about 25 to 40 wt. % of the mixed suspension. Sodium silicate is a preferred binder since a backing containing this binder can be easily removed from the last penetrated surface after drilling by dissolving in hot water. Backing layers using other binders, eg 40 colloidal silicon dioxide, can easily become 800 2 8 42 - liver wide by dissolving in suitable acids or alkalis, which are of course materials with a pH significantly different from 7 and should be selected in view of a lack of adverse effect on the workpiece.

5 Al de bovengenoemde oplosbewerkingen zijn te karakteriseren als loogbewerking.All the above solving operations can be characterized as leaching operations.

Het vloeibare verdunningsmiddel, dat kan worden gebruikt bij de bereiding van de suspensie of pasta, kan elk compatibel verdunningsmiddel zijn, waaronder water 10 of organische vloeistoffen of mengsels daarvan. Het hoofdvereiste van het vluchtige verdunningsmiddel is, dat het redelijk veilig in gebruik is, niet duur, en voldoende vloeibaar bij gewone temperaturen om te werken als een dispersiemiddel voor het deeltjesmateriaal, opdat 15 de suspensie gemakkelijk kan worden aangebracht op het werkstukoppervlak, terwijl er tegelijkertijd een voldoende vluchtigheid is om te verdampen, wanneer de suspensie wordt blootgesteld aan atmosferische of overdroogomgeving. Vanzelfsprekend kan het soort of de hoeveelheid van het 20 vloeibare verdunningsmiddel, dat wordt gebruikt voor het bereiden van de suspensie of pasta, worden ingesteld om te voldoen aan een gewenste applicatietechniek zoals borstelen, troffelbewerking, opsproeien, dompelen, of andere geschikte middelen voor het verspreiden van de suspensielaag 25 op het uittree-oppervlak. In het geval van een hol deel of een met een ontoegankelijk uittree-oppervlak, kan het steunmateriaal worden aangebracht door ingieten, inpersen, injectiespuiten of iets dergelijks. Andere methoden voor het aanbrengen van de suspensie op het werkstukoppervlak zullen 30 de vakman gemakkelijk duidelijk zijn. Verder kunnen steun-lagen separaat worden gevormd zoals eerder beschreven.The liquid diluent that can be used in the preparation of the suspension or paste can be any compatible diluent, including water or organic liquids or mixtures thereof. The main requirement of the volatile diluent is that it is fairly safe to use, inexpensive, and sufficiently liquid at ordinary temperatures to act as a dispersant for the particulate material, so that the slurry can be easily applied to the workpiece surface, while at the same time is volatile enough to evaporate when the suspension is exposed to atmospheric or drying conditions. Of course, the type or amount of the liquid diluent used to prepare the suspension or paste can be adjusted to meet a desired application technique such as brushing, trowel, spraying, dipping, or other suitable means for spreading of the suspension layer 25 on the exit surface. In the case of a hollow part or one with an inaccessible exit surface, the support material can be applied by grouting, squeezing, syringes or the like. Other methods of applying the slurry to the workpiece surface will be readily apparent to those skilled in the art. Furthermore, backing layers can be formed separately as previously described.

Zoals hierboven opgemerkt, kan de steunlaag separaat worden gevormd, of aangebracht aan het uittree-oppervlak als een vaste film, bijv. een geëxtrudeerde film, of als 35 een vloeistof of suspensiebekleding teneinde vervolgens ter plaatse vast te worden. De dikte van de steunlaag kan variëren met de diepte van het voort te brengen gat en met de energie van de opvallende elektronenbundel. Voor gaten met een diepte minder dan 2,54 mm is een dikte in 40 het gebied van ongeveer 1,52 tot 3,18 mm bevredigend gebleken.As noted above, the backing layer can be formed separately, or applied to the exit surface as a solid film, eg, an extruded film, or as a liquid or slurry coating to then be solidified on site. The thickness of the support layer can vary with the depth of the hole to be produced and with the energy of the striking electron beam. For holes with a depth less than 2.54 mm, a thickness in the range of about 1.52 to 3.18 mm has been found to be satisfactory.

