(57)【要約】【課題】アクセスしにくい領域へのアクセスを可能にするノズルを実現する。【解決手段】本発明は、パルスレーザビームを照射する穿孔装置用のレーザビーム穿孔ヘッドのノズル１４であって、穿孔ヘッドが、ノズルの組立に適した手段を含み、ノズルは、レーザビームが入る第１の開口部と、パルスレーザビームが出る第２の開口部とを含み、ビームの集束手段が、第２の開口部の上流側に設けられ、ミラー１４５が、レーザビームの光学経路でコリメート手段の下流側に配置されて、出力ビームが、入射ビームとなす角度が１８０°未満になるように構成され、ノズルが、レーザビームの補助流体の供給手段を含み、この供給手段は、前記補助流体が、レーザビームの方向に第２の開口部から放出されるように構成されていることを特徴とする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザビームを照射する穿孔装置用のレーザビーム穿孔ヘッドのノズル（４、１４）であって、穿孔ヘッドが、ノズル組立用の適切な手段を含み、ノズルが、レーザビームが入る第１の開口部と、パルスレーザビームが出る第２の開口部とを含み、レーザビームの集束手段が、第２の開口部の上流側に設けられ、ミラー（５、１４５）が、レーザビームの光学経路でコリメート手段の下流側に配置されて、出力ビームが、入射ビームとなす角度が１８０°未満となるように構成され、ノズルが、レーザビームの補助流体の供給手段を含み、該供給手段は、前記補助流体がレーザビームの方向に第２の開口部から放出されるように構成されていることを特徴とする、ノズル。
【請求項２】
ミラー（１４５）が、着脱式の固定手段（１４６）により保持される、請求項１に記載のノズル。
【請求項３】
第２の開口部が、処理部品によるスラグの放出に対する保護手段（１４７）を備える、請求項１または２に記載のノズル。
【請求項４】
出力ビームが、入射ビームとなす角度が８５°未満である、請求項１から３のいずれか一項に記載のノズル。
【請求項５】
直径が、ガスタービンエンジンのタービンの高圧ディストリビュータセクタの翼と翼との間で位置決め可能にするように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のノズル。
【請求項６】
エンジン部品、特にガスタービンエンジンの穿孔または修理用の、請求項１から５のいずれか一項に記載のノズルの使用方法。
【請求項７】
少なくとも二翼からなるガスタービンエンジンのディストリビュータ羽根車のセクタで翼（７１、７２）に冷却用の穴を穿孔するための、請求項６に記載の使用方法。
【請求項８】
ビームの焦点とミラー（１４５）とを隔てる距離が１５ｍｍ未満である、請求項７に記載の使用方法。
【請求項９】
直線ノズルでアクセスできない領域に穿孔するための、請求項８に記載の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームによる金属または非金属部品の穿孔に関する。
【０００２】
本発明は、従来技術のレーザビーム穿孔治具ではアクセスができないまたはアクセスが難しい、金属または非金属壁への穿孔に特に用いられる、レーザビーム加工機器のレーザビーム穿孔ヘッド（ｔｅｔｅ  ｄｅ  ｐｅｒｃａｇｅ）用のノズル（ｂｕｓｅ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
航空機産業では、一般に、タービンまたはコンプレッサを含む幾つかのエンジン部品の壁に小直径の穴を開ける場合、Ｎｄ−ＹＡＧタイプのパルスレーザビーム技術を用いている。これは、たとえば、タービンの羽根（ａｕｂｅ）または機械の高圧部分にあるディストリビュータ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｕｒ）のファン、あるいはまたエンジンの燃焼室の壁部材といった、高温になる部品に関与する。これらの穴は、部品内部から空気流が流れるようにし、それによって冷却や熱保護を行う役目を果たす。
【０００４】
