专利名称：钻孔装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个用于将一个钻孔置入一个工件中的钻孔装置。
背景技术：
为了能够制造高精度的钻孔，特别是还具有一个漏斗形的钻孔出口的钻孔，越来越多地应用了钻孔激光器。这种钻孔激光器具有的优点在于，可以迅速並高度柔性地工作，其中，不仅是通孔而且漏斗形的钻孔都可以被制造加工。另外借助这个钻孔激光器还可以钻一种用陶瓷覆层的结构件。和传统的用麻花钻的钻孔方法相比较，在激光钻孔时不会涉及会被磨损的钻头的附加成本，因此和传统的钻孔相比，该激光钻孔能够成本低地实施。另外的大优点是，该激光钻孔是无接触地实现的並且与传统的钻孔方法相比还能实现复杂形状的孔的加工。
为了在工件中加工出孔，该钻孔激光器发射短的高频光脉冲。通过被设置在那里的这种高的局部的能量，实现了材料剥除或者说最好在绕开熔液相的情况下通过冲击式的气化实现该钻孔。
但是，在已知的钻孔激光器中经常存在的危险是，熔化余物或熔渣沉积在一钻孔边缘上，並且因此可能发生一个所谓的“再铸造”。然而，在钻孔边缘上的熔化余物或熔渣余物的沉积是不希望的，因为由此在某些情况下可能严重地影响钻孔的质量。
发明内容
本发明的任务在于，解决开头所述类型的钻孔装置的技术问题，提出一个改进的结构方案，借助它可以制造一个具有高质量的钻孔。
按照本发明，提出了一种在一个工件中加工出孔的钻孔装置，具有一个钻孔激光器，它产生一种适于产生孔的激光射束；具有一个射束喷嘴，用于产生一个朝孔方向流动的並且基本上同轴心地包套激光射束的气体射束，该气体射束一方面将熔化物从孔中吹出並且另一方面阻止该熔化物朝钻孔装置方向上的回溅；其中，该气体射束的直径至少在钻孔开口处小于通过激光射束产生的孔的直径。
通过以下措施，进一步改进了上述方案的钻孔装置。
本发明基于的一般构思是，在一个钻孔装置中，具有一个产生激光射束的钻孔激光器和一个用于产生朝孔方向流动的气体射束的射束喷嘴，使该气体射束的直径至少在钻孔开口处保持在小于通过激光射束产生的钻孔的直径。在此，由该钻孔激光器产生所述适于产生孔的激光射束，该激光射束在钻孔期间被气体射束最好同轴心地包套。该气体射束一方面用于将熔化物余物或熔渣余物从该孔中吹出並且另一方面防止熔化物的回溅，特别是该熔化物朝钻孔装置方向上或朝钻孔装置的聚焦装置方向上的回溅必须被避免，因为那样可能污染或损害该聚焦装置，例如一个透镜。
通过本发明构思使气体射束的直径保持小于该孔的直径就可实现，该气体射束在钻孔期间不与钻孔侧边缘接触地流入到该钻孔中並且最好沿着孔内壁又朝钻孔开口向外地流动以及在此将熔化物余物或熔渣余物从该钻孔中运送出去。因为该气体射束在流入到该钻孔中时不会碰到该钻孔边缘上，因此在这个区域中一方面不会发生不希望的涡流，该涡流则可能引起所谓的死水区域並且在其中会发生再铸造，以及另一方面也不会发生熔化物余物或熔渣余物朝钻孔装置方向的往回溅射。反而是，未被气化的熔渣余物或熔化物余物在从钻孔中吹出並到达钻孔开口时被沿径向离开钻孔激光器的激光射束向外地吹离。因此，在较大地放大后观察一个通过该钻孔的截面图时，产生一个气体流，它基本上在该钻孔的中心流入这个钻孔中直到达到一个钻孔底部，並且在该钻孔的边缘处又朝钻孔开口返回地流出以及在此将不希望的钻孔余渣运送到外部。