800 2 8 42 - 12 -800 2 8 42 - 12 -

Voor diepere gaten worden diktes van de orde van 1,52 tot 6,35 mm gebruikt. Vanzelfsprekend zal de vereiste dikte afhangen van het soort en de hoeveelheid van het deeltjesmateriaal dat wordt gebruikt, het soort bindmiddel, alsook 5 de bundelenergie vereist voor het produceren van een gegeven gat in een speciaal werkstuk.For deeper holes, thicknesses of the order of 1.52 to 6.35 mm are used. Obviously, the required thickness will depend on the type and amount of the particulate material used, the type of binder, as well as the beam energy required to produce a given hole in a special workpiece.

De hoeveelheid deeltjesmateriaal kan worden gevarieerd voor het verkrijgen van de gewenste energie-absorptie en verdampingscapaciteit. Met een anorganisch 10 bindmiddel zoals natriumsilicaat kan een deeltjesmateriaal zoals aluminiumoxyde, zirkoniumoxyde of glas aanwezig zijn in hoeveelheden van ongeveer 60 tot 75 gew. % van de gemengde suspensie.The amount of particulate material can be varied to obtain the desired energy absorption and evaporation capacity. With an inorganic binder such as sodium silicate, a particulate material such as aluminum oxide, zirconium oxide or glass can be present in amounts from about 60 to 75 wt. % of the mixed suspension.

Deeltj esmaterialen 15 De steunlagen volgens de uitvinding vinden speciaal gebruik bij het boren van één of meer gaten in holle delen of mutiple wanddelen, waarbij, nadat de bundel één wand heeft gepenetreerd, deze kan voortgaan om op ongewenste wijze de andere tegenovergelegen wand te treffen.Particulate Materials The support layers of the invention find special use in drilling one or more holes in hollow or mutiple wall sections, where, after the bundle has penetrated one wall, it can proceed to undesirably hit the other opposite wall.

20 In dergelijke gevallen dient de steunlaag een geschikte eigenschap te hebben om de penetratie te weerstaan, waarbij de gewenste graad wordt bepaald door de te vullen ruimte.In such cases, the backing should have a suitable property to withstand penetration, with the desired degree determined by the space to be filled.

Veel verschillende samenstellingen van deeltjesmaterialen kunnen worden gebruikt. Zoals bovengenoemd 25 dienen metaalpoeders te worden vermeden met het oog op een mogelijk legering legering met het werkstuk, maar zij zijn volledig geschikt voor een niet kritische toepassing. Keramische deeltjesmaterialen zoals aluminiumoxyde, zirkoniumoxyde, siliciumdioxyde zijn in het bijzonder geschikt 30 gevonden in vergelijking met metalen. Glasdeeltjes zijn eveneens bijzonder bruikbaar gebleken. Het speciale soort en de grootte wordt gekozen in overeenstemming met commerciële verkrijgbaarheid, de vereiste voor een adequate viscositeit in de vloeibare suspensie, die wordt gebruikt 35 voor het vormen van de steunlaag, en het deeltjesmateriaal. Ronde en onregelmatige korrelvorm z ijn bruikbaar zonder dat daarbij een speciaal onderscheid behoeft te worden gemaakt. Deeltjesmaterialen met deeltjes, die kleiner zijn dan 175 micron, wordèn het meest gebruikt, terwijl sommige 40 met een deeltjesgrootte van gemiddeld 5 micron nog bruik- 800 2 8 42 - 13 - baar zijn. Vanzelfsprekend is het bekend, dat het speciale gewichtspercentage, dat kan worden gebruikt bij een bindmiddel in een dichte struktuur, afhangt van de deeltjesgrootteverdeling, maar dit aspect is bij de 5 uitvinding niet specifiek geëvalueerd.·Many different compositions of particulate materials can be used. As mentioned above, metal powders should be avoided in view of a possible alloying of the workpiece, but they are fully suitable for a non-critical application. Particulate ceramic materials such as aluminum oxide, zirconium oxide, silicon dioxide have been found particularly suitable compared to metals. Glass particles have also proved particularly useful. The special kind and size is chosen in accordance with commercial availability, the requirement for adequate viscosity in the liquid suspension used to form the backing, and the particulate material. Round and irregular grain shape can be used without the need to make a special distinction. Particle materials with particles smaller than 175 microns are most commonly used, while some 40 with an average particle size of 5 microns are still usable. Obviously, it is known that the special weight percentage that can be used with a binder in a dense structure depends on the particle size distribution, but this aspect has not been specifically evaluated in the invention.