この穿孔技術によれば、適切なエネルギーのパルスレーザビームを、穿孔すべき領域に焦点を合わせて壁に向ける。その場合、材料は、温度上昇により局部的に溶融し、部分的に蒸発する。溶融材料は、ビームの軸に噴射される補助流体（ｆｌｕｉｄｅ  ｄ’ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）により排出される。材料の溶融により壁に穴が残る。このようにして、一般に、直径０．２ｍｍから１．５ｍｍ、深さ０．８ｍｍから２０ｍｍのほぼ円筒形の穴ならびに、菱形や一定形式の穴など、様々な形状の穴が開けられる。ガスタービンエンジンの領域で関与する材料は、主に、熱障壁をなすコーティングを場合によっては施した、ニッケルまたはコバルトを主成分とする合金である。この適用範囲で使用されるＮｄ−ＹＡＧパルスレーザビームは、一例によれば、エネルギーが４ジュール、周波数３０Ｈｚ、パルス持続時間１．２ｍｓ、平均パワー１２０Ｗに対するピークパワーが３．３ｋＷである。
【０００５】
現在使用されているレーザビーム加工機器は、少なくとも一つのビーム集束レンズを含む光学システムを備えた、ほぼ筒状または円錐台形の加工ヘッドを含み、放射されたビームは、光学機器（ｏｐｔｉｑｕｅ）の焦点によって決定される距離のところに、より高密度のビームとして集中される。ヘッドは、ビームを通す直線ノズル（ｂｕｓｅ  ｄｒｏｉｔｅ）で終端し、このノズルは、たとえばガス状の補助流体のための噴射ノズルも形成する。ビームは、穿孔を行うために、処理すべき領域の表面に対して所定の角度に配置される。そのため、加工ヘッドの構造およびその幾何形状から、治具を配置可能にするには、壁に穿孔される穴の軸において一定の十分なスペースが利用できなければならない。現行技術では、このスペースは、最低でも集束点（穿孔領域）と集束レンズとの間のスペースであり、すなわち外形寸法が大きければ、穴へのアクセス可能性が著しく制限される。
【０００６】
一方では、幾つかの部品の製造技術が発達したことで、より複雑な形状が存在するために、レーザビーム加工の実施に際して様々な問題点に遭遇する。一定領域にはレーザビームがアクセスできないことが分かっている。本出願人が知っている先端ノズルを備えたレーザビーム穿孔ヘッドは、光学経路が全て直線である。そのため、部品が、この部品の他の部分により覆われる表面部分を含む場合、覆われた表面部分には、このようなノズルの出力で発生するビームが到達できない。ノズルが取り付けられる穿孔ヘッドを可動式にしても、こうしたアクセス可能性の問題は解決されない。
【０００７】
特に、ディストリビュータセクタ（ｓｅｃｔｅｕｒ）の製造に際して、鋳造技術の発達に伴う問題が提起されている。
【０００８】
従来技術によるディストリビュータセクタの製造技術は、単一翼（ｐａｌｅ）を持つディストリビュータの部材を鋳造し、従来技術の直線ノズルでアクセスできる翼の壁を穿孔し、その後、プラットフォームに沿って２個の部材をろう付けして、二翼のブロックを得ることを含む。直線状の加工ヘッドは、翼を個別に穿孔するのに適している。しかし、この製造方法は、時間がかかり、コストが高く、翼のろう付け接合に関わる様々なリスクや、通過断面（ｓｅｃｔｉｏｎ  ｄｅ  ｐａｓｓａｇｅ）の寸法に関わるリスクのために、品質上の様々な問題を含んでいる。しかも、この方法は、接合継目で部品が脆弱になる。
【０００９】
また、冷却回路を内蔵した、２枚またはそれ以上の翼を持つ部品の鋳造を実施することができる。下部プラットフォームと上部プラットフォームとの間で、少なくとも二翼を含むこのようなモノブロックのディストリビュータの部材またはセクタ間の冷却穴を穿孔することは、直線ノズルでは、どこでも可能というわけではない。幾つかの部分にはアクセスできない。
【特許文献１】欧州特許出願公開第１２７３３８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、アクセスしにくい領域へのアクセスを可能にするノズルを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、パルスレーザビームを照射する穿孔装置用のレーザビーム穿孔ヘッドのノズルであって、穿孔ヘッドが、ノズル組立に適した手段を含み、ノズルは、レーザビームが入る第１の開口部と、パルスレーザビームが出る第２の開口部とを含み、レーザビームの集束手段が、前記第２の開口部の上流側に設けられた、穿孔ヘッドノズルにより、上記の目的が達せられる。
