專利名稱：以不同角度進行的多次激光加工的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于激光鉆孔的方法，其中，激光多次地在待加工的表面上橫越，并且在此調整不同的角度。
背景技術：
在很多構件中，尤其在鑄造構件中，必須后續地產生如凹槽或者貫通孔的去除部。尤其在具有用于冷卻的薄膜冷卻孔的渦輪機構件中，在制造構件后后續地加入孔。用于高溫應用的這樣的渦輪機構件或者普通構件經常還具有例如金屬層和/或陶瓷外層的層。那么，必須穿過基體(鑄件)的層產生薄膜冷卻孔。同樣地，在使用之后再磨光這樣的覆層構件并且設置新層，其中，將貫通孔在內部一起覆層(向下覆層，coat down)，然后這必須移除。在此，利用耗費的儀器和方法多樣化地工作。
發明內容
因此，本發明的目的是，闡明一種方法，該方法可以快速地且低成本地執行。EP I 681 128 Al中示出一種激光鉆孔方法，其中，將薄膜冷卻孔的擴散部制造成蛇曲形。通過根據本發明的方法來實現該目的。本發明提供一種用于激光加工的方法，其中，激光束在待加工的面上多次地橫越，并且其中，在下一次在待加工的所述面上橫越時，所述激光束的相對鉆孔軸線的傾斜角不同于在第一次橫越所述面時的相對所述鉆孔軸線的傾斜角。在下文中列出了其他有利的措施，所述措施可以任意地彼此組合，以便實現其他優點。
其中圖1、2、3示出以不同視角的薄膜冷卻孔的視圖；圖4-11示出激光鉆孔方法的方法步驟；圖12示出渦輪機葉片；圖13示出燃燒室；圖14示出燃氣輪機；圖15不出超合金列表。附圖和描述僅呈示出本發明的實施例。
具體實施例方式圖I示出具有孔7的構件I。構件I由基體4(例如鑄件或者DX型或者SX型構件)構成。基體4可以是金屬的和/或陶瓷的。尤其在渦輪機構件中，例如汽輪機或燃氣輪機100(圖14)還有飛機渦輪機的渦輪機轉子葉片120或渦輪機導向葉片130(圖12)、熱屏蔽元件155(圖13)以及其他殼體部件中，基體4由鎳基、鈷基或者鐵基的超合金構成(圖15)。在用于飛機的渦輪機葉片中，基體4例如由鈦或者鈦基合金構成。基體4具有孔7，所述孔例如是貫通孔。但也可以是盲孔。孔7由下部區域10和上部區域13組成，所述下部區域始于構件I的內側并且例如對稱地(例如圓形地、橢圓形地或者矩形地)構成，所述上部區域必要時構造為在基體4的外表面14上的擴散部13。擴散部13的橫截面相對于孔7的下部區域10的加寬。孔7例如是薄膜冷卻孔。特別地，因為不平整性產生不期望的湍流、轉向，所以擴散部13的即在孔7的上部區域中的內置的表面12應該是光滑的，以便使得尤其是冷卻介 質的介質能夠從孔7中流出。對在孔7的下部區域10中的孔表面的質量提出明顯較低的要求，因為由此僅很小地影響入流性能。圖2示出構件1，所述構件構成為層系統。在基體4上存在至少一個層16。這例如可以是MCrAlX類型的金屬合金，其中，M代表鐵、鈷或鎳中的至少一種元素。X代表釔和/或至少一種稀土元素。層16也可以是陶瓷的。在MCrAIX層上還可以存在另一個層(未示出)，例如陶瓷層，尤其是絕熱層。絕熱層例如是完全或者部分穩定的氧化鋯層，尤其是EB-PVD層(電子束物理氣相沉積層)或者等離子噴涂(APS (大氣等離子噴涂)、LPPS (低壓等離子噴涂)、VPS (真空等離子噴涂))層、HVOF (高速火焰噴涂)層或者CGS (冷噴，coldgas spraying)層。在該層系統I中同樣引入具有下部區域10和擴散部13的孔7。用于制造孔7的當前實施方案適用于具有和不具有層16的基體4。圖3示出孔7的俯視圖。下部區域10可以通過切削的制造方法制成。相反地，這在擴散部13中不可行，或者僅以非常大的耗費可行。孔7也可以成銳角地延伸至構件I的表面14。圖4示出面29的去除過程(加工)的開始。待加工的面29具有后邊緣32和帶有兩個側23、26(X方向)的對置的端側35 (Y方向)。這類似地適用于三角形的、多角形的或者圓形的面。在去除過程開始時，激光束20優選居中地在待加工的面29的后邊緣32上優選定中心，并且優選在去除平面上方散焦。優選地，在第一次開始時，激光束20優選相對鉆孔軸線17傾斜，特別優選以2°傾斜。鉆孔軸線17優選是孔7的對稱軸線或者孔7的對稱區域的對稱軸線。這在根據圖2、3的孔中是下部區域10的對稱軸線。激光束20優選相對端側32、35傾斜，也就是說優選垂