Hoewel de uitvinding in de figuren is getoond als bruikbaar voor het boren van een gat, waarvan de lengteas loodrecht staat op de werkstukoppervlakken, zal het duidelijk zijn, dat met de uitvinding ook één of meer 10 gaten, waarvan de lengteassen geheld staan ten opzichte van de werkstukoppervlakken kunnen worden verkregen.Although the invention is shown in the figures as useful for drilling a hole, the longitudinal axis of which is perpendicular to the workpiece surfaces, it will be understood that with the invention also one or more holes, the longitudinal axes of which are inclined with respect to the workpiece surfaces can be obtained.

Dergelijke gaten moeten vanzelfsprekend gaan door een grotere effektieve dikte van dit materiaal. Verder vormt de acute hoek, gevormd door het met elkaar snijden van 15 het gat en de uittreeopening een ongewone omstandigheid, die het duidelijk maakt, dat dergelijke gaten moeilijk perfekt te maken zijn. De steunlagen volgens de uitvinding, in het bijzonder die, welke keramisch deeltjesmateriaal bevatten samengebonden aan het werkstukoppervlak door 20 een bindmiddel zoals natriumsilicaat of WINF, zijn geschikt gebleken om dergelijke gehelde gaten te boren met een nagenoeg uniforme symmetrie door een nikkel of kobaltbasislegeringswerkstukwand, waarvan de gatdiepte groter is dan 2,54 mm.Such holes must of course go through a greater effective thickness of this material. Furthermore, the acute angle formed by cutting the hole and the outlet opening together forms an unusual circumstance which makes it clear that such holes are difficult to make perfectly. The support layers of the invention, particularly those containing ceramic particulate material bonded to the workpiece surface by a binder such as sodium silicate or WINF, have proven suitable for drilling such slanted holes with substantially uniform symmetry through a nickel or cobalt base workpiece wall, the hole depth is greater than 2.54 mm.

25 VOORBEELDEN25 EXAMPLES

De bovengenoemde combinaties van bindmiddel en deeltjesmateriaal en nog veel meer van een dergelijke aard, toerden geëvalueerd. Voor de verdere beschrijving van de toepassing van de uitvinding is het volgende 30 illustratief.The above-mentioned combinations of binder and particulate matter and many more of such a nature have been evaluated. For the further description of the application of the invention, the following is illustrative.

Een Stiegerwald elektronenbundelgatenboorapparaat model G-10P-K6 werd gebruikt met een versnellingsspanning van 120 kilovolt, een bundelstroom van 50 milliampère, en een enkele pulsduur van 1 milliseconde voor het boren , 35 van een gat met een diameter van 0,635 mm in een 0,558 mm dik veel van AMS 5544 Waspaloy gesmeed nikkellegeringsvel.A Stiegerwald electron beam hole drilling machine model G-10P-K6 was used with an accelerating voltage of 120 kilovolts, a beam current of 50 milliamps, and a single pulse duration of 1 millisecond for drilling, 35 of a hole with a diameter of 0.635 mm in a 0.558 mm thick lots of AMS 5544 Waspaloy forged nickel alloy sheet.

In één voorbeeld moest een vlakke plaat van ongeveer 122 bij 7,6 cm worden geboord. Voorafgaand aan de assembler ing voor het boren werden 100 gew. dln. Cerita 1003 40 was verhit tot ongeveer 60°C en werden 110 gew. dln.In one example, a flat plate approximately 122 by 7.6 cm had to be drilled. Before the drilling assembly, 100 wt. parts. Cerita 1003 40 was heated to about 60 ° C and 110 wt. parts.