【００１２】
このノズルは、ミラーが、レーザビームの光学経路でコリメート手段の下流側に配置されて、出力ビームが、入射ビームとなす角度が１８０°未満となるよう構成され、ノズルが、レーザビームの補助流体の供給手段を含んで、この供給手段は、前記補助流体がレーザビームの方向に第２の開口部から放出されるように構成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明により、処理部品の表面に対し、この表面の上で穿孔穴の軸において利用できる場所に応じて、大きく傾斜可能なノズルを実現できる。
【００１４】
さらに、以前ではアクセスできない領域に穿孔を行える本発明によるノズルは、冷却効率を大幅に向上させることができる。
【００１５】
このようなノズルはまた、穿孔手段へのアクセス可能性を準備する必要性に束縛されないので、これらの部品の製造方法を最適化するとともに、設計可能性を広げることができる。
【００１６】
有利には、補助流体がガスであり、ビームが発生するスラグ（ｓｃｏｒｉｅ）の排出に寄与するだけではなく、集束されるレーザビームがぶつかるミラーを冷却し、場合によっては粒子の溶融および排出を補助する役割を果たす。
【００１７】
９０°のビーム反射ミラーを含む先端ノズルを備えたレーザビーム溶接ヘッドが既に知られている。たとえば、出願人は、小型レーザビームによる溶接機器を対象とする欧州特許出願公開第１２７３３８２号明細書の名義人である。この特許の目的は、溶接面のごく近くに正面開口部を導くことができる溶接ヘッドを対象としており、光学部品が溶融金属の蒸気や放出（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）によって汚されることなく、かつこの溶融金属が正面開口部から出るガス流で妨害されることがない。しかし、この種の治具は、光ファイバの延長線上にくるように構成されていることが知られており、特にコリメートレンズおよび集束レンズに適合する光学システムを含む。小型化されているとはいっても、本発明で検討されている用途と比べれば外形寸法が大きいままである。しかも、溶接に用いられるレーザは、所定のピークパワーを有するパルスモードの動作を特徴とする加工レーザとは逆に、連続ＣＯ２タイプのガス装置である。従って、この特許の開示は、金属部品の加工用途には適さない。
【００１８】
好適には、ミラーは、一連の照射後、ミラーを迅速に交換可能な着脱式の固定手段により保持され、ノズル交換の必要はない。
【００１９】
別の特徴によれば、ノズルの第２の開口部は、処理される部品によるスラグの放出に対する保護手段を備える。保護手段は、たとえばブレード（ｌａｍｅ）であって、反射ミラーがスラグで汚れないようにする。
【００２０】
同様に、本発明によれば、少なくとも二翼からなる、特に航空機のガスタービンエンジンのディストリビュータ羽根車（ｒｏｕｅ）部材の翼に冷却穴を開けるために、このようなノズルを用いる。特に、モノブロックの羽根車付きディスク等の、完成された羽根車の場合を対象とする。
【００２１】
その場合、直径が、ガスタービンエンジンの高圧タービンディストリビュータのセクタの翼と翼との間で位置決めを可能にするように構成される。
【００２２】
二翼のディストリビュータのブロックの翼を穿孔可能にすることは、製造計画で重要な長所となる。ディストリビュータの翼間の通過断面は、エンジンの動作にとって重要なパラメータである。この断面が、燃焼室から出るガス流を較正し、ロータを高圧駆動する。通常、鋳造された単一翼は、ろう付けにより組み立てられる。ろう付けおよび加工の公差は、エンジン動作により課される通過断面での公差レベルで微調整する必要がある。従って、二翼のディストリビュータのブロックを直接製造できることは、生産性利得に加えて、エンジン効率の改善に関しても長所となり、組立がなくなるために部品がいっそう堅牢化される。
【００２３】
