(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を用いて被加工部品に孔あけ加工する方法において、
前記レーザ光により孔あけされる前記被加工部品の加工孔のレーザ光出射出口側に、前記レーザ光を反射しまたはレーザ光の出力を減衰させる粉状または粒状の金属のみからなる、もしくは当該粉状または粒状の金属と前記レーザ光を散乱させる粉状または粒状の高分子化合物とを混合させてなる加工保護材を設定し、前記加工孔より出射されるレーザ光から前記被加工部品の非加工部分を保護することを特徴とする孔あけ加工方法。
【請求項２】
レーザ光により孔あけされる被加工部品の加工孔のレーザ光出射出口側に設定する加工保護材において、
前記レーザ光を反射しまたはレーザ光の出力を減衰させる金属からなる粉状体または粒状体により構成したことを特徴とする加工保護材。
【請求項３】
レーザ光により孔あけされる被加工部品の加工孔のレーザ光出射出口側に設定する加工保護材において、
前記レーザ光を反射しまたはレーザ光の出力を減衰させる金属からなる粉状体または粒状体と、前記レーザ光を散乱させる高分子化合物からなる粉状体または粒状体とを混合させて構成したことを特徴とする加工保護材。
【請求項４】
粉状体または粒状体は、φ１０μｍ〜φ５ｍｍの粒径のものを用いることを特徴とする請求項２または３に記載の加工保護材。
【請求項５】
粉状体または粒状体は、被加工部品の加工保護材設定用スペースに対して５％〜５０％の充填率をもって充填し設定することを特徴とする請求項２または３に記載の加工保護材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光を用いて孔あけ加工する孔あけ加工方法および加工保護材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン翼、燃焼器その他シュラウドセグメントなどは、ガスタービンの燃焼ガス温度に十分に耐える必要から耐熱合金が用いられている。また、シュラウドセグメントなどは、その基材表面を冷却するために、基材に多数のフィルム冷却孔が形成されている。
【０００３】
ところで、従来、フィルム冷却孔の孔あけ加工時、基材の熱ダメージを回避するため、ほとんど放電加工による孔あけ加工方法が実施されている。しかし、この孔あけ加工方法は、生産効率の面から十分なものでない。
【０００４】
そこで、近年，生産効率を考慮し、さらにレーザ発振器の性能の飛躍的な進歩を受け、ＹＡＧレーザ光を用いてシュラウドセグメントなどにフィルム冷却孔を形成することが行なれつつある。
【０００５】
しかし、ＹＡＧレーザ光によるフィルム冷却孔の加工方法は、ＹＡＧレーザ発振器のピーク出力が増大するに従い、孔あけ加工された冷却孔から出射されたレーザ光により、非加工部分の基材や耐熱性・耐食性のために施されたコーティング層が損傷を受けるといった問題がある。
【０００６】
以下、レーザ発振器を用いた従来の孔あけ加工方法について図７および図８を参照して具体的に説明する。
図７は例えばガスタービンの静翼に孔あけ加工を行う例を示す図である。
【０００７】
この静翼２１は、ガスタービンの燃焼ガス温度などから基材を冷却し保護するために多数のフィルム冷却孔２２，…が形成される。このフィルム冷却孔２２，…の孔あけ加工は、ＴＡＧレーザ発振器（図示せず）から発振されたレーザ光２３を集光レンズ２４で集光し、この集光されたレーザ光を静翼２１である基材の予め定められた所要の個所に順次照射し、基材やコーティング層を貫通させることにより、多数のフィルム冷却孔２２，…を形成する。
【０００８】
図８は静翼２１の胴体部分の断面図であって、孔あけ加工された冷却孔２２から出射されたレーザ光の出射方向を示す図である。
