(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースにおいて形状化された孔を形成するレーザー掘削方法であって、
非円形のファイバーコアからレーザービームの連続したパルスを放射するレーザーを準備するステップであって、各パルスは、前記ワークピースを貫通して伝搬し、かつ、ガウス形状を有する、ステップと、
約１ミリ秒〜約１５ミリ秒、前記ワークピース上に各パルスを集光するステップと、
前記ワークピースの入口面及びビームウエスト上、及び／または、これらの間に所望の非円形のビームスポットを有する所定のパルスビームを使用して孔を形成するステップであって、前記ビームウエストは、ビームの近接場である前記ワークピース内の前記入口面から下流の所定の距離に形成され、これにより、前記入口面上に非円形ビームスポットを形成することにより、ビームの近接場に、非円形断面を有する形状化された孔の先細のディフューザー部分と、非円形断面が円形断面に変形するビームの伝搬によってビームの遠距離場である前記ビームウエストと前記ワークピースの出口面との間に形成された、均一な直径を有する前記出口面内に開口する、前記形状化された孔の円形のメーター部分と、を形成する、ステップと；
を備えることを特徴とするレーザー掘削方法。
【請求項２】
前記形状化された孔が、複数パルス掘削操作において形成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー掘削方法。
【請求項３】
所望のビームスポットサイズと、ビームガイド光学系の焦点と一致するウエストの位置と、を独立して調整するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザー掘削方法。
【請求項４】
前記入口面上の所望のビームスポットサイズと、前記入口面から所定の距離ビームガイド光学系の焦点面と、を同時に調整するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザー掘削方法。
【請求項５】
前記ビームスポットサイズと焦点距離とを同時に調整するステップは、前記ファイバーコアから下流のビームの寸法を変えるステップを備えることを特徴とする請求項４に記載のレーザー掘削方法。
【請求項６】
前記ワークピースと前記ファイバーコアとを互いに対して移動するステップであって、これにより、前記ワークピース内の形状化された孔の所望のパターンを構成する、ステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザー掘削方法。
【請求項７】
前記非円形の断面を異なる非円形の断面に変形するように前記ファイバーコアを回転するステップであって、前記非円形の断面の１つは、矩形であり、別の断面はひし形であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー掘削方法。
【請求項８】
前記パルスそれぞれが約１００Ｈｚまでの繰り返し率でＭＷに届く最大電力で放射され、パルス接続時間の範囲が、約１ミリ秒〜約１５ミリ秒の間で可変することを特徴とする請求項１に記載のレーザー掘削方法。
【請求項９】
前記所望される非円形形状は、楕円断面または多角形断面を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザー掘削方法。
【請求項１０】
ワークピースに形状化された孔を形成するためのレーザー掘削組立体であって、
経路に沿って光ビームパルスを放射する非円形のコアを有するファイバーであって、ビームそれぞれがガウスビーム形状を有する、ファイバーと、
前記ファイバーから下流に配置され、かつ、前記ワークピースに向けて前記光ビームパルスをガイドするように構成され、これにより、個々のパルスが孔を形成しながら前記光ビームパルスが前記ワークピースを通って伝搬し、これにより、前記ワークピースの入口面とビームウエストとの間のガウス形状の近距離場が、前記ワークピースの入口面上の前記コアの非円形の像を有し、かつ、光学システムの焦点面内で終端する先細のディフューザー部分を形成し、一方で、非円形断面が円形断面に変形するビームの伝搬によって、ビームウエストと前記ワークピースの出口面との間のガウスビーム形状の遠距離場が、前記焦点面と焦点から下流に離間された出口面との間の前記形状化された孔の円形のメーター部分を形成し、前記形状化された孔は、約１ミリ秒〜約１５ミリ秒で可変する範囲内で形成される、光学システムと、