別の特徴によれば、ビームの焦点とミラーとを隔てる距離が、１５ｍｍ未満である。ディストリビュータの場合、下面と上面のあらゆる場所でアクセスを最適化するために、この距離は、ブロックの翼と翼の間で利用可能なスペースに対してノズルを十分に小型化できる距離である。この距離が非常に短いので、たとえば燃焼室のリング（ａｎｎｅａｕ）等の他のあらゆるタイプの部品、または従来技術の直線ノズル技術ではアクセスできない穿孔を要する他のあらゆる用途に対して、アクセス可能性を大幅に広げることができる。
【００２４】
他の特徴および長所は、添付図面に関する実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１では、本発明によるレーザビーム穿孔装置の実施形態を示した。図では主要部材だけを示した。ここでは、これらの主要部材が、ディストリビュータの翼の穿孔位置にある。
【００２６】
レーザ光源１は、たとえば、波長１０６４μｍのＮｄ−ＹＡＧタイプのパルス光源である。レーザビーム２は、装置により加工ヘッド３まで伝達される。このヘッドは、ビームの光学経路Ｃに沿って、補助流体の入口３１と筒状部分３２とを含む。ヘッド内部には、また、ビームを集束する光学システム３３がある。これはレンズであって、その焦点距離により、このレンズの下流側でビームの焦点を決定する。
【００２７】
たとえば金属製のノズル４は、レーザビームの光学経路の延長線上でヘッド３の下流側端に着脱式に固定される。ノズルは、ヘッド３の筒状部分からのレーザビームが入る第１の開口部４１と、このビームが出る第２の開口部４２とを含む。図示された実施形態によれば、出力部４２は側面にある。反射ミラー５は、光学経路Ｃを交差してここでは４５°の角度で配置され、従ってビームを９０°偏向させる。集束されるレーザビームは、反射ミラーから一定の距離のところにある一点、いわゆる焦点に集中する。本発明によるこのノズル４は、従来技術の直線ノズルに代わってヘッド３に取り付けられる。そのため、この実施形態では、ヘッド３および装置のアセンブリを変更しなくともよい。ノズル４だけが新規である。
【００２８】
反射ミラーは、集束後のビームを遮断する（ｉｎｔｅｒｃｅｐｔａｎｔ）ので、反射エネルギーの密度は非常に高い。ミラーに関して考慮すべきファクターは、特に、その限界抵抗と寿命である。限界抵抗は、レーザのエネルギー密度により決定され、寿命は、ピークパワーにより決定される。光束保持性（ｔｅｎｕｅ  ｄｅ  ｆｌｕｘ）の良好なミラーは、基板と、使用される波長に応じた処理とから構成される。基板の構成材料の二つの例としては、溶融シリカとホウケイ酸ガラス（ＢＫ７）とが挙げられる。これらは、ＢＫ７では光束保持性が７３Ｊ／ｃｍ２であり、溶融シリカでは７５Ｊ／ｃｍ２である。処理は、波長およびミラーの入射角度を決定する誘電性の層から構成される。
【００２９】
ビームを横方向に反射するために、アクセスしにくい部品領域を穿孔することができる。図１に示されたように、部品７１、７２は、二つの翼７１、７２からなるガスタービンエンジンのディストリビュータのブロック８の翼である。本発明の構成により、二つの翼を分離する必要はない。ヘッド３の先端にあるノズル４は、このブロックの二つの翼の間に設けられたスペースで摺動可能であり、翼７１の上面に沿って、また隣接する翼７２の下面に沿って、穿孔を行うことができる。ノズルの直径は、その先端付近でたとえば１０ｍｍである。ノズルは、２０ｍｍ程度の小さなスペースに設置可能である。
【００３０】
図２に、ノズルの第２の実施形態を示した。ヘッド１３は、ブレード１３３により保護される集束レンズ１３２を備えたプレート１３１を含む。全体は、ノズル１４用の支持体１３５により延長されるフェルール（ｖｉｒｏｌｅ）１３４で覆われている。ノズル１４は、外側連結部品１４０により支持体１３５に取り付けられる。ノズル本体そのものは、端に行くにつれて直径が小さくなる円筒部分１４１から構成される。
【００３１】