800 2 8 42 -14- natronglasdeeltjesmateriaal van nominaal 175 micron deeltjesgrootte geroerd, waarbij de viscositeit door de temperatuur werd geregeld voor het verkrijgen van een gelijkmatige suspensie. Het mengsel werd gekoeld om een 5 blok te vormen, dat vervolgens werd geëxtrudeerd door een 35°C rechthoekige extrusievorm in kamerlucht teneinde een steunlaag te vormen van 1,75 mm dik met een nominale lengte . gelijk aan die van de te boren metaalplaat. De steunlaag werd stevig rond een aluminium trommelboorbevestiging 10 gewikkeld en het metalen vel werd vervolgens rond de steunlaag gewikkeld en stevig gespannen om een innig contact te krijgen. Het samenstel werd vervolgens geplaatst in het gatenboorapparaat en het gewenste aantal gaten werd geboord. Na verwijdering uit de machine werden de spanorganen vrij-15 gemaakt en het metalen vel verwijderd van de trommel. Gewoonlijk was de steunlaag licht vastgehecht aan het velmetaal en kon deze worden verwijderd door afpellen, in het alternatieve geval kon afschrappen met een gereedschap zorgen voor de verwijdering. Het steunlaagmateriaal werd 20 vervolgens gesmolten tot een blok voor verdere extrusie en hergebruik.800 2 8 42 -14- sodium glass particulate material of nominally 175 micron particle size stirred, the viscosity being temperature controlled to obtain an even suspension. The mixture was cooled to form a block, which was then extruded through a 35 ° C rectangular extrusion mold in room air to form a backing of 1.75 mm thick with a nominal length. equal to that of the metal sheet to be drilled. The backing layer was wrapped tightly around an aluminum drum drill bit attachment 10, and the metal sheet was then wrapped around the backing layer and tightly tensioned to achieve intimate contact. The assembly was then placed in the hole drilling machine and the desired number of holes were drilled. After removal from the machine, the tensioners were released and the metal sheet removed from the drum. Usually the backing layer was lightly adhered to the sheet metal and could be removed by peeling, alternatively scraping with a tool could allow for the removal. The backing layer material was then melted into a block for further extrusion and reuse.

In een ander voorbeeld was het te boren metaal in de vorm van een aan één eind gesloten buis. Een WINF thermoplastisch polymeer bij 121-125°C werd gemengd met 25 een hoeveelheid van natronglas met een deeltjesgrootte van 175 micron in een hoeveelheid die zorgde voor 60 gew. % glas. Het poeder werd geroerd in het vloeibare WINF en het resulterende mengsel werd onder druk geïnjecteerd in de buis, die was verhit op 149°C. Daarna kon vacuum 30 worden gebruikt om de verwijdering van ingevangen lucht te waarborgen. Het steunmateriaal werd afgekoeld in lucht, teneinde ten minste het oppervlak ervan vast te doen worden, en de buis werd vervolgens gedompeld in koel water teneinde het koelen te versnellen. Na het boren werd de buis verhit 35 tot 149°C in lucht, teneinde er voor te zorgen, dat het steunmateriaal afvloeide van de buis naar een collector voor hergebruik. Het bestand van de steunlaag, dat achterbleef in de buis, werd verwijderd door middel van een dampontvetter, die perchloorethyleen bevatte, vermeerderd 40 door met vloeistof doorspoelen.In another example, the metal to be drilled was in the form of a tube closed at one end. A WINF thermoplastic polymer at 121-125 ° C was mixed with an amount of sodium glass with a particle size of 175 microns in an amount that provided 60 wt. % glass. The powder was stirred in the liquid WINF and the resulting mixture was injected under pressure into the tube heated to 149 ° C. Vacuum 30 could then be used to ensure the removal of trapped air. The support material was cooled in air to at least solidify its surface, and the tube was then dipped in cool water to accelerate cooling. After drilling, the tube was heated 35 to 149 ° C in air to cause the support material to drain from the tube to a collector for reuse. The backing layer residue remaining in the tube was removed by a vapor degreaser containing perchlorethylene, increased by liquid flushing.

800 2 8 42 f - 15 -800 2 8 42 f - 15 -

Een ander meer specifiek voorbeeld van het voorgaande is het boren van een holle gasturbinevleugel.Another more specific example of the foregoing is the drilling of a hollow gas turbine wing.

De inwendige holte wordt gevuld met een steunlaag 18, welke bestaat uit een anorganisch niet metallisch 5 deeltjesmateriaal, zoals de eerdergenoemde glas en was combinatie. Voor zover het inwendig is gevuld, is de steunlaag in intiem contact met het inwendige holteoppervlak 20. Zodoende kan een gat 21 worden geboord bij elk punt over de vleugel door een bundel 22 te richten op het 10 uitwendige oppervlak 24. Wanneer de bundel doordringt door de vleugel in de steunlaag, wordt er dampdruk vanaf het bindmiddel gegenereerd, waardoor gesmolten vleugel-materiaal van het gatingangsoppervlak wordt uitgedreven op het uitwendige van de vleugel. Overmaat energie 1'5‘ wordt geabsorbeerd door het steunmiddel, dat de holte vult, en daardoor wordt verhinderd, dat de bundel de tegenover gelegen wand 26 van de vleugel kan treffen en beschadigen. Zodoende kan op dezelfde wijze een groot aantal gaten worden geboord in de luchtvleugel teneinde 20 een bekend transpiratiegekoeld gasturbine-onderdeel te vervaardigen.The internal cavity is filled with a backing layer 18, which consists of an inorganic non-metallic particulate material, such as the aforementioned glass and wax combination. As far as it is filled internally, the backing layer is in intimate contact with the interior cavity surface 20. Thus, a hole 21 can be drilled at any point across the wing by directing a bundle 22 on the exterior surface 24. When the bundle penetrates through the wing in the backing layer, vapor pressure is generated from the binder, expelling molten wing material from the hole entrance surface to the exterior of the wing. Excess energy 1'5 "is absorbed by the support means filling the cavity, thereby preventing the beam from hitting and damaging the opposite wall 26 of the wing. Thus, a large number of holes can be drilled in the air wing in the same manner in order to produce a known transpiration cooled gas turbine part.