を備えることを特徴とするレーザー掘削組立体。
【請求項１１】
前記光ビームパルスを発生するファイバーレーザーシステムであって、前記光ビームパルスそれぞれが、約１ミリ秒と約１５ミリ秒との間の範囲のパルス接続時間、約１００Ｈｚまでの繰り替えし率、及び１０６０ｎｍ辺りを中心とした波長を有する、ファイバーレーザーシステムをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー掘削組立体。    
【請求項１２】
前記光ビームパルスそれぞれが、ｋＷレベル〜ＭＷレベルで可変する最大電力範囲を有することを特徴とする請求項１０記載のレーザー掘削組立体。
【請求項１３】
前記コア及び前記光学システムが、前記入口面上の所望の寸法の像と、前記形状化された孔のディフューザー部分及びメーター部分の長さを規定する前記焦点面の所望の位置と、をもたらすように構成されることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー掘削組立体。
【請求項１４】
前記光学システムが、前記入口面と前記出口面との間の所望の距離で前記焦点面を有するように構成される集束レンズを含み、前記ビームそれぞれが前記焦点面内に位置するガウス形状のウエストの位置を有することを特徴とする請求項１０に記載のレーザー掘削組立体。
【請求項１５】
前記光学システムが、コアから下流に配置されるコリメーターと、前記コリメーターと前記ワークピースとの間に一連の離隔した反射ミラーと、を含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザー掘削組立体。
【請求項１６】
前記光学システムは、前記コアと前記ワークピースとの間にコリメータシステムを含み、前記コリメータシステムが、前記経路に沿って移動可能な２つのレンズを含むレンズ組立体と、前記レンズ組立体から下流にコリメートレンズと、を含み、前記レンズ組立体及び前記コリメートレンズが、所望の寸法、かつ、入口面と出口面との間の所望の距離での前記焦点面に非円形の像を調整するように、互いに対して調整可能に移動可能であることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー掘削組立体。
【請求項１７】
操作可能に前記レンズに接続されるアクチュエータと、前記像の前記所望の寸法及び前記焦点面の位置を決定するように、かつ、前記像の前記所望の寸法及び前記焦点面の位置に対応する所望の距離で互いに対してレンズを移動するように構成された前記アクチュエータに信号を出力するように操作可能なソフトウェアが備わっているコントローラと、をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のレーザー掘削組立体。
【請求項１８】
操作可能に前記ファイバーに接続され、かつ、前記ファイバーを回転して、矩形断面とひし形断面との間でコアの像を変形させるために前記コアの前記像を変形するように構成されたアクチュエータをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー掘削組立体。
【請求項１９】
前記コアの断面が、正多角形断面、正多角形でない多角形断面、及び、楕円断面から成る群から選択されることを特徴とする請求項１０に記載のレーザー掘削組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ワークピースへの形状化された孔の大量形成ための工程及びシステムに関し、より具体的には、金属部品のファイバーレーザー加工による形状化された冷却孔を形成するための改善された方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
形状化された孔を有する冷却部品の適切な設計は、適切に実現すると、より効果的かつ費用効果的な翼、タービンエンジン、及び、別の部品をもたらす。レーザー加工における特定の興味は、競合する方法に対するそのスピードと、遮熱コーティング（ＴＢＣ）を有する部品における形状化された孔を形成するための能力とにある。よって、形状からされた冷却孔の掘削は、近代のジェットエンジン及び他の部品の製造において標準的な技法となった。
【０００３】