図３は、ノズル端の詳細図であり、図４は、ノズルが含む各部品の分解組立図である。ノズルは、筒状部分の延長線上で穿孔され、ミラー１４５のための溝（ｌｏｇｅｍｅｎｔ）１４２を含む。ミラーは、留め具１４６によりその溝に保持され、この留め具は、リングと、筒状部分に設けられた切り欠きに収容されるフックを備えた２個の分枝部（ｂｒａｎｃｈ）とから構成される。リングにより、伝達されるビームでミラーにより反射されない部分が、ノズルによって吸収されないようにすることができる。ミラーは、レーザビームの光学経路と所定の角度をなすように溝に配置される。ノズルは、ミラー１４５でのビームの反射後に光学経路によって形成される方向に、筒状部分１４３を含み、この筒状部分１４３は、光学経路に対して横方向に配置された保護ブレード１４７のための横溝１４４で終端する。保護ブレード１４７は、インジェクタをなす部品１４８により保持され、一定のねじピッチを有する。
【００３２】
図示されていないダクトにより、管１４１の内部はインジェクタ１４８と連通している。
【００３３】
動作時に、レーザビームは、レンズ１３２により集束され、ミラー１４５により反射される。ビームの密度は、インジェクタ１４８の下流側に配置される焦点で最大である。補助流体は、ビームと同軸にノズルに加圧導入され、インジェクタ１４８から出るビームの方向に噴射される。補助流体は、ミラーの表面を一掃することによってミラーを冷却する役割を果たす。保護ブレードは、処理領域から排出されるスラグがミラーを汚さないようにする。
【００３４】
ノズルの第２の開口部から出るビームが入射ビームとなす角度は、処理部品の形状により決定される。ここでは、角度が４５°であるが、それ以外であってもよい。好適には８５°未満であり、たとえば３０°から８０°である。
【００３５】
ミラー１４５と集束レンズ１３２との距離を利用することによって、ミラー１４５に対する焦点Ｆの距離を、吸収すべきエネルギーに対するミラーの耐性を考慮して、最適値に調整することができる。実際、ミラーを後退させれば、ミラーの焦点が近づくが、ミラーにおけるビームのエネルギー密度は高くなり、それを超えるとミラーが急速に劣化する限界値に達するまでになる。この不都合を解消するために、適切な集束レンズを用いて焦点距離を延ばすことができる。
【００３６】
ノズルを小型化していることから、有利には、ノズルの位置の細かなセンタリング手段を設けてもよいことに留意すべきである。
【００３７】
図示されていない別の実施形態によれば、ミラー１４５は凹型である。
【００３８】
別の実施形態によれば、ミラー１４５の下流側に、補完的な集束レンズを配置する。
【００３９】
ガスタービンエンジンで冷却される単結晶または等軸の高圧ディストリビュータ用に、２個のプラットフォーム間で組み立てられた二翼からなるブロックの穿孔試験を実施した。ノズル、特に、ミラーを支持するノズル端は、向かい合った下面および上面の二面の大部分にアクセスするように十分小型化されていた。このようにして、到達領域に応じて異なる反射角度を持つ一組のノズルを使用し、部分的には１個の直線ノズルを使用した。使用されたレーザ光源は、上記の特性を持つＮｄ−ＹＡＧパルスタイプであった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明によるレーザビーム穿孔装置の概略図である。
【図２】本発明による加工ヘッドとノズルの縦断面図である。
【図３】図２のノズル先端の３−３線による拡大断面図である。
【図４】様々な部材を備えたノズル先端の分解組立図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  レーザ光源
２  レーザビーム
３、１３  ヘッド
４、１４  ノズル
５、１４５  ミラー
８  ディストリビュータ
３１  補助流体の入口
３２、１４３  筒状部分
３３  光学システム
４１  第１の開口部
４２  第２の開口部
７１、７２  部品
１３１  プレート
１３２  集束レンズ
１３３  ブレード
１３４  フェルール
１３５  支持体
１４０  外側連結部品
１４１  円筒部分
１４２  溝
１４４  横溝
１４６  留め具
１４７  保護ブレード
１４８  インジェクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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