按照本发明解决方案的一个优选实施形式，该气体射束的直径至少在钻孔开口处为该钻孔直径的约65-85％。该气体射束的直径的这个大概的尺寸范围表明了，这个气体射束的直径与钻孔直径相比较是明显小的，因此，可以避免该气体射束在钻孔边缘上的碰触並且因此可以避免熔化物余物或熔渣余物遗留在钻孔中。因此，在气体射束的直径为钻孔直径的约65％时，在钻孔的边缘側相应地留下该直径的约17，5％提供给一个由该钻孔出来的与所述气体射束相反作用的返回流，因此，可以确保该气体射束的最好为在中心的到该钻孔中的入流並能够确保边缘侧的向上流，它同时将熔化物余物去除和吹出。
按照一个优选实施形式，该射束喷嘴被构造为拉瓦尔-喷嘴或者具有至少一个拉瓦尔-喷嘴。一个拉瓦尔-喷嘴通常具有一个在流入侧首先减小並然后又增大的横截面，因此可以实现，该气体射束在从该拉瓦尔-喷嘴排出之后具有一个比在进入这一喷嘴时更高的射流速度。借助这种拉瓦尔-喷嘴就例如能实现，将一个亚音速进入的气体流加速到超音速。在此，按照结构方案也可以环形地围绕该激光射束安置多个射束喷嘴或拉瓦尔-喷嘴。
按目的要求，该射束喷嘴被如此构造，使得该气体射束至少直至该钻孔开口截锥形地收敛。该气体射束的这种截锥形的构造改善了将熔化物袋物或熔渣余物从钻孔中吹出的性能，因为特别是这些被吹出的余渣在到达该钻孔开口时被离开该钻孔激光器的激光射束地沿径向往外地偏转离开並因此可以特别有效地阻止该熔化物朝钻孔装置方向上的回溅。在此还可以考虑，该射束喷嘴被附加地或作为替代方案地如此构造，使得该气体射束至少直至该钻孔开口基本上螺旋形地围绕该激光射束绕行。由此可以实现，该熔化物余物或熔渣余物也以螺旋形地从钻孔中被吹出並且由于其离心力在到达该钻孔开口时被沿径向离开激光射束地抛离出去。
有利的是，该射束喷嘴被如此构造，使得该气体射束至少直至该钻孔开口基本上平行于激光射束地延伸。
有利的是，该气体射束的压力可达到220巴。
有利的是，该钻孔激光器是一个脉冲式的激光器。
本发明的另外的重要的特征和优点可从附图中和所属的借助附图的
中获得。
本发明的优选的实施例被描绘在附图中並且在随后的说明书中被详细地解释，其中，相同的参考标号涉及相同的或类似的或功能相同的组成构件。
其中分别示意地表明图1是一个通过本发明钻孔激光器和一个由它所钻的钻孔的横截面图，图2是一个如图1的但具有一个另外的气体射束流动走向的视图，图3是一个如图1的但具有一个另外的钻孔激光器和一个另外的气体射束流动走向的视图。
具体实施例方式
按照图1，将一个孔2加工到一个工件3中的本发明钻孔装置1具有一个钻孔激光器4以及一个射束喷嘴5。这种钻孔装置1例如被应用于在涡轮发动机叶片中加工冷却空气孔，其中一般能实现，不仅设置圆柱形孔2而且还设置复杂形状的孔，例如具有一个漏斗形的钻孔开口10的孔。这种漏斗形的钻孔开口10有助于从孔2中出来的冷却空气的均匀分布和因此能实现该涡轮叶片的一个均匀的薄膜冷却。
该钻孔装置1具有一个高速的工作方式以及一个高的柔性。此外还可以加工陶瓷覆层的结构件例如涡轮叶片。因为该激光钻孔一般是无接触地进行的，故不存在易磨损的钻头的刀具成本，因此该钻孔过程一般可以成本低地被实施。
该钻孔激光器4产生激光射束6，它适合于在工件3中加工出孔2。该激光射束6在从钻孔装置1射出之前借助一个聚焦装置7被聚束並因此被强聚焦。这个真正的钻孔过程通过已聚焦的激光射束6实现，它由高频的和脉冲式的光线构成。在此可以产生直达50焦耳(Joule)的能量以及高于16000K的温度。