In een ander voorbeeld wordt een nikkelsuper-legering-gietstuk geboord onder gebruikmaking van boor-parameters analoog aan die gebruikt voor het vel, waarbij 25 het dikteverschil in rekening wordt genomen.In another example, a nickel superalloy casting is drilled using drilling parameters analogous to those used for the sheet, taking into account the thickness difference.

Voor het boren wordt een steunlaag met een polyvinylalcoholbindmiddel ter plaatse gevormd. Een licht-gehydrolyseerd polyvinylalcoholpoeder van commerciële kwaliteit wordt gemengd met 9 delen koud water. Dit 30 mengsel wordt verhit tot ongeveer 90°C teneinde het poeder volledig op te lossen. Hieraan wordt toegevoegd 150-175 microndeeltjes-grootte natronglas in een hoeveelheid voldoende om het gewicht van de deeltjesgrootte in de suspensie op 70 % te brengen. De resulterende sus-35 pensie wordt vervolgens aangebracht op de buitenzijde van het werkstuk door middel van troffelbewerking tot een dikte van ongeveer 5,08 mm, en aan lucht gedroogd.A backing layer with a polyvinyl alcohol binder is formed on site before drilling. A commercial grade light hydrolyzed polyvinyl alcohol powder is mixed with 9 parts of cold water. This mixture is heated to about 90 ° C to completely dissolve the powder. To this is added 150-175 micron particle size sodium glass in an amount sufficient to bring the weight of the particle size in the suspension to 70%. The resulting suspension is then applied to the outside of the workpiece by trowel to a thickness of about 5.08 mm, and air dried.

In een ander voorbeeld heeft de steunlaag een natriumsilicaatbindmiddel, waaraan is toegevoegd een 40 hoeveelheid van minus 175 micron natronglaspoeder voor het 800 2 8 42 - 16 - vormen van een suspensie, waarin het gewicht van het poeder ongeveer 60 % bedraagt. De suspensie wordt vervolgens over het werkstuk gegoten en aan lucht gedroogd.In another example, the backing layer has a sodium silicate binder, to which is added an amount of minus 175 microns of sodium glass powder to form a slurry, wherein the weight of the powder is about 60%. The suspension is then poured over the workpiece and air dried.

Na in beide gevallen te hebben geboord, wordt 5 het werkstuk geplaatst in heet water bij 88°C, waarbij het bindmiddel oplost en het deeltjesmateriaal vrij valt, en de steunlaag wordt verwijderd.In either case, after drilling, the workpiece is placed in hot water at 88 ° C, dissolving the binder and freeing the particulate material, and removing the backing.

Het zal de vakman duidelijk zijn, dat de steunlagen volgens de uitvinding eveneens kunnen worden gebruikt in 10 andere bewerkingsprocessen, waarbij gebruikt gemaakt wordt van een energiebundel voor het effektuëren van verwijdering van materiaal door een werkstuk, bijv. laser- of ionenboring. Het zal de vakman eveneens duidelijk zijn, dat de uitvinding kan worden toegepast op het boren van andere 15 materialen dan de metalen, die werden gebruikt voor het toelichten van een voorkeursuitvoering. Verder zal het duidelijk zijn, dat onder speciale omstandigheden materiaal van de steunlaagsamenstelling kan worden aangebracht aan de ingangszijde van het werkstuk teneinde het aanhechten 20 van spetters en baarden te vermijden op een wijze overeenkomstig aan die beschreven in het Amerikaanse octrooischrift ,4.156.807. Andere wijzigingen, toevoegingen, en omissies kunnen worden gemaakt bij de voorkeursuitvoeringen zonder daardoor te treden buiten het kader van de uitvinding.It will be clear to the person skilled in the art that the support layers according to the invention can also be used in other machining processes, using an energy beam for effecting removal of material through a workpiece, eg laser or ion drilling. It will also be apparent to those skilled in the art that the invention may be applied to drilling materials other than the metals used to illustrate a preferred embodiment. Furthermore, it will be appreciated that under special circumstances, material of the backing layer composition may be applied to the entry side of the workpiece to avoid adhesion of spatters and beards in a manner similar to that described in U.S. Patent 4,156,807. Other changes, additions, and omissions can be made in the preferred embodiments without departing from the scope of the invention.