直于橫越方向。然后，激光(關閉)沿X方向移行到第一側23。然后，激光去除過程(激光打開)從第一側23開始，直到第二側26。然后，如果到達待加工的面29的側26，就關閉激光。在根據圖5的下一步驟中，激光利用尤其CNC機床(數控機床)的控制系統朝著第一側23的方向移行，優選移行直至在X方向上的鉆孔中心，優選移行至與在方法開始時相同的點(圖4左)，并且激光以線寬沿Y方向(朝著端側35)移動。然后，如在圖4中左側那樣，激光再次沿X方向朝第一側23移行(激光關閉)，從而使得激光束從第一側起(激光打開)再次這樣從側23直至另一側26地加工面29。
按照待加工的面29的尺寸來重復橫越，即重復圖4、5，直至通過待加工的面29的Y方向的移動達到另一端側35 (與后邊緣32相對置)，如在圖6中所示圖10示出激光束20在面29上的光路。激光束20優選一直僅從一側23沿X方向移行到另一側26，即在激光位置返回到側23時關閉激光。這是另一發明，獨立于激光束20的傾斜，但是優選與激光束20的傾斜相組合。在圖7至圖9中，再次加工與在圖4、5和6中相同的面，但其中，優選擴大相對鉆孔軸線17的傾斜角。優選地，當第二次在面29上橫越時，激光束20總是從另一個、第二側26起(激光)移行，并且不像第一次橫越該面時那樣從第一側23起(圖11)移行。然后，這還可以重復第三次，其中，優選再次提高傾斜角，并且激光束20優選又一直從另一側23起移行。當在第一次貫通時存在過于粗糙的面或者熔化部時，通過待加工面29的多次橫越來達到光滑。這尤其適用于從孔中移除材料。特別的是，在此，使用低的激光能量，所述能量尤其為二焦耳。優點還在于，使用僅一個激光，尤其是唯一的激光，這尤其是尤其具有0. 25ms的脈沖持續時間的毫秒激光，以便加工構件1，并且不需要其他激光。在應用用于除去“向下覆層(coat down) ”的方法的情況下，優選在加工面29之前已經制成的孔7中的“向下覆層”中引入孔。圖12在立體圖中示出流體機械的沿著縱軸線121延伸的轉子葉片120或導向葉片 130。所述流體機械可以是飛機的或用于發電的發電廠的燃氣輪機、蒸汽輪機或壓縮機。葉片120、130沿著縱軸線121相繼具有固定區域400、鄰接于固定區域的葉片平臺403以及葉身406和葉片梢部415。作為導向葉片130，葉片130可以在其葉片梢部415處具有另一平臺(未示出)。在固定區域400中形成有用于將轉子葉片120、130固定在軸或盤上的葉片根部183(未示出)。葉片根部183例如構造為錘頭。作為揪樹形根部或燕尾形根部的其他構形是可行的。葉片120、130對于流過葉身406的介質具有迎流棱邊409和流出棱邊412。在傳統葉片120、130中，在葉片120、130的所有區域400、403、406中使用例如實心的金屬材料、尤其是超合金。例如由EP I 204 776BUEP I 306 454,EP I 319 729 Al、WO 99/67435或WO 00/44949公知這樣的超合金。在這種情況下，葉片120、130可以通過鑄造法，也可以借助定向凝固、通過鍛造法、通過銑削法或其組合來制造。將帶有一個單晶結構或多個單晶結構的工件用作用于在運行中承受高的機械的、熱的和/或化學的負荷的機器的構件。這種單晶工件的制造例如通過由熔融物的定向凝固來進行。在此，涉及一種澆注法，其中液態金屬合金凝固為單晶構造物、即單晶工件，或者定向凝固。在這種情況下，枝狀晶體沿熱流定向，并且形成柱狀晶體的晶粒結構(柱狀地，這就是說在工件的整個長度上分布的晶粒，并且在此根據一般的語言習慣稱為定向凝固)，或者形成單晶結構，這就是說整個工件由唯一的晶體構成。在這些方法中，必須避免過渡成球形(多晶的)凝固，因為通過非定向的生長不可避免地構成橫向和縱向晶界，所述橫向和縱向晶界使定向凝固的或單晶的構件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固組織，則是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的單晶以及確實具有沿縱向方向分布的晶界但不具有橫向晶界的柱狀晶體結構。第二種所提到的晶體結構也稱為定向凝固組織(directionally solidified structures) 由 US-PS 6，024，792 和 EP 0 892 090 Al 公知這樣的方法。葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化的覆層，例如(MCrAlX ；M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性元素并代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素，或鉿(Hf))。可由 EPO 486 489 BUEP 0 786 017 BUEP 0 412 397 BI 或 EP I306 454 Al已知這樣的合金。密度優選地是理論密度的95%。在MCrAlX層上形成保護性氧化招層(TGO = thermal grown oxide layer (熱生長氧化層))(作為中間層或最外層)。優選地，層成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al_0. 6Y-0. 7Si 或Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除這些鈷基保護覆層外，也優選地使用鎳基保護層，如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或 Ni-12Co-21Cr-llAl-0. 4Y-2Re 或Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX上還可以有隔熱層，隔熱層優選是最外層并例如由ZrO2J2O3-ZrO2構成，即，隔熱層由于氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩定、部分穩定或完全穩定。隔熱層覆蓋整個MCrAlX層。通過例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當的覆層方法在隔熱層中產生柱狀晶粒。其他覆層方法也是可以考慮的，例如氣相等離子噴涂(APS)、LPPS(低壓等離子噴涂)、VPS或CVD(化學氣相淀積)。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂紋或宏觀裂紋的晶粒，用于更好地耐熱沖擊。因此，隔熱層優選地比MCrAlX層更為多孔。再處理(Refurbishment)意味著構件120、130在其被使用之后，必要時必須從構件120、130上除去(例如通過噴砂)保護層。接著，進行腐蝕和/或氧化層或腐蝕和/或氧化產物的移除。必要時，還修復在構件120、130中的裂紋。然后，進行構件120、130的再覆層，以及重新使用構件120、130。葉片120、130可以構成空心的或實心的。如果要冷卻葉片120、130，則葉片為空心
的并且必要時還具有薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。圖13示出燃氣輪機的燃燒室110。燃燒室110例如構建為所謂環形燃燒室，其中，多個沿周向圍繞旋轉軸線102設置的燃燒器107通到共同的燃燒室腔154中，其產生火焰156。為此，燃燒室110以其整體構建為呈環形的結構，所述呈環形的結構圍繞旋轉軸線102定位。為了實現相對高的效率，燃燒室110針對為大約1000°C至1600°C的工作介質M的相對高的溫度來設計。為了還在這些對于材料不適宜的運行參數的情況下實現相對長的運行持續時間，燃燒室壁153在其朝向工作介質M的側上設有由熱屏蔽元件155形成的內襯。每個由合金構成的熱屏蔽元件155在工作介質側配備有尤其耐熱的保護層(MCrAlX層和/或陶瓷覆層)或者由耐高溫的材料(實心的陶瓷石)制成。保護層能夠是類似渦輪葉片的，于是MCrAlX例如表示M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性元素并代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素，或鉿(Hf)。從EP 0 486 489 BUEP 0786 017 BUEP 0 412 397 BI 或 EP I 306 454 Al 中已知這樣的合金。 