用激光器脉冲钻孔工件的方法和装置制造方法
【专利摘要】使用激光脉冲用于钻孔工件的方法。通过包括腔室的脉冲激光发生器，用于钻孔工件，特别地涡轮发动机的工件的方法，其中腔室中安装有用于产生激光脉冲的实心棒，该方法包括步骤(82)，该步骤(82)包括确定激光发生器的多个工作参数值，以在工件中形成预定直径的孔口，并且在这些参数中考虑激光器腔室的温度设定点值，该温度设定点值是基于待要被钻孔的孔口的特征而确定的。
【专利说明】用激光器脉冲钻孔工件的方法和装置
[0001]本发明涉及通过脉冲激光器钻孔部件，特别地涡轮发动机部件的方法。
[0002]对大量的涡轮发动机部件钻孔以形成，例如用于通过冷却空气流的孔口。这特别地应用于涡轮机固定叶片和叶片，并且也应用于燃烧室壁，该壁可以包括几千个冷却孔口。
[0003]为了确保这些部件的有效冷却和为了避免缩短它们的使用期限，钻孔的孔口必须具有特定的形状，并且它们在它们的内壁上必须不能有微裂纹。而且，用于钻孔的技术必须尽可能小的影响部件的材料坚固性。
[0004]已知三种不同的技术用于钻孔涡轮发动机部件，目的是形成冷却孔口:通过尖锐的工具钻孔，电火花加工(EDM)和激光器脉冲钻孔。
[0005]通过尖锐的工具钻孔不适于制造小直径的孔口(例如，范围位于0.4毫米(mm)到1.5_)。EDM钻孔适于制造小尺寸的孔口。然而，因为实施这种类型的钻孔是相对昂贵的，它仅用于钻孔具有少数量冷却孔口的部件。
[0006]通过激光器脉冲(S卩，使用YAG类型激光器)钻孔也可以钻孔小尺寸的孔口。然而，现有技术的激光器装置仅用于制造少数量的连续孔口，因为它们是不稳定的，因此这种装置已经使用一定时间长度后，孔口形状的质量和重复性降低。举例说明，已经发现当激光器钻孔装置用于制造圆形截面的孔口时，装置已经使用一定时间长度后钻孔的孔口具有有些椭圆形的截面。该装置因此只能用于相对短的持续时间，并且在两次连续使用之间它需要休息相对长的时间周期。
[0007]脉冲激光器通常包括其中已经安装有用于产生激光脉冲的实心棒的腔室。通常地，棒是长形形状和形成增强介质，其中光子从腔室中所安装的至少一个闪光灯发射到该增强介质中。两面镜子，其中一个是部分地反射，设置在棒的纵向端。激光器腔室也具有温度传感器，它连接检测装置，当腔室的温度达到一定阈值时，该检测装置用于警告操作者。为了避免激光器腔室达到阈值，它在工作的同时被冷却。
[0008]在现有技术中，激光器腔室的温度由此不考虑用于控制或程序化激光发生器。上述腔室阈值的温度是恒定的，与待要被钻孔的部件或孔口的特征无关，并且它仅仅是为了确保激光发生器的最佳使用寿命而被确定的。
[0009]本发明的目的是提供针对上述问题的简单、有效和廉价的方案，该上述问题与使用用于部件中钻孔孔口的脉冲激光器相关。
[0010]本发明提供了通过具有(控制温度的)腔室的脉冲激光发生器，钻孔部件，特别地涡轮发动机部件的方法，其中腔室中安装有能够产生激光束的实心棒。
[0011]为此，本发明提供了通过包括腔室的脉冲激光发生器，钻孔部件，特别地涡轮发动机部件的方法，其中腔室中安装有实心激光脉冲发生器棒，该方法包括步骤，该步骤包括确定用于在部件中形成预定直径的孔口的激光发生器的大量工作参数的值，并且该方法特征在于它包括根据待要被制造的孔口的特征和/或待要被钻孔的部件的材料的特征，确定用于激光发生器的腔室温度的设定点值，以及在钻孔孔口时伺服控制腔室温度达到该设定点值。
[0012]发明人已经发现安装棒的激光发生器腔室的温度对激光发生器所输送的功率有影响，因此对所钻孔的孔口的几何学具有影响，并且对这些孔口内壁中微裂纹的出现有影响。
[0013]举例说明，激光发生器的工作参数是脉冲频率(F)，脉冲数量，一次脉冲的持续时间(Tp)，和/或激光发生器的最大功率的百分数(Η%)。该功率参数Η%是设定点，例如，通过改变供应给它的闪光灯的功率，该设定点能够导致激光发生器以其最大功率的一部分或以全功率(Η%= 100)工作。选择相对高的参数Η% (至少大于25%)以确保腔室和激光束功率的稳定性可以是有利的。