従来、以上のように集光されたレーザ光を基材の所要の個所に照射しフィルム冷却孔２２，…を形成するが、これら冷却孔２２から出射されたレーザ光が非加工部分にも照射され、熱ダメージを受けることから、冷却孔２２のレーザ光出射出口側にポリテトラフルオロエチレンなどの加工保護材２５を設定し、レーザ光２６による基材などの熱ダメージを防止している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のようにレーザ光２３を用いた孔あけ加工方法は、確実、かつ、迅速にフィルム冷却孔２２，…を形成するために、ピーク出力の高いレーザ光を用いて孔あけ加工を行っているが、このようにピーク出力の高いレーザ光を用いた場合、ポリテトラフルオロエチレン保護材２５では基材などの熱ダメージを完全に防止することが難しく、冷却孔２２，…から出射されたレーザ光２６により基材などに損傷部分２７をつくってしまう問題がある。これは、基材に限らず、コーティング層にもそれ相当のダメージを与える。
【００１０】
特に、基材が厚いために深い冷却孔２２，…を孔あけ加工するとか、冷却孔２２，…から出射されたレーザ光２６を保護材２５などで保護するのが難しい形状の被加工部品，例えばガスタービンの静翼，動翼，シュラウドセグメント，燃焼器部品などに共通する問題であり、早急に解決することが望まれていた。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、レーザ光を用いた孔あけ加工時、被加工部分に損傷を与えずに孔あけ加工を効率よく、かつ、的確に行なう孔あけ加工方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、被加工部品の内部形状に拘らず、確実に設定可能とし、よって孔あけ加工された加工孔から出射するレーザ光を適切、かつ、確実に減衰させる加工保護材を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、レーザ光を用いて被加工部品に孔あけ加工する方法において、前記レーザ光により孔あけされる前記被加工部品の加工孔のレーザ光出射出口側に、前記レーザ光を反射しまたはレーザ光の出力を減衰させる粉状または粒状の金属のみからなる、もしくは当該粉状または粒状の金属と前記レーザ光を散乱させる粉状または粒状の高分子化合物とを混合させてなる加工保護材を設定し、前記加工孔より出射されるレーザ光から前記被加工部品の非加工部分を保護する孔あけ加工方法である。
【００１４】
この発明は以上のような孔あけ加工方法することにより、レーザ光を用いているので、被加工部品の孔あけ加工の効率を上げることができ、粉状または粒状の金属のみ、もしくは当該粉状または粒状の金属と粉状または粒状の高分子化合物とを混合させてなる加工保護材を設定するので、例えば被加工部品の内部形状に拘らず、容易に充填設定でき、しかも加工保護材によって散乱及び反射・吸収等を繰り返すことにより、加工孔から出射するレーザ光を適切、かつ、確実に減衰させることができ、非加工部分となる基材の損傷を確実に防止できる。
【００２２】
また、本発明は、レーザ光により孔あけされる被加工部品の加工孔のレーザ光出射出口側に設定する加工保護材であって、前記レーザ光を反射しまたはレーザ光の出力を減衰させる金属からなる粉状体または粒状体により構成するか、もしくは前記レーザ光を反射しまたはレーザ光の出力を減衰させる金属からなる粉状体または粒状体と、前記レーザ光を散乱させる高分子化合物からなる粉状体または粒状体とを混合させて構成すれば、例えば被加工部品の内部形状が細い孔形状であったり、複雑な形状であっても確実に充填し設定でき、加工保護材の役割を果たすことができる。
【００２３】
なお、粉状または粒状の径は、φ１０μm 〜φ５mmのものを用いれば、加工保護材の役割を十分に果たし、レーザ光による被加工部品の基材の損傷を防止できる。
【００２４】
