(57)【要約】【課題】狭隘部や出入り口が小さい内部空間にも適用可能であり、レーザ光による非加工部の損傷を確実に防止できるレーザ加工用バックプロテクタ、及びそれを用いたレーザ加工方法を提供する。【解決手段】有機系光吸収剤を含む耐熱性樹脂で構成されることを特徴とするレーザ加工用バックプロテクタ。加工対象部材のレーザ光照射面と反対側に、上記レーザ加工用バックプロテクタを配置する工程と、前記加工対象部材のレーザ光照射面にレーザ光を照射して、前記加工対象部材に貫通孔を形成する工程と、該貫通孔形成後に、前記レーザ加工用バックプロテクタを除去する工程とを備えるレーザ加工方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系光吸収剤を含む耐熱性樹脂で構成されることを特徴とするレーザ加工用バックプロテクタ。
【請求項２】
前記有機系光吸収剤を含む耐熱性樹脂のレーザ光の波長に対する吸収率と反射率との和が、厚さ３ｍｍの薄板状体とした場合に６０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用バックプロテクタ。
【請求項３】
有機系光吸収剤が、アジン系染料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工用バックプロテクタ。
【請求項４】
前記耐熱性樹脂の融点が、２００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用バックプロテクタ。
【請求項５】
粉体、粒状体、及び薄板状体のうち少なくとも１つの形状を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工用バックプロテクタ。
【請求項６】
加工対象部材のレーザ光照射面と反対側に、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のレーザ加工用バックプロテクタを配置する工程と、
前記加工対象部材のレーザ光照射面にレーザ光を照射して、前記加工対象部材に貫通孔を形成する工程と、
該貫通孔形成後に、前記レーザ加工用バックプロテクタを除去する工程とを備えるレーザ加工方法。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ加工方法を用いて、貫通孔が形成されたタービンブレード翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンブレード翼の冷却用孔開けレーザ加工などにおいて、非加工部の損傷防止に使用されるレーザ加工用バックプロテクタ、及びこれを用いたレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンブレード翼は高温に曝されることから、その表面を冷却するために、翼に多数のフィルム冷却孔が形成される。フィルム冷却孔は、孔径が大きく（１〜２ｍｍ程度）、孔の長さが比較的長く（１０ｍｍ超）、厳しい寸法精度が要求される。また、ガスタービンブレード翼は加工性に劣る耐熱合金製であるため、放電加工による孔開けが行われるが、放電加工は生産性が低いという問題があった。
【０００３】
近年、生産性を考慮して、ＹＡＧレーザ光を用いてフィルム冷却孔を形成することが行われている。しかし、生産性向上及び孔精度向上のためにＹＡＧレーザ光のピーク出力を高くすると、加工部材を貫通したレーザ光が裏面側の部材（非加工部）に達し、裏面側部材を損傷するという問題があった。
【０００４】
そこで、上記問題を解決する手段として、特許文献１に、加工対象材の加工面の裏側に沿って、半透明部材と半透明部材の裏側に沿って設けられる反射部材とを備えるレーザ加工用バックプロテクタを設けることが提案されている。また、特許文献２に、粉状または粒状の金属及び粉状または粒状の高分子化合物のいずれか一方または両方からなる加工保護材を、被加工部材のレーザ光出射出口側に設けることが提案されている。
【特許文献１】特開平７−１３６７９２号公報
【特許文献２】特許第３７０７９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、上記のように、加工対象材の加工面の裏側に半透明部材と反射部材とを配置する必要がある。また、特許文献１のバックプロテクタを使用する場合、加工対象材の加工面の裏側に、バックプロテクタを収納できる空間やバックプロテクタを出し入れするために十分な空間が必要である。そのため、例えば、動翼の出入り口が小さい内部空間や狭隘部に、薄板状のバックプロテクタ（特に銅材からなる反射部材）を挿入及び排出させるのは困難であった。
【０００６】