在MCrAlX上還可以有例如陶瓷的隔熱層，并且隔熱層由例如ZrO2 J2O3-ZrO2構成，即，隔熱層通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩定、部分穩定或完全穩定。通過例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當的覆層工藝在隔熱層中產生柱狀晶粒。其他覆層工藝也是可以考慮的，例如氣相等離子噴涂(APS)、LPPS, VPS或CVD。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂紋或宏觀裂紋的晶粒，用于更好的耐熱沖擊性。再處理(Refurbishment)意味著在使用熱屏蔽元件155之后，必要時必須將保護層從熱屏蔽元件上除去(例如通過噴砂)。接著，進行腐蝕和/或氧化層或腐蝕和/或氧化產物的去除。必要時，還修復在熱屏蔽元件155中的裂紋。其后，進行熱屏蔽元件155的再覆層以及重新使用熱屏蔽元件155。此外，由于在燃燒室110的內部中的高溫，能夠為熱屏蔽元件155或為其保持元件設置冷卻系統。那么，熱屏蔽元件155例如是空心的并且必要時還具有通到燃燒室腔154中的冷卻孔(未示出)。圖14以局部縱剖面圖舉例地示出燃氣輪機100。燃氣輪機100在內部具有帶有軸101的、可圍繞旋轉軸線102轉動地安裝的轉子103，該轉子也稱為渦輪機電樞。沿著轉子103依次為進氣殼體104、壓縮機105、帶有多個同軸設置的燃燒器107的尤其為環形燃燒室的例如環面狀的燃燒室110、渦輪機108和排氣殼體109。環形燃燒室110與例如呈環形的熱氣體通道111連通。在呈環形的熱氣體通道處，例如四個相繼連接的渦輪級112形成渦輪機108。每個渦輪級112例如由兩個葉片環形成。沿工質113的流動方向觀察，在熱氣體通道111中，由轉子葉片120形成的排125跟隨導向葉片排115。在此，導向葉片130固定在定子143的內殼體138上，而該排125的轉子葉片120例如借助渦輪盤133安裝在轉子103上。發電機或者做功機械(未示出)耦接于轉子103。在燃氣輪機100運行期間，壓縮機105通過進氣殼體104將空氣135吸入并且壓縮。將在壓縮機105的渦輪側端部處提供的壓縮空氣引至燃燒器107并且在那里與燃料混合。接著混合物在燃燒室110中燃燒，從而形成工質113。工質113從那里起沿著熱氣體通道111流過導向葉片130和轉子葉片120。工質113在轉子葉片120處以傳遞動量的方式膨脹，從而使得轉子葉片120驅動轉子103而該轉子又驅動耦接在其上的做功機械。暴露于熱工質113的構件在燃氣輪機100運行期間承受熱負荷。除了內襯于環形燃燒室110的熱屏蔽元件之外，沿工質113的流動方向觀察的第一渦輪機級112的導向葉片130和轉子葉片120承受最高的熱負荷。為了經受住那里存在的溫度，第一渦輪機級的導向葉片和轉子葉片可借助冷卻劑來冷卻。同樣，構件的基體可以具有定向結構，這就是說它們是單晶的(SX結構)或僅具有縱向定向的晶粒(DS結構)。例如，鐵基、鎮基或鉆基超合金用作構件的材料，特別是用作渦輪葉片120、130的材料和燃燒室110的構件的材料。例如由 EP I 204 776 BK EP 1306 454、EP I 319 729 AU WO 99/67435 或 WO 00/44949 公知這樣的超合金。同樣地，葉片120、130可以具有抗腐蝕覆層(MCrAlX ;M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性元素并代表釔(Y)和/或硅、鈧(Sc)和/或至少一種稀土元素，或鉿)。從 EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEP 0 412 397 BI 或 EP I 306 454 Al中已知這樣的合金。MCrAlX上還可以有隔熱層，隔熱層由例如Zr02、Y2O3-ZrO2構成，即，隔熱層通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩定、部分穩定或完全穩定。通過例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當的覆層工藝在隔熱層中產生柱狀晶粒。、