さらに、高分子化合物および金属の一方または両方を粉状体または粒状体は、被加工部品の加工保護材設定用スペースに対し５％から５０％の充填率をもって充填し設定すれば、被加工部品の加工保護材としての役割を果たす。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる孔あけ加工方法、加工保護材および耐熱性被加工部品の実施の形態について説明する。
図１および図２は孔あけ加工方法および加工保護材を説明する図である。
【００２９】
図１は耐熱加工部品として例えばガスタービン高温部品の１つであるシュラウドセグメントを示す図である。
このシュラウドセグメント１は、高合金の耐熱性基材であり、この基材を冷却するために、当該基材の所要とする個所にレーザ光を用いて必要な数の冷却孔２，…を形成する。このレーザ光による冷却孔２，…の孔あけ加工時、孔あけ加工部分以外のコーティング層を含む基材（以下、基材と総称する）に熱ダメージを生じさせると、ガスタービンの運転時にシュラウドセグメント基材が高温強度に大きく影響を受ける。ゆえに、冷却孔２，…の孔あけ加工に際し、基材の熱ダメージを抑制することが非常に重要となる。
【００３０】
そこで、以下、基材の熱ダメージを抑制しつつ、シュラウドセグメント１の所要の個所に冷却孔２，…の孔あけ加工を行なう孔あけ加工方法について図２を参照して説明する。図２はシュラウドセグメント１の１断面図である。
【００３１】
シュラウドセグメント１に冷却孔２，…を孔あけ加工する場合、先ず、孔あけ加工される冷却孔２のレーザ光出射光路上に加工保護材３を設定し、レーザ光出射光路上に当たる保護対象となる斜線部分５の基材の損傷を防止する。
【００３２】
この加工保護材３としては、集光させたレーザ光を散乱させる高分子化合物３ａ例えばポリテトラフルオロエチレンと、レーザ光を反射させ、或いはレーザ光の出力を減衰させる金属３ａ例えば銅Ｃｕとの積層体によって構成されている。なお、レーザ光のピーク出力の大きさその他の要因により、高分子化合物３ａおよび金属３ｂのうち、何れか１種類のものを２枚以上重ね合わた積層体であってもよい。
【００３３】
この積層体は、例えば次のように構成されている。
0003707914.tif 000002
これら高分子化合物、金属の重ね合わせに際し、最小板厚の状態で重ね合わせた方が加工保護材３の機能面から有効であるが、製作上の面を考慮すると０．１mmが有効である。また、最大板厚はガスタービン高温部品の形状等に鑑みて、５ｍｍが妥当である。
【００３４】
なお、積層体は、図示上側の最上層に金属板体であるＣｕのみを配置し、かつ、他の板体と比較して数倍の厚さのものを用いれば、ガスタービン高温部品に固定するときに有効である。
【００３５】
また、ガスタービン高温部品であるシュラウドセグメント１に積層体を設定するに際し、加工孔からレーザ光が出射する出射部分から例えば０．１mm以上の距離となるように、基材との間に間隙ｄを形成する。これは、孔あけ加工時に発生する溶融金属および金属酸化物が加工孔にとどまり、適切、かつ、確実に孔あけ加工ができない不具合を防止するためである。
【００３６】
以上のようにして高温部品であるシュラウドセグメント１に加工保護材３を挿入固定した後、次に述べるような孔あけ加工を実施する。なお、レーザ発振器としてＹＡＧレーザ発振器を用い、かつ、次のようなレーザ光孔あけ条件のもとにレーザ光を照射する。
【００３７】
＊  レーザ光孔あけ条件
基材              ：Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金
レーザ光のパルス幅：０．１〜２．０ms
パルスデューティ  ：５〜５０Ｈｚ
レーザエネルギ    ：５〜２０Ｊ／パルス
孔あけ用ガス      ：Ｎ2 ガス、Ａｒガス、Ｏ2 ガス、エア
ガ  ス  圧        ：２〜１０Kgf ／cm2