该射束喷嘴5产生一个向孔2方向上流动的並且同轴线地包套激光射束6的气体射束8，它一方面由孔2中吹出熔化物9並且另一方面防止该熔化物9向钻孔装置1的方向上的回溅。在此，该气体射束8可以在该钻孔装置1运行时具有一个可以达到或超过音速的流动速度。
通过本发明的解决方案，首先应避免涡流的形成，该涡流会在孔2的内壁12上产生死水区域並且有助于引起所谓的“再铸造”，即熔化物9的沉积。此外，为了实现一个尽可能有效的对孔2的吹净以及一个尽可能有效的防止该熔化物9向钻孔装置1方向上的回溅，该气体射束8至少在钻孔开口10处的一个直径dG要小于该由激光射束6所制造的孔2的一个直径dB。在此优选，该气体射束8至少在钻孔开口10处的直径dG为该孔2的直径dB的约65至85％。
通过dG＜dB的条件实现，该气体射束8在钻孔装置1运行时始终在孔2中产生一个有利的流动场，它一方面有效地将熔化物9和/或熔渣的残余物从钻孔2中吹出，並且另一方面同时防止该熔化物9朝钻孔装置1方向上的回溅。
按照图1，该气体射束8进入到该孔2的一个中间的区域中並且在该孔2的底部11上被向外地转向到该孔2的相应的内壁12上。现在，在该内壁12上，该相反指向的气体射束8则在朝钻孔开口10的方向上流动並且在此携带着熔化物9一起向外。在到达该钻孔开口10时，由孔2被送出的熔化物9则沿径向往外离开该激光射束6地运动，因此它不会到达朝钻孔装置1的方向上並且例如该聚焦装置7也不会被污染或被损伤。该气体射束8的涡流以及有利于再铸造过程发生的死水区域可以被由此避免。
在此，该射束喷嘴5可以被如此构造，使得该气体射束8至少直到钻孔开口10处是以截锥形收缩的(对比图1)或者该气体射束8至少直到钻孔开口10处是基本上围绕该激光射束6螺旋形地绕行的(对比图2)。
在图2中所示的实施形式中，该气体射束8在孔2中产生一个涡流，它将钻孔余物例如熔渣或熔化物9从孔2中吹出。在此，该被吹出的熔化物9获得一个涡旋流，由此，所述的在从钻孔开口10排出之后的、在径向上离开激光射束6的离开运动通过所出现的离心力被增强了。此外，还可以考虑一个射束喷嘴5，其中该气体射束8至少直到钻孔开口10处是基本上平行于该激光射束6地延伸的(对比图3)。
在此，气体射束8的流动走向或射束喷嘴5的构造纯粹为举例说明，本发明还可包括射束喷嘴5的其他构型形式和气体射束8的另外的流动走向。然而，对于所有的射束喷嘴5共同的是，它们产生一个朝向孔2的方向的气体射束8，该射束的直径dG至少在钻孔开口10处小于由激光射束6制造的孔2的直径dB。
在另一个可能的结构方案中，该射束喷嘴5被构造为拉瓦尔-喷嘴或者具有至少一个拉瓦尔-喷嘴。按公知方式，一个拉瓦尔-喷嘴由一个收敛的部分和一个扩张部分组成，在该收敛的部分中，一个亚音速流被加速，在该扩张部分中然后该超音速流膨胀並且可以被进一步加速。在此也可以考虑，该射束喷嘴5具有多个环形地围绕该激光射束6安置的拉瓦尔-喷嘴。
该气体射束8的压力在该钻孔装置1运行期间可到220巴(bar)並由此可以实现孔2的一个特别有效的清洗。