特許文献２のように、粉状または粒状の金属製のバックプロテクタを適用した場合、レーザ加工後にバックプロテクタを除去しても、一部が残存しやすい。金属製のバックプロテクタが残存したまま加工製品（タービンブレード翼）を使用すると、金属バックプロテクタが融着する。その結果、タービンブレード翼と融着金属との間で界面電位が発生し、腐食などの原因となる恐れがある。また、保護効果を高めるためには、金属及び高分子の２種類の粉体または粒子を、適切な比率で配合し均一に混合させるなど、ハンドリングが煩雑であることが問題となっていた。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、狭隘部や出入り口が小さい内部空間にも適用可能であり、レーザ光による非加工部の損傷を確実に防止できるレーザ加工用バックプロテクタ、及びそれを用いたレーザ加工方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、有機系光吸収剤を含む耐熱性樹脂で構成されることを特徴とするレーザ加工用バックプロテクタを提供する。
【０００９】
本発明のレーザ加工用バックプロテクタは、耐熱性樹脂でレーザ光を反射し、耐熱性樹脂に含まれる有機系光吸収材でレーザ光を吸収することにより、加工対象部材を貫通したレーザ光が裏面側の部材に到達するのを抑制して、裏面側部材の損傷を防止する。耐熱性樹脂を母材とするため、有機系光吸収材がレーザ光を吸収して発熱しても、レーザ加工用バックプロテクタの変形や焦げなどを防止でき、レーザ加工後も再利用可能である。そのため、加工コストを低減できるとともに、廃棄物による環境負荷を低減することが可能である。本発明のレーザ加工用プロテクタは金属を含有しないため、レーザ加工後に加工対象部材に残存していても高温に曝すことで消失させることができ、金属の融着による腐食を防止することもできる。更に、本発明のレーザ加工用バックプロテクタは、有機系光吸収材と耐熱性樹脂とが一体となっているため、ハンドリングが容易である。
【００１０】
上記発明において、前記有機系光吸収剤を含む耐熱性樹脂のレーザ光の波長に対する吸収率と反射率との和が、厚さ３ｍｍの薄板状体とした場合に６０％以上９０％以下であることが好ましい。
【００１１】
有機系光吸収剤含有耐熱性樹脂を厚さ３ｍｍの薄板状体とした場合におけるレーザ光の波長に対する吸収率と反射率との和が６０％未満の場合は、バックプロテクタをレーザ光が透過しやすくなるため、非加工部の保護機能が低下する。和が９０％を超えると、バックプロテクタの吸収が増大してバックプロテクタの温度が上昇し、バックプロテクタの溶融、燃焼、変形などが生ずる。このため、非加工部の保護機能が低下するだけでなく、変形等が生じたバックプロテクタを再利用できないため、加工コストが高くなる。レーザ加工用バックプロテクタに上記の吸収特性及び反射特性を付与することにより、適切な非加工部保護機能を有し、再利用が可能なレーザ加工用バックプロテクタとすることができる。
【００１２】
この場合、有機系光吸収剤が、アジン系染料であることが好ましい。アジン系染料は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の発振波長近傍に吸収を有し、耐熱性及び耐光性に優れる。
【００１３】
上記発明において、前記耐熱性樹脂の融点が２００℃以上であれば、レーザ加工時のバックプロテクタの変形、融着、焦げなどを確実に防止することができる。
【００１４】
上記発明において、粉体、粒状体、及び薄板状体のうち少なくとも１つの形状を有することが好ましい。
【００１５】
粉体及び粒状体の場合、狭隘部や出入り口が狭い内部空間にレーザ加工用バックプロテクタを充填させやすく、排出させやすい。また、レーザ加工用バックプロテクタが配置される空間が如何なる形状であっても適用可能である。粉体及び粒状体では、粒子にレーザ光が当たる度に吸収及び散乱が繰り返されるため、有機系光吸収剤の量が少なくても非加工部保護機能を効果的に得ることができる。
薄板状体の場合、レーザ加工用バックプロテクタの製造やレーザ加工時のハンドリングが容易であるという利点がある。
【００１６】
また、本発明は、加工対象部材のレーザ光照射面と反対側に、上記のレーザ加工用バックプロテクタを配置する工程と、前記加工対象部材のレーザ光照射面にレーザ光を照射して、前記加工対象部材に貫通孔を形成する工程と、該貫通孔形成後に、前記レーザ加工用バックプロテクタを除去する工程とを備えるレーザ加工方法を提供する。
【００１７】
本発明のレーザ加工用バックプロテクタを用いてレーザ加工を実施すれば、加工対象部材を貫通したレーザ光が裏面側の部材に到達することによる損傷を防止できる。また、レーザ加工用バックプロテクタを複数回にわたり利用することができるので、加工コストを削減し、環境負荷を低減することができる。本発明のレーザ加工方法をタービンブレード翼の製造に適用した場合、レーザ加工用バックプロテクタが金属を含まない有機系材料からなるため、加工後にバックプロテクタが加工対象部材に残留しても、例えばタービン稼働時に消失させることができ、バックプロテクタ由来の金属による腐食を防止できる。
【００１８】