[0014]根据本发明，用于腔室的预定温度加入到控制激光器时需要考虑的参数，并且在整个钻孔过程中维持该温度基本上恒定。
[0015]该方法优选地包括步骤，该步骤包括确定用于腔室温度的设定点值，在该设定点值，激光发生器转动和输送用于预定工作参数的最大能量。因此，在用于转动激光器的腔室温度进行钻孔。需要确保该温度在±3°C内。只要满足温度设定点，就可以能够激活激光束的光闸。对于恒定的工艺参数，激光器腔室温度的任何变化(上述范围以外)都可以有激光发生器“不转动”的影响。
[0016]当激光器工作时，在设定点值附近调节发生器腔室的温度，因此确保钻孔具有良好的质量和是可重复的。激光发生器可以用于比现有技术中更长的周期。并且只有发现它难以或不可能维持设定点值附近的腔室温度时，它才需要休息(然而，当装置用于冷却腔室时，这发生的风险是小的)。
[0017]本发明不同于现有技术，特别地在于发生器腔室的温度构成了可调节的工作参数，控制和调节该可调节的工作参数以最佳化钻孔的特征。
[0018]调节温度包括保持它尽可能接近设定点值(这特别地取决于部件的特征，诸如它的材料，并且由此这可以从一个钻孔操作到另一个变化)，因为这不同于现有技术，其中冷却腔室，以避免超过最大工作温度，同时允许该工作温度采用小于最大值的任何值以及只要没有达到最大值就保持腔室的冷却不变。在现有技术中，只要其腔室温度达到该最大值，该激光发生器就休息。
[0019]本发明因此特别地包括设置激光器腔室温度的伺服控制，以最佳化钻孔孔口的几何学和特征，并且以使得激光发生器能够用于更长的持续时间，同时保持该最佳化的结果。
[0020]为了钻孔口，以转动模式使用激光发生器，即，通过最佳化工艺参数(Tp、F、H% )，以在激光发生器的输出获得最大能量。激光发生器腔室的温度的任何变化将对发生器的“不转动”有影响。
[0021]发明人也已经观察到通过改变腔室的温度，可能对钻孔孔口的几何学具有影响。
[0022]腔室的温度可以调节到设定点值的±3°C内。腔室温度的设定点值例如范围在25°C到40°C。优选地，确定设定点值，这样孔口是通孔口，并且孔口截面是圆形形状。
[0023]通过在腔室附近或内部循环冷却流体的用于冷却腔室的系统，可以调节腔室的温度。举例说明，通过改变冷却流体的流速和温度，可以最佳化腔室的冷却。
[0024]部件可以是涡轮机的叶片或固定叶片，或者是涡轮发动机的燃烧室的壁。
[0025]举例说明，激光器是YAG类型激光器或任何其它类型脉冲激光器，这些激光器可以调节激光器腔室的温度。
[0026]本发明也提供了通过具有腔室的脉冲激光发生器，用于钻孔部件，特别地涡轮发动机部件的装置，其中腔室中安装有实心激光脉冲发生器棒，通过循环腔室周围的冷却流体用于冷却腔室的冷却系统，和用于控制激光器的工作参数的控制装置，该装置的特征在于它包括通过改变冷却流体的流速和温度，用于根据待要进行的钻孔的特征，伺服控制腔室温度达到设定点值的装置。
[0027]通过阅读下面通过非限制性实施例和参考附图所进行的描述可以更好地理解本发明，并且呈现其它细节、特征和优点，其中:
[0028]图1是脉冲激光器的部分立体示意图。
[0029]图2是部件和用于钻孔部件的激光束的部分截面示意图。
[0030]图3是一个流程图，表示使用激光器脉冲用于钻孔部件的本发明方法的步骤。
[0031]图4是图表，表示根据其中安装有激光脉冲发生器的激光器腔室的温度，钻孔孔口的直径和激光束的能量如何变化。
[0032]图5是图表，表示根据激光发生器的最大功率的百分数，激光束的平均功率如何变化；和
[0033]图6是与图5相似的图表，表示腔室温度对激光束平均功率的影响。
[0034]首先参考图1，其表示一部分脉冲激光发生器10，例如YAG类型的，发生器10包括腔室12，腔室12中已经安装有实心棒14和用于激发实心棒的闪光灯16.