形状化された孔は、ディフューザー部分及びメーター部分（diffuser and metering sections）と共に構成される。ガス媒体の経路に沿った孔の下流部分であるディフューザーは、「形状」を含む非円形部である。ディフューザーは、表面に一部を覆う空気の層をまき散らす、または拡散する。メーター部分は、孔の円筒状の入力部分を指す。震動工程及び穿孔レーザー掘削工程の主に２つの方法が形状化された孔を形成するために使用される。
【０００４】
震動方法は、要求される孔の直径と略等しい直径に集光されるレーザービームを活用する。レーザーは、静的な材料の表面に集光され、一連のレーザーパルスが材料に発射され、各レーザーパルスが、材料を貫通して均一に構成された孔が作られるまで、熔解除去によって材料を取り除く。初めの段階の後に、放電加工（ＥＤＭ）によってディフューザー形状が形成される。この工程は、所望の形状に正確に形成する間、時間がかかり、従って、非費用効果的である。
【０００５】
穿孔掘削は、レーザービームが要求される孔の直径より小さい直径に集光されると認識されている。材料は、先ず、通常は要求される孔の直径の中心に小さな下孔が開けられる。次いで、円形の軌道を回る動作が、レーザービームまたは部品に適用されて、要求される直径まで孔を切削する。メーター孔は、ディフューザー形状を形成するのに３０秒以上かかるところ、とても素早く掘削され得る。震動掘削のようなこの方法は時間がかかり、特に、航空機のタービン、燃焼器、翼、及び同類物など、多数の冷却孔が部品の表面に設けられる際に特に好ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、改善された、費用効果的な、形状化された孔のレーザー掘削方法のニーズがある。
【０００７】
単一ファイバーレーザーからとても素早く、多数の形状化された孔を形成するレーザー掘削方法のニーズもある。
【０００８】
さらに、レーザー掘削の前または最中に、集光面の位置と、ディフューザー部分及びメーター部分の寸法とを同時に調整するレーザー掘削方法のニーズもある。
【０００９】
さらに、開示された方法を利用するように構成されるシステムのニーズもある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この要求は、ファイバーレーザーからの供給ファイバーか、ガウス電磁気分布を有する単一モードにおける放射物を照射する非円形コアを有する適切なパッシブな送達のいずれかを有する、高出力のパルスまたは準パルスファイバーレーザーを利用することによって満たされる。非円形コアを利用すること及び構成部品の表面上にコアの像を取得することによって、１つまたは複数のパルスで異なる形状が生成される。ビームがワークピースを貫通して伝搬すると、ビームガイド光学系の焦点面と一致するビームウエストの位置で、非円形断面が円形断面に次第に変形し、これにより、所望の均一の直径を有するメーター部分を形成する。
【００１１】
本願発明の方法の一態様によると、孔全体が、単一掘削操作、すなわち、単一レーザーパルスで作られる。或いは、一連の短いパルスがこのタスクを達成する。イッテルビウムレーザーなどの高出力ファイバーレーザーは、約１ミリ秒〜約１５ミリ秒で孔を掘削する。
【００１２】
さらなる態様では、本願発明方法は、焦点距離、すなわち、各ディフューザーとメーター部分の長さを規定する、と、レーザー加工されるワークピースの表面上のスポットサイズとの両方の調整をもたらす。この態様の実現は、共通光学軸に沿ったコリメーター部品の移動を含み、このことが、焦点距離及びスポットサイズの簡単な調整をもたらす。或いは、もちろん、送達ファイバーを交換して所望のコア断面を有することができ、集束レンズが、所望の焦点距離を得るために選択されてもよい。
【００１３】
本願発明のさらなる開発によると、装置が、高出力Ｙｂファイバーレーザーを有する、５または６軸システムを含む、効果的な本願発明方法を実行するように構成されてもよく、装置は、約１〜１５ミリ秒で、かつ、好ましくは、しかし限定することなく単一パルスで多数の孔それぞれを形成する。
【００１４】
本願発明装置の態様の１つは、ファイバーの矩形のコアを回転することによって形成されるひし形のビームスポットの形成に関する。このことは、矩形ビームスポットがひし形に変形するように、その長軸を中心にファイバーを回転することによって達成される。
【００１５】