- conclusies 800 2 8 42- conclusions 800 2 8 42

Claims

1. Workpiece backing layer composition in which a hole of precise geometric size must be drilled using beam energy, such as electron beam energy, and substantially avoiding ingresses on the input surface and on the exit surface, and recast layers within the hole minimized, characterized in that the backing layer composition contains particles for heat absorption and evaporation when they are struck by the bundle, and a binder, intermixed with the particles and intimately surrounding them to adhere these particles together, the binder being evaporable under the action of the beam, and partially convertible to a liquid after drilling, the backing layer composition containing sufficient combination of particles and binder to provide beam absorption and generation of sufficient gas to produce molten material to drive out the hole at the input 20 on reduce the surface area and the beard and recast layer therein, improve the symmetry of the drilled holes, and improve the performance of the workpiece in further use.

Support layer composition according to claim 1, characterized in that the particulate material consists of non-metallic powders, such as ceramics or glasses, in an amount to prevent penetration of the beam through the support layer, to provide support layer support for the gas pressures , within 30, and causing them to be expelled through the hole in the workpiece and to prevent damage from the beam to any surfaces outside the workpiece exit surface.

Backing layer composition according to claim 1, characterized in that the binder is a material which melts when the temperature changes. 800 2 8 42 - 18 -

Backing layer composition according to claim 1, characterized in that the binder can be leached from the workpiece surface as a liquid.

Backing layer composition according to claim 3 or 4, 5, characterized in that the binder is a polymer.

Backing layer composition according to claim 1, characterized in that this composition is applied as a coating on the exit surface 10 of the workpiece.

Backing layer composition according to claim 2, characterized in that the particulate material is 50-90 wt. % of the support layer.

A method of drilling a hole with an energy beam, such as an electron beam, through a workpiece, with an entrance surface to which the beam propagates and through which it first penetrates, and an exit surface, which the beam last penetrates, using a backing layer composition according to any one of claims 1-7, characterized by all intimate contacting of a backing layer with the exit surface, said backing layer consisting of a particulate material bonded by means of a binder, wherein the particulate material and the binder have properties that prevent the formation of reaction products, harmful to the workpiece during hole drilling, and the backing layer can be further removed, at least in part as a liquid after drilling, b) directing a energy beam on a portion of the entrance surface of sufficient intensity to produce a hole in the workpiece, e penetrate the exit surface and produce gaseous products within the backing layer sufficient to expel molten workpiece material from the drilled hole at 800 2 8 42 -19 - the entrance surface in a direction opposite to that of the beam propagation, and c) removing the backing by converting it to at least a partial liquid state with an agent that does not adversely affect the workpiece.

The method of claim 8, characterized by the additional step of applying the backing to the workpiece as an adhering coating.

A method according to claim 8 or 9, characterized in that the backing layer is fusible and that means for removing it consists of heating.

11. Method according to claim 8 or 9, characterized in that the Support layer is leachable from the workpiece surface as a liquid.

A method according to claim 8 or 9, characterized in that the particulate material is an inorganic non-metallic material, and the binder is a polymer which liquefies at a temperature less than about 150 ° C.

13. Method of drilling a hole with an energy beam such as an electron beam through the first element of a workpiece, which has a second element near but spaced from the exit surface of the first element using a backing material according to any one of claims 1-7, characterized in that the distance between the elements is at least partially filled with backing layer material, which is in intimate contact with said exit surface, and that the backing layer material is in at least partially liquid state when it is placed between the elements, and solid, when the hole is drilled, and that backing material is removed after drilling by conversion to at least a partial liquid state by a means which does not adversely affect the working 800 2 8 42 - 20 - piece - affected.