[0035]实心棒14是长形圆柱体形式，并且它平行于腔室12的纵向轴线延伸，该腔室12在所示实施例中也是长形圆柱体形式。举例说明，棒12是晶棒。各面镜子18、20设置在棒纵向端的每端，这些镜子中一个镜子20是部分地反射类型。
[0036]举例说明，闪光灯16数量是两个(在图1中只示出了它们中一个)，每个闪光灯连接电源22和构造为发射光子到腔室中。在该实施例中，灯16是长形形状。它们平行于腔室的纵向轴线延伸，并且举例说明，它们位于棒的相对端
[0037]脉冲激光钻孔装置常规地包括上述类型的激发发生器10，用于冷却腔室12的冷却系统和用于控制激光发生器工作参数的控制装置。
[0038]通过循环腔室内部冷却流体来冷却激光器腔室12，同时棒14和闪光灯16浸入在流体中。激光发生器10包括热交换器24，后者连接用于循环腔室中冷却流体的装置，和连接冷却流体供应源26.
[0039]激光发生器10也包括热电偶类型的温度传感器28，例如，该传感器28安装在腔室12中和冷却流体的供应源26中。
[0040]上述类型的脉冲激光发生器10的工作对于本领域技术人员是公知的。
[0041]图2是例如，通过上述激光发生器10被激光脉冲所钻孔的部件的示意性截面图。附图标记40指发生器所发射的光束，该光束实质上垂直于用于钻孔的部件42的表面被导向。光束40由引起部件的材料熔化(熔化区域44)的多个连续的脉冲所构成，这些熔化材料的一些被蒸发(附图标记46)，一些从熔化区域被喷出(附图标记48)，剩余的材料(附图标记50)保持在正在形成的孔口的内壁上。在正在被钻孔的孔口周围延伸的周缘区域52受到相对高水平的热应力。该区域52，其称为“热影响区域(TAZ)”是钻孔期间微裂纹54形成的位点。
[0042]图3是一个流程图，表示使用激光器脉冲用于钻孔部件的本发明方法60的步骤。
[0043]该方法的第一步骤62包括确定用于钻孔的部件的特征，以及部件中待要形成的孔口的特征。部件的特征特别地包括它的材料(例如，基于镍和钴的合金)，和用于在部件中钻孔的壁的厚度(通常地范围位于0.8mm到15_)。这些特征可以包括关于大量其它项目的数据，诸如部件的形状和尺寸，在部件附近另一个壁的存在，在钻孔期间，该另一个壁不受影响和/或不被钻孔，用于钻孔的壁上涂层(例如，热障)的存在。
[0044]用于钻孔的孔口的特征特别地包括这种孔口的形状或几何学，它们的尺寸，每个孔口的纵向轴线和部件表面的法线之间的角度，孔口的深度等。通常，这些孔口是通常圆形的圆柱形形状，并且由此，例如它们具有直径范围在0.4mm到1.5mm的圆形截面。每个孔口的轴线和部件表面的法线之间延伸的角度通常范围在0°到70°。孔口的深度等于当孔口通过壁时(即，当它是通孔口时)，待要被钻孔的壁的厚度。
[0045]至少一些上述特征用于确定用于激光发生器腔室12温度的设定点(步骤64)。例如，这应用于待要被钻孔的孔口的几何学和部件的材料。可以通过图4中所示种类的图表，基于这些特征确定腔室的温度。
[0046]对于激光发生器的给定的工作参数，诸如下面要描述的Tp、F和H%，图4的图表表示根据腔室12的温度⑴每个脉冲的能量(绘制成右侧纵轴)和孔口的直径D(绘制成左侧纵轴)变化的方式。可以看出绘制E = f (T)曲线66表示在腔室的转动温度(Tacc)，即，如上所述在激光发生器转动的腔室温度时最大值Emax。
[0047]根据材料，期望钻孔的直径，它的深度和它的形态学(圆柱形、椭圆形…形状的截面)，必须确定用于腔室的参数Tp、F和和温度T的值，这些值能够满足这些详细说明。
[0048]在所示的实施例中，用于激光发生器的转动参数是Tp = 1毫秒(ms) ,F = 35赫兹(Hz)，Η = 86%和 T = 25。。。
[0049]对于待要使用本发明方法的激光器脉冲钻孔的部件材料中每种可以提前绘制这种类型的图表。当可能地，给定的部件可以由钴基金属合金或由镍基金属合金制造时，对于这些合金中每种准备这种类型的图表可以是必要的。
[0050]该最佳温度构成设定点，在该设定点附近调节钻孔期间腔室的温度(步骤80)，以确保用于孔口的上述特征(几何学、直径等)。由此伺服控制激光器腔室的温度。