そこで、以上のようなレーザ光孔あけ条件のもとに、ＹＡＧレーザ発振器からレーザ光６を発振させ、集光レンズ７にて集光し、シュラウドセグメント１の所要とする個所に照射し、シュラウドセグメント１に孔あけ加工を行って冷却孔２を形成する。このとき、孔あけ加工された冷却孔２からレーザ光が出射され、加工保護材３に入射される。ここで、０．３mm以下に集光されたレーザ光が加工保護材３の１つである高分子化合物３ａであるポリテトラフルオロエチレン板体に照射されるが、このポリテトラフルオロエチレン板体にてレーザ光を散乱させ、レーザ光による非加工部分の基材貫通能力を大幅に低減させる。
【００３８】
さらに、ポリテトラフルオロエチレン板体に金属であるＣｕ板体が積層されているが、このＣｕ板体は次のような２つの機能を果たす。その１つはレーザ光がＣｕ板体を貫通するときにレーザ光を吸収する機能であり、他の１つはポリテトラフルオロエチレン板体で散乱されたレーザ光をＣｕ板体にて反射させ、結果として保護対象となるシュラウドセグメント基材３である斜線部分５にレーザ光を到達させない機能である。
【００３９】
よって、以上のような機能をもつ高分子化合物３ａと金属３ｂとを積層した加工保護材３を用いることにより、冷却孔２から出射されるレーザ光が加工保護材３で減衰され、非加工部分となる基材に対する熱ダメージを抑制できる。
【００４０】
また、加工保護材３は、孔あけ加工される基材と密着されていないので、孔あけ加工時に発生した溶融金属および金属酸化物は冷却孔８に止まることなく、間隙部分に排出でき、孔あけ加工を適切、かつ、確実に行なうことができる。
【００４１】
なお、孔の深さで決まるレーザ照射による入熱を考慮し、ポリテトラフルオロエチレン板体およびＣｕ板体の総数や板厚を増減させることにより、基材の熱ダメージを容易に可変抑制できる。
【００４２】
従って、以上のような実施の形態によれば、従来の孔あけ加工方法では、板厚１０mmのＣｕ板体１枚であっても、また板厚１０mmのポリテトラフルオロエチレン板体１枚であっても、孔あけ加工された冷却孔から出射するレーザ光によって基材が損傷し、非加工部分が孔あけされたり、熱的強度が低下する問題があったが、本発明の加工方法では、高分子化合物３ａおよび金属３ｂの何れか１種類の板体を積層するか、或いは高分子化合物３ａの板体と金属３ｂの板体とを積層する加工保護材３を用いることにより、高分子化合物３ａにてレーザ光を散乱させ、また金属３ｂにてレーザ光の吸収ないし反射させることにより、冷却孔２から出射されたレーザ光が保護対象となる基材に到達するまでに散乱、反射ないし吸収され、保護対象となる基材の損傷を容易に回避でき、生産効率を高めつつ冷却孔２を形成することができる。
（その他の実施の形態）
（１）  加工保護材３のうち、レーザ光を吸収させる機能を期待する板状の金属３ｂとしては、融点が例えば１０００°Ｃ以上の高融点材料，例えばＭｏやＷなどを用いてもよい。
【００４３】
このように高融点材料の板状の金属３ｂを用いれば、レーザ光が加工保護材３を貫通するとき、冷却孔２から出射するレーザ光出力が高融点材料により大きく減衰し、レーザ光による冷却孔２の孔あけ加工が効率よく、かつ、容易に形成できる。
（２）  加工保護材３のうち、レーザ光を反射させる機能を期待する板状の金属３ｂとして、レーザ光に対し高反射率をもつ材料，例えばＣｕ合金やＡｌ合金等を用いてもよい。
【００４４】
このような高反射率をもつ金属材料を用いれば、冷却孔２から出射されるレーザ光が高分子化合物３ａによって散乱され、板状の金属３ｂに入ってきたとき、当該板状の金属３ｂによって高反射率で確実に反射させることができ、保護対象となる基材を何ら損傷せずに冷却孔２の孔あけ加工を効率よく、容易に形成できる。
（３）  加工保護材３のうち、レーザ光を散乱させる機能を期待する高分子化合物３ａとしては、分子量が大きい例えばポリテトラフルオロエチレンやエポキシなどを用いてもよい。