14. Method according to claim 13, characterized in that the first element is a wall of a tubular object, and that the second element is the opposite wall.

15. A method of drilling an electron beam hole in a hollow gas turbine wing article having a beam entrance surface, which determines the exterior of this article, where the beam propagates, and through which it first penetrates, and an interior surface, defining a cavity and into which the beam penetrates last, using a backing material according to any one of claims 1 to 7, characterized by: filling the internal cavity with the backing layer, said backing layer consisting of a material of inorganic non-metallic particles, bonded to themselves and to the inner surface with a polymeric binder, the materials and amounts selected so as to prevent beam penetration, and to retain the gas pressure generated therein by the energy beam, directing a energy beam on a portion of the entrance surface of the object with a sufficient intensity to ee creating a hole in the wall of the article and additionally penetrating the Backing Layer, generating sufficient vapor pressure under the action of the beam on the backing layer for expelling molten workpiece material from the hole at the entry surface in a direction opposite to that of the beam propagation, preventing the beam from striking the wall opposite to the wall to be drilled by absorbing excess energy in the backing layer, and removing the backing layer by at least partially converting it to a liquid, using a means which does not adversely affect the object, said agent being selected from melting or leaching, and 800 2 8 42 - 21 - forming a hole of substantially uniform symmetry along its length in the object wall, and minimizing the formation of beards, recast layers, and other hole defects, which decrease the performance of the article 5.

16. Object consisting of a workpiece into which a hole is to be drilled by means of beam energy, eg an electron beam, with a beam input surface and a beam output surface and with a backing material according to any one of claims 1 to 7, kept in intimate contact with the beam exit surface of the workpiece characterized in that the backing layer material consists of particles for absorbing beam energy and providing support for resistance to gas pressures generated by the beam, and a binder intimately mixed with the particles for the bonding them together and for producing gases under the action of the bundle and for expelling the gases through a hole in the workpiece drilled by the action of the bundle, this binder being partially convertible into a liquid, after a hole has been drilled in the workpiece, the backing material being able to produce sufficient gaseous products n to provide resistance to gas pressures to drive molten metal through the hole in the workpiece in a direction opposite to the direction of beam propagation, and the backing material having sufficient resistance to beam penetration to prevent damage to any surface in the proximity to the exit surface, in order to improve symmetry of drilled holes and prevent the occurrence of beards.

An article according to claim 16, characterized in that it contains a backing material which is applied as a coating to the workpiece and consists of particles of inorganic non-metallic materials, and polymeric binders, which can be removed as liquid by means of melting or leaching. 800 2 8 42 if V - 22 -

18. Object according to claim 16, characterized by a metal workpiece with an input surface for absorbing beam energy, capable of drilling a hole therein, and an exit surface, placed in gas-tight contact with the exit surface of the workpiece, which backing layer consists of: a) particles capable of absorbing and evaporating beam energy when hit by it, and b) a binder, which is mixed with the particles 10 and surrounds them intimately to adhere to each other, which binder is evaporable under the action of the beam and can be converted into a liquid after drilling without harming the workpiece, which backing layer can be removed from the workpiece after drilling by converting the binder into a liquid, and the backing layer being has sufficient combination of binder and thickness particles to provide beam absorption and generate sufficient gas to release molten metal to float from a hole on the entrance surface.

19. Article according to claim 18, characterized in that the particles consist of non-metallic powders, such as ceramics or glasses, and that the binder is an organic polymer, which can be converted into liquid at a temperature of less than about 150 ° C.

20. An article according to claim 18, characterized in that the backing layer is applied to a coating adhered to the exit surface by the binder.

Object according to claim 18, 19 or 20, characterized in that the particles are larger than an average of 5 microns, and 50-90 wt. % of the backing layer 35, and that the thickness of the backing layer is about 1.5 to 6 mm. is. 800 2 8 42 - 23 -

22. Method for drilling a hole with an energy beam such as an electron beam through the first section of a workpiece, which has at least two spaced sections located along the path of the beam, using the backing material of any one claims 1-7, characterized in that the space between the sections is at least partially filled with solid backing material in intimate contact with the beam exit surface of the first section during hole drilling, and the backing layer is converted into at least a partial fluid condition, when it is placed in and removed from the space between the two sections,

23. A method according to claim 22, characterized in that the workpiece is a tubular object, and that the first section is a wall of the object, and the second section is an opposite wall. 800 2 8 42