上記のレーザ加工方法を用いて貫通孔が形成されたタービンブレード翼は、レーザ加工時の非加工面の損傷及びレーザ加工用バックプロテクタ由来の金属による腐食が無いため、高性能のタービンブレード翼とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のレーザ加工用バックプロテクタは、耐熱性樹脂でレーザ光を反射し、耐熱性樹脂に含まれる有機系光吸収材でレーザ光を吸収することにより、加工対象部材を貫通したレーザ光による裏面側部材の損傷を防止することができる。また、本発明のレーザ加工用プロテクタは金属を含有しないため、残存するバックプロテクタ由来の金属による腐食を防止することもできる。タービンブレード翼の製造に、本発明のレーザ加工用バックプロテクタを使用したレーザ加工を適用すれば、高性能のタービンブレード翼を得ることができる。
【００２０】
また、本発明のレーザ加工用バックプロテクタは、耐熱性樹脂を母材とするので、レーザ光による変形や焦げなどを防止でき、レーザ加工後も再利用可能である。そのため、加工コストを低減できるとともに、廃棄物量を減少させて環境負荷を低減することができるので有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係るレーザ加工用バックプロテクタ及び加工方法の一実施形態を説明する。
本発明に係るレーザ加工用バックプロテクタは、有機系光吸収剤を含有する耐熱性樹脂で構成される。
【００２２】
本実施形態における耐熱性樹脂は、融点が２００℃以上、好ましくは２５０℃以上の熱可塑性樹脂とされる。例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド６６、ポリアミド４６、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマーなどが挙げられる。
【００２３】
本実施形態に係る有機系光吸収剤は、使用されるレーザ光の波長近傍に吸収があるものとされる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用する場合、有機系光吸収剤は、波長１０６４ｎｍ近傍に吸収があることが好ましい。有機系光吸収剤としては、構成元素に金属を含有しないアジン系染料が好適である。アジン系染料は上記波長領域近傍に吸収を有し、耐熱性及び耐光性に優れる。例えば、オリエント化学工業社製ＬＴＷ−８１７０Ｃ、ＬＴＷ−８４００Ｃ、ＬＴＷ−８９５０Ｈ、ＬＴＷ−８０００Ｃ、ＬＷＴ−８９０１Ｈ、ＬＡＷ−４８０１などとされる。
【００２４】
有機系光吸収剤は、耐熱性樹脂中に分散して含有される。有機系光吸収剤は、耐熱性樹脂の表面に単独で塗布されても良い。あるいは、有機系光吸収剤は、耐熱性樹脂中に分散され、耐熱性樹脂と共に任意の基材表面に塗布されても良い。
【００２５】
本実施形態に係るレーザ加工用バックプロテクタは、粉体、粒状体、または薄板状体とされる。
粉体及び粒状体の場合、狭隘部への出し入れのし易さ、充填性、ハンドリング性、及びレーザ光吸収・散乱特性を考慮すると、粒径は５０μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。粒径が上記範囲より小さいと、静電気によりバックプロテクタ粒子の流動性が不安定になったり、バックプロテクタが飛散したりするので、ハンドリング性が低下する。一方、粒径が上記範囲より大きいと、狭隘部や出入り口の小さい空間への充填が困難である他、単位体積あたりの表面積が減少するために、レーザ光の散乱が不十分となる。
【００２６】
薄板状体のレーザ加工用バックプロテクタは、粉体及び粒状体のバックプロテクタよりも製造が容易である。また、加工時のハンドリング性が良好である。薄板状レーザ加工用バックプロテクタを配置できる十分な空間がある加工対象部材に対しては、薄板状体のバックプロテクタの方が、粉体及び粒状体のバックプロテクタよりも有利である。
【００２７】
本実施形態のレーザ加工用バックプロテクタの製造方法の一例を以下で説明する。
融点以上の温度で溶融した耐熱性樹脂に、有機系光吸収剤が添加されて混練される。これにより、耐熱性樹脂中に有機系光吸収剤が均一に分散される。非加工部を保護する機能や耐熱性樹脂の融着や燃焼等を防止することを考慮すると、厚さ３ｍｍの薄板状体に加工された光吸収剤含有耐熱性樹脂のレーザ光に対する吸収率と反射率との和が、６０％以上９０％以下、好ましくは６５％以上８５％以下であると良い。上記光学特性となるように、耐熱性樹脂と有機系光吸収剤との混合比率が調整される。
【００２８】
有機系光吸収剤を混練した耐熱性樹脂は、上述の粒径を有する粉体または粒状体に成形される。成形は、公知の方法で実施することができる。
例えば、粒状体に成形する方法としては、有機系光吸収剤を混練した耐熱性樹脂を加熱して糸状（直径５０μｍから５ｍｍ）に成形した後、一定の長さ（５０μｍから５ｍｍ）に切断する方法や、低温に保持した有機系光吸収剤を混練した耐熱性樹脂を粉砕した後分級する方法などが挙げられる。また、成形後のレーザ加工用バックプロテクタに曲面形状を付与するために、前述の切断または分級により粒状体となったレーザ加工用バックプロテクタを、高温雰囲気中に噴霧して熱履歴を与える方法などを適用できる。