因此，本发明钻孔装置1提供多个优点一方面，首先避免了涡流的形成，通过这种涡流会在孔2的内壁12上产生死水区域並且有助于引起所谓的“再铸造”，即熔化物9的沉积。另一方面，通过气体射束8，该孔2在钻孔过程期间被清洗，由此可以实现该孔2的高质量並同时通过气体射束8防止了熔化物9向钻孔装置1或聚焦装置7的方向上的回溅和由此保护了它们免受损害。不仅该孔2的这种改善的、不会形成死水区的吹净，而且，对该钻孔装置1的防止熔化物9回溅的保护，都被这样实现，即该气体射束8的直径dG至少在钻孔开口10处小于通过激光射束6制造的钻孔2的直径dB。由此，该激光射束6与孔2的内壁12的接触可以被避免。
参考标号表1-钻孔装置，2-孔，3-工件，4-孔激光器，5-射束喷嘴，6-激光射束，7-聚焦装置，8-气体射束，9-熔化物，10-钻孔开口，11-孔2的底部，12-孔2的内壁，dG-体射束8在钻孔开口10的区域中的直径，dB-孔2的直径。
权利要求
1，在一个工件(3)中加工出孔(2)的钻孔装置(1)，-具有一个钻孔激光器(4)，它产生一种适于产生孔(2)的激光射束(6)，-具有一个射束喷嘴(5)，用于产生一个朝孔(2)方向流动的並且基本上同轴心地包套激光射束(6)的气体射束(8)，该气体射束一方面将熔化物(9)从孔(2)中吹出並且另一方面阻止该熔化物(9)朝钻孔装置(1)方向上的回溅，-其中，该气体射束(8)的直径(dG)至少在钻孔开口(10)处小于通过激光射束(6)产生的孔(2)的直径(dB)。
2，按权利要求1的钻孔装置，其特征在于该气体射束(8)的直径(dG)至少在钻孔开口(10)处为该孔(2)的直径(dB)的约65至85％。
3，按权利要求1或2的钻孔装置，其特征在于该气体射束(8)在钻孔装置(1)运行时具有一个至少达到音速的流动速度。
4，按权利要求1-3之一的钻孔装置，其特征在于该射束喷嘴(5)被构造为拉瓦尔-喷嘴或具有至少一个拉瓦尔-喷嘴。
5，按权利要求1-4之一的钻孔装置，其特征在于该射束喷嘴(5)具有多个环形地围绕激光射束(6)设置的拉瓦尔-喷嘴。
6，按权利要求1-5之一的钻孔装置，其特征在于该射束喷嘴(5)被如此构造，使得该气体射束(8)至少直至达该钻孔开口(10)截锥形地收缩。
7，按权利要求1-5之一的钻孔装置，其特征在于该射束喷嘴(5)被如此构造，使得该气体射束(8)至少直至该钻孔开口(10)基本上螺旋形地围绕该激光射束绕行。
8，按权利要求1-5之一的钻孔装置，其特征在于该射束喷嘴(5)被如此构造，使得该气体射束(8)至少直至该钻孔开口(10)基本上平行于激光射束(6)地延伸。
9，按权利要求1-8之一的钻孔装置，其特征在于该气体射束(8)的压力可达到220巴。
10，按权利要求1-9之一的钻孔装置，其特征在于该钻孔激光器(4)是一个脉冲式的激光器。
全文摘要
本发明涉及在一个工件(3)中加工孔(2)的钻孔装置(1)，具有一个钻孔激光器(4)，它产生一种适于产生孔(2)的激光射束(6)，具有一个射束喷嘴(5)，用于产生一个朝孔(2)方向流动的并且基本上同轴心地包套激光射束(6)的气体射束(8)，该气体射束一方面将熔化物(9)从孔(2)中吹出并且另一方面阻止该熔化物(9)朝钻孔装置(1)方向上的回溅，其中，该气体射束(8)的直径(d
文档编号B23K26/14GK1762642SQ20051011992
公开日2006年4月26日 申请日期2005年8月23日 优先权日2004年8月23日
发明者乌尔斯·策尔特 申请人:阿尔斯通技术有限公司