[0051]更精确地，可以如下所述调节激光器腔室12的温度。除了现有技术的常规设备(激光发生器10、控制装置等)外，本发明的钻孔装置包括用于调节激光器腔室的温度的装置。这些伺服控制或调整装置包括比较器88，其接收腔室的测量温度和用于该温度的设定点值作为输入，并且确定是否这些值一起足够接近(例如，以致于它们的差小于或等于±1°C的误差容限ε)。在腔室温度相对于设定点值太高的情况下，比较器的输出信号应用于用于控制冷却流体的流速和/或温度的装置，以增加腔室的冷却，并且由此降低其温度。在腔室温度相对于设定点值太低的情况下，比较器引起腔室的冷却减少，以增加其温度。这种腔室温度的调节发生在钻孔期间的整个过程中，并且比较器88可以以规律的间隔进行上述比较,例如每隔一秒一次。
[0052]方法也包括步骤82和84，该步骤包括确定用于激光器腔室温度的设定点值(Τ1)的激光发生器的工作参数，和用于在钻孔期间控制这些参数。
[0053]举例说明，激光发生器的工作参数是脉冲频率(F)，脉冲数量，一次脉冲的持续时间(Tp)和激光发生器的最大功率的百分数(H% )。
[0054]图5的图表表示根据激光发生器的最大功率的百分数(H% )，激光束的平均功率(Pm)如何变化。可以看到曲线86具有由平稳段90所间隔开的两个峰88。平稳段表示对于给定的Η %值范围，功率Pm保持相对恒定。可以对各种材料和厚度制备这种类型的图表，并且它可以确定用于激光束的平均功率基本上恒定的的范围值。对于给定的脉冲持续时间(Tp)和脉冲频率(F)制备图5的图表。
[0055]图6的图表与图5的图表相似，并且表不根据用于两个不同腔室温度(25°C和30°C )的激光发生器的最大功率的百分数(H% )，激光束的平均功率(Pm)如何变化。在所示的实施例中，参数Tp和F分别地是2ms和35Hz。对于给定的设定点参数H%，发现平均功率Pm根据腔室温度而变化。对于H% = 50，对于25°C的腔室温度，激光束的平均功率是95瓦(W)，并且对于30°C的腔室温度，激光束的平均功率是120瓦(W)。该图表由此表示甚至当激光发生器的其它工作参数(Tp，F，H% )保持恒定时，腔室温度对平均功率的影响，并且由此对激光束能量的影响。
[0056]如上所述，在钻孔操作的整个过程中，通过控制上述参数(Tp，F，Η%等)，并且也通过调节腔室的温度，控制激光发生器90。
【权利要求】
1.通过包括腔室(12)的脉冲激光发生器(10)，钻孔部件(42)，特别地涡轮发动机部件的方法，其中腔室(12)中安装有实心激光脉冲发生器棒(14),该方法包括步骤(82),该步骤(82)包括确定用于在部件中形成预定直径的孔口的激光发生器的大量工作参数的值，并且该方法特征在于:它包括根据待要被制造的孔口的特征和/或待要被钻孔的部件的材料的特征，确定用于激光发生器的腔室温度的设定点值(11),以及在钻孔孔口时伺服控制腔室温度达到该设定点值。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于:激光发生器的工作参数是脉冲频率(的，脉冲数量，一次脉冲的持续时间(?)，和/或激光发生器的最大功率的百分数(?% )。
3.根据权利要求1或权利要求2的方法，其特征在于:调节腔室的温度在设定点值(11)的 ±3。。内。
4.根据权利要求1、2或3的方法，其特征在于:确定设定点值以致于孔口是通孔口和孔口截面是圆形形状。
5.根据任何前述权利要求的方法，其特征在于:它包括步骤，该步骤包括确定用于腔室(12)温度的设定点值011),在该设定点值，激光发生器转动和输送用于预定工作参数的最大能量。
6.根据任何前述权利要求的方法，其特征在于:用于腔室温度的设定点值(11)范围在251 到 40。。
7.根据任何前述权利要求的方法，其特征在于:通过在腔室附近或内部循环冷却流体的用于冷却腔室的系统(24),调节腔室(12)的温度。
8.根据任何前述权利要求的方法，其特征在于:其特征在于:部件(42)是涡轮发动机的叶片或固定叶片，或者是涡轮发动机的燃烧室的壁。
9.根据任何前述权利要求的方法，其特征在于:激光发生器(10)是类型。
10.通过具有腔室(12)的脉冲激光发生器(10),用于钻孔部件，特别地涡轮发动机部件的装置，其中腔室(12)中安装有实心激光脉冲发生器棒(14),通过循环腔室附近或内部的冷却流体用于冷却腔室的冷却系统(24),和用于控制激光器的工作参数的控制装置，该装置的特征在于:它包括通过改变冷却流体的流速和/或温度，用于根据待要进行的钻孔的特征，伺服控制发生器的腔室温度达到设定点值的装置(8038)。
【文档编号】B23K26/38GK104379300SQ201380028794
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】伊夫斯·勒穆尔, 吉恩-巴普蒂斯特·莫顿 申请人:斯奈克玛