【００２９】
粉体または粒状体のレーザ加工用バックプロテクタを製造する別の方法として、例えば、耐熱性樹脂からなる粉状または粒状の基材表面に有機系光吸収剤を単独で塗布する方法、または、粉状または粒状の基材表面に、上記の有機系光吸収剤を混練した耐熱性樹脂を塗布して皮膜を形成する方法が挙げられる。
【００３０】
薄板状体のレーザ加工用バックプロテクタの製造方法として、有機系光吸収剤を混練した耐熱性樹脂を公知の手段によりシート状に成形する方法、有機系光吸収剤を混練した耐熱性樹脂を公知の手段により薄板状の基材表面に塗布し皮膜形成する方法などが挙げられる。
【実施例】
【００３１】
ポリフェニレンサルファイド樹脂（ポリプラスチック社製、商品名０２２０Ａ９）に、アジン系染料マスタバッチ（オリエント化学工業製、ＬＡＷ−４８０１）を表１に示す質量比で添加した。ポリフェニレンサルファイド樹脂の融点以上の温度で加熱混練し、ポリフェニレンサルファイド樹脂中にアジン系染料を均一に分散させた。
アジン系染料を分散させた耐熱性樹脂から、厚さ３ｍｍのシート状（薄板状）バックプロテクタ、及び、平均粒径２ｍｍの粒子状バックプロテクタを成形した。
【００３２】
（光学特性）
厚さ３ｍｍのシート状バックプロテクタについて、波長１０６４ｎｍに対する反射率及び透過率を測定した。吸収率は、以下の式（１）を用いて求めた。
吸収率（％）＝１００−透過率（％）−反射率（％）  ・・・（１）
表１に、シート状バックプロテクタの光学特性を示す。
【表１】
2010110798.tif 000002
【００３３】
（孔開け加工）
加工対象部材は、図１に示す箱型のＮｉ基合金部材（インターナショナルニッケルカンパニー社製、商品名ＩＮ７３８ＬＣ、孔開け部の厚さ４ｍｍ）とした。箱型部材１０の側面には、直径１５ｍｍの孔１１が２箇所設けられる。
箱型部材の一方の孔１１をコルク栓で閉じた。表１に示す質量比の粒子状バックプロテクタを、それぞれ、他方の孔１１から箱型部材の内部空間１２に充填し、他方の孔１１をコルク栓で閉じた。箱型部材の内部空間体積とバックプロテクタの見かけ比重から求めた充填率は、９５％であった。
【００３４】
バックプロテクタを充填した箱型部材の加工面１３に対し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（ＤＭＧ社製、ＬＡＳＥＲＴＥＣ  ８０  ＰｏｗｅｒＤｒｉｌｌ）を用いて、直径０．８ｍｍ丸孔加工を実施した。レーザ光照射条件は以下の通りとした。
パルス幅：１ｍｓ
ピーク出力：１０ｋＷ
パルスエネルギー：１０Ｊ
周波数：１２Ｈｚ
アシストガス種：Ｏ２
ガス圧：８×１０５Ｐａ
加工対象部材表面に対する入射角：３０°
加工後、２箇所のコルク栓を除去して、箱型部材内部１２からバックプロテクタを排出した。バックプロテクタ排出後、箱型部材内壁にバックプロテクタが残存していることが目視で確認できた。箱型部材を切断し、内壁に残留するバックプロテクタを拭き取った。
【００３５】
箱型部材内壁における孔開け加工面に対向する面１４を詳細に観察した。また、レーザ加工後のバックプロテクタを観察した。結果を表２に示す。
【表２】
2010110798.tif 000003
【００３６】
試料番号２及び３のバックプロテクタを使用した場合、対向面１４の内壁の損傷は観察されなかった。試料番号１及び４のバックプロテクタを使用した場合は、対向面１４の内壁に損傷が発生していることを確認できた。
【００３７】
試料番号２のバックプロテクタは、一部が融着・変形しているものの、ほぼ全部が再利用可能な状態であった。試料番号３のバックプロテクタは、試料番号２と比較して、融着及び変形している量が多かったが、大部分が再利用可能な状態であった。
試料番号１のバックプロテクタは、一部に融着及び変形が見られた。試料番号４のバックプロテクタは、融着、変形、焦げが発生したものが多く、再利用可能量は試料番号２及び３よりも少なかった。
【００３８】
（バックプロテクタ消失試験）
上述した孔開け加工試験と同様にして、箱型部材にレーザ光を用いて丸孔加工を実施した。バックプロテクタ排出後、箱型部材内壁にバックプロテクタが残存している状態で、１０００℃に維持した電気炉中に箱型部材を入れ、５分間加熱した。加熱後、箱型部材を取り出し、切断して内部を観察した。試料番号１から４のいずれのバックプロテクタを使用した場合も、加熱後の内壁にバックプロテクタは観察されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例で用いた加工対象部材の概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  箱型部材
１１  孔
１２  内部空間
１３  レーザ加工面
１４  対向面
【図１】
2010110798.tif 000004