【００４５】
このようにレーザ光を散乱させる性質をもつ高分子化合物３ａを用いれば、冷却孔２から出射されたレーザ光が高分子化合物３ａにより大きく散乱するので、冷却孔２の中心軸上にそうレーザ光の出力ピークが大幅に抑制でき、さらに板状の金属３ｂを通すことにより、当該板状の金属３ｂの吸収および散乱機能により、レーザ光の出力が大幅に減衰させることができ、保護対象となる基材の損傷を容易に回避できる。
（４）  さらに、加工保護材３としては、高分子化合物３ａおよび金属３ｂをそれぞれ板状とせずに粒状，粉状（以下、粒状と総称する）化すれば被加工部品の内部空隙の形状に応じて適宜選択的に板体と粒状とを使い分けしながら利用できる。すなわち、高分子化合物３ａおよび金属３ｂの何れか一方または両方を粒状化することにより、高分子化合物３ａと金属３ｂとを混合化して使用でき、またガスタービンの高温部品の内部形状を考慮しつつ任意の間隙部分に供給し、加工保護材３として利用することができる。
（５）  加工保護材３のうち、レーザ光を吸収させる機能を期待する粒状の金属３ｂとしては、レーザ光の吸収率を大きくする場合には、その粒状体の粒径が小さい方が望ましい。しかし、製法上の効率化等の問題があるので、最小粒径として例えばφ１０μm とする一方、最大粒径にはガスタービンの高温部品の形状を加味すればφ５mmとする。しかし、ガスタービン以外の高温部品を考えれば、最大粒径はφ５mmに限るものではない。
【００４６】
このような粒径をもつ粒状の金属３ｂを用いることにより、比較的容易に製造でき、しかもレーザ光の吸収を大きく上げることができ、結果としてレーザ光の出力を減衰させることができ、冷却孔２から出射するレーザ光から保護対象となる基材を保護できる。
（６）  また、粒状体を用いる場合、高分子化合物３ａおよび金属３ｂの一方または両方の粒状体がどの程度の充填率で充填すれば適切であるのか実験を積み重ねた結果、図３に示すような結果が得られた。この図３から明らかなように、従来の基材の損傷率を半分以下に低下させる場合、孔あけ加工される冷却孔２レーザ光出射出口側の空隙設定用スペースに対し、５％から５０％の充填率で充填するものとする。
【００４７】
このように空隙設定用スペースに対し、高分子化合物３ａおよび金属３ｂの一方または両方の粒状体を５％から５０％の充填率をもって充填すれば、従来のように全く設定できないといったことがなくなり、また少なくとも従来に対し基材の損傷率を大幅に低減できる。
（耐熱性被加工部品に関する実施の形態）
（１）  耐熱性被加工部品であるガスタービン高温部品に関し、図４に示すように孔深さに対する冷却孔２のレーザ光出口から保護対象となる基材までの距離Ｌ（mm）と基材損傷率（％）との関係を調べてみると、図５に示すような特性が得られる。なお、図示（イ）は基材の孔深さ，つまり冷却孔８の孔深さが５mm、図示（ロ）は孔深さが２０mmの場合である。また、この特性は加工保護材３を設定されているものとする。
【００４８】
そこで、図５の特性から検討すると、レーザ光を用いて孔あけ加工する場合、ガスタービン高温部品の基材が薄く、孔深さが５ｍｍのとき、冷却孔２のレーザ光出射出口から保護対象となる基材までの距離Ｌが少なくとも２mm以上にすれば、当該基材の損傷率を大きく低減させつつ冷却孔２を形成できる。
【００４９】
一方、ガスタービン高温部品の基材が厚く、孔深さが２０ｍｍのとき、冷却孔２のレーザ光出射出口から保護対象となる基材までの距離Ｌが少なくとも５mm以上にすれば、当該基材の損傷率を大きく低減させつつ冷却孔２を形成できる。
【００５０】
このことは、基材の厚みや孔深さを考慮しながら、ガスタービン高温部品内部の空隙形状を設計するとか、孔あけ個所や孔あけ方向を工夫すれば、保護対象となる基材を損傷せずに、レーザ光を用いて確実に孔あけ加工できる。