導向葉片130具有朝向渦輪機108的內殼體138的導向葉片根部(這里未示出)，以及與導向葉片根部對置的導向葉片頭部。導向葉片頭部朝向轉子103并固定在定子143 的固定環140上。
權利要求
1.用于激光加工的方法， 其中，激光束(20)在待加工的面(29)上多次地橫越，并且 其中，在下一次在待加工的所述面(29)上橫越時，所述激光束(20)的相對鉆孔軸線(17)的傾斜角不同于在第一次橫越所述面(29)時的相對所述鉆孔軸線(17)的傾斜角。
2.根據權利要求I所述的方法， 其中，在所述激光束(20)第一次橫越時相對于所述鉆孔軸線(17)的傾斜角不同于0°，尤其為2°。
3.根據權利要求I或2所述的方法， 其中，以所述激光束(20)第三次，尤其僅三次地橫越待加工的所述面(29)。
4.根據權利要求1、2或3中的一個或多個所述的方法， 其中，當第二次或者后續地在所述面(29)上橫越時，相對于第一次或者之前的橫越更進ー步地、尤其每次地、尤其以相同的傾斜方向擴大所述激光束(20)的所述傾斜角。
5.根據權利要求1、2、3或4中的一個或多個所述的方法， 其中，為了整體地加工所述面(29)，或者在所述面(29)上的毎次移行時使用毫秒激光，尤其僅使用唯一的毫秒激光。
6.根據權利要求I至5中的一個或多個所述的方法， 其中，對激光使用在一位數的焦耳范圍中的低能量， 尤其是小于等于4焦耳并且大于I焦耳，特別尤其是2焦耳。
7.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，使用脈沖的激光束， 尤其僅使用脈沖的激光束，所述脈沖的激光束具有O. Ims至O. 8ms的脈沖持續時間，尤其具有O. 25ms的脈沖持續時間。
8.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，所述激光束(20)在所述面(29)上沿X方向的所述橫越呈直線地進行。
9.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，所述面(29)具有側(23、26)，并且所述面(29)通過所述激光束(20)進行的加工總是僅沿從所述側(23)到相對置的側(26)的方向進行。
10.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，在所述激光束(20)在所述面(29)之上的第二橫越時，所述激光束(20)總是從所述另ー側(26)到所述側(23)地開始加工所述面(29)， 或者在后續的橫越中，再次僅從所述側(23)起沿X方向開始加工所述面(29)。
11.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，所述激光在方法開始時散焦。
12.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法， 其中，所述激光在所述X方向的中心沿Y方向移動。
13.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法， 在已覆層的孔(7)再打開時使用所述方法。
14.根據上述權利要求I至12中的一個或多個所述的方法， 在新制造孔(7)時使用所述方法。
15.根據權利要求13所述的方法，其中，在加工所述面(29)之前，尤其利用所述激光將在所述孔(7)中的覆層鉆通。
16.根據上述權利要求中的一個或多個所述的方法，其中，所述激光束(20)相對于所述鉆孔軸線(17)朝著端側(32、35)傾斜。
全文摘要
通過使用唯一的毫秒激光，通過具有不同方法參數的多次橫越而成功地使用毫秒激光來制造光滑的表面，所述毫秒激光盡管相比于其他的毫秒激光產生更粗糙的表面，但是具有更高的去除率。
文檔編號B23K26/04GK102632343SQ20121003294
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月14日 優先權日2011年2月14日
發明者安德烈亞·瑪薩, 安德烈亞斯·奧佩特, 托爾斯滕·梅爾策-約基施, 迪米特里奧斯·托邁迪斯 申請人:西門子公司