（２）  また、本発明者等は、レーザ光を用いて、基材に損傷なく孔あけ加工を行なうため、ＹＡＧレーザ光のピーク出力（KW）と孔あけ可能な深さ（mm）との関係を調べたところ、図６に示すような特性が得られた。この図６に示す特性から検討すると、２mm〜４０mmの孔深さの孔あけ加工を行なう場合、ＹＡＧレーザ光のピーク出力として２０〜４０KWの範囲とすれば、基材に損傷を与えずに孔あけ加工できる。
【００５１】
なお、前述する全実施の形態では、ＹＡＧレーザを用いて孔あけ加工する例について述べているが、例えば他の産業用に用いられているＣＯ2 レーザやエキシマレーザを用いても、ガスタービン部品に冷却孔２を孔あけすることが可能であり、同様に基材の損傷を容易に防止できる。
【００５２】
また、被加工部品は、高合金の耐熱性基材を例に上げたが、単一金属または金属とセラミックスとの複合材その他レーザ光により孔あけ加工される全ての部品に適用可能である。
さらに、レーザ光を用いて孔あけ加工する場合、そのレーザ光の波長に言及しなかつたが、３００nm〜１１０００nmの波長の範囲が有効である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような種々の効果を奏する。
請求項１の発明によれば、レーザ光を用いているので、被加工部品の孔あけ加工の効率を上げることができ、また粉状または粒状の金属のみからなる、もしくは粉状または粒状の金属と粉状または粒状の高分子化合物とを混合させてなる加工保護材を設定することにより、例えば被加工部品の内部形状に拘らず、容易に充填設定でき、レーザ光を散乱及び反射・吸収等を繰り返すことにより確実に減衰させることができ、被加工部品の非加工部分となる基材の損傷を確実に防止できる。
【００５９】
請求項２の発明によれば、加工保護材の構成部材として、金属からなる粉状体または粒状体を用いれば、被加工部品の内部形状に影響されずに加工保護材を設定できる。
請求項３の発明によれば、加工保護材の構成部材として、金属からなる粉状体または粒状体と高分子化合物の粉状体または粒状体との混合化により、請求項２の発明と同様の効果を奏する。
【００６０】
請求項４の発明によれば、粉状体または粒状体の径として、φ１０μｍ〜φ５ｍｍのものを用いれば、加工保護材の役割を十分に果たし、レーザ光による被加工部品の基材の損傷を防止できる。
【００６１】
請求項５の発明によれば、被加工部品の保護材設定用スペースに対し５％〜５０％の充填率をもって充填し設定すれば、被加工部品の加工保護材としての役割を果たすことができ、被加工部材の基材の損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わる孔あけ加工方法の一実施の形態を適用するガスタービン高温部品の説明図。
【図２】  本発明に係わる孔あけ加工方法および加工保護材の一実施の形態を示す断面図。
【図３】  本発明の他の実施の形態を説明する図。
【図４】  本発明のさらに他の実施の形態を説明するガスタービン高温部品の図。
【図５】  図４に示す基材までの距離Ｌと基材損傷率との関係を説明する図。
【図６】  本発明のさらに他の実施の形態を説明する図。
【図７】  従来のレーザ光による孔あけ加工方法を説明する図。
【図８】  従来のレーザ光による孔あけ加工方法を説明するガスタービンの静翼の断面図。
【符号の説明】
１…被加工部品（シュラウドセグメント）
２…冷却孔
３…加工保護材
３ａ…高分子化合物
３ｂ…金属
５…非加工部分（斜線部分）
６…レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003707914.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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