さらなる態様では、本願発明装置は、レーザー加工されるワークピースの表面上のビームスポットと、ビームの焦点距離とを同時に調整する。焦点距離を調整することで、均一な断面になるメーター孔部分の長さ及び直径は、容易に調整可能である。メーター部分と共に、表面上のディフューザーの開口の寸法を規定するビームスポットもまた調整される。
【００１６】
上記及び他の態様、特徴及び利点が、次の図が添付される開示事項の具体的な説明により、さらに分かり易く明確になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本願発明の装置の線図である。
【図１Ａ】本願発明に従って使用されるファイバーの可能な構成の１つの端面図である。
【図２】本願発明の方法及び装置に従って掘削された形状化された孔の上面面図(ＦＩＧ．２Ａ)及び側面図(ＦＩＧ．２Ｂ)である。
【図３Ａ】ガウスビーム形状の、コンピューターで生成された図である。
【図３Ｂ】ビームスポットの、コンピューターで生成された図である。
【図３Ｃ】レーザー加工されるワークピースの表面上のガウスビームの３Ｄ形状の、コンピューターで生成された図である。
【図４Ａ】２Ｄのガウスビーム形状の、コンピューターで生成された図である。
【図４Ｂ】ビームスポットの、コンピューターで生成された図である。
【図４Ｃ】レーザー加工されるワークピース内へのビームウエストの配置後のガウスビームの３Ｄ形状の、コンピューターで生成された図である。
【図５】本願発明の方法及び装置に従って形成されたビーム入口面上の非円形ディフューザーそれぞれの上面図である。
【図６】本願発明の方法及び装置に従って形成されたビーム出口面上の円形のメーター孔それぞれの底面図である。
【図７】本願発明の方法及び装置に従って形成された形状化された孔の等角図である。
【図８Ａ】本願発明の方法及び装置に従って形成された多数孔パターンの例を示す図である。
【図８Ｂ】本願発明の方法及び装置に従って形成された多数孔パターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本願発明の下記の具体的な説明は例示するだけのものであり、本願発明の主旨、または、本願発明の主旨の応用及び使用を限定するものではない。
【００１９】
図１を参照すると、孔掘削組立体１０は、コリメーター１６に向けた経路に沿って信号光をガイドするパッシブファイバーに結合される出力信号光を生成する高出力ファイバーレーザーシステム１２を含む。コリメートされたビームは、離間したミラー１８、２０、及び２２それぞれを通過して集束レンズ２４に衝突するようにさらにガイドされる。集束レンズは、ワークピースの本体内に位置する焦点Ｆで平面に対して角度を付けてワークピース２６の入口面２８にビームを導く。
【００２０】
レーザーシステム１２は、通常それぞれが直列に、しかし、場合により並列に結合された、１つまたは複数の増幅カスケードを有する、例えば、主要オシレータ／電力増幅器（main oscillator/power amplifier 「ＭＯＰＡ」）を含む様々な構成を有し得る。通常、システム１２は、所定周波数でのｋＷ−ＭＷの最大電力の範囲、すなわち、約１００Ｈｚまでのパルス繰り返し数で、単一モード（ＳＭ）の信号光を放射するパルスシステムとして構成される。或いは、システム１２は、準パルス（quasi-pulsed）システムとして構成され得る。
【００２１】
図１Ａを参照すると、パッシブファイバー１４は、非円形コア３０を有し、非円形コア３０は、例としてのみ示されるように矩形の断面を有するが、例えば、台形、楕円形などを含むその他の任意の規則的または非規則的な多角形を有することができる。コア３０は、電磁界のガウス分布を有する単一モード（ＳＭ）のレーザービームをガイドするように構成される。既知のように、矩形のビームスポットにおけるエネルギー分布、すなわち、図１のワークピース２６の強調面上のコアの平坦な上面図、は、円形のビームより均一である。レーザービームは、約１０６０ｎなどの任意の所望の波長で伝搬し得、かつ、約１〜約１５ミリ秒で１つの流出孔を形成するための所望のパルス接続時間、強度、及び、繰り返し数によって特徴化される。
【００２２】
図２は、流出冷却孔３２の所望の非円形の形状の上面図と側面図とをそれぞれ示す。孔３２は、ワークピース２６の反対側の入口２８と出口面３４との間に延在し、かつ、ディフューザー部分３６及び出口面３４における冷却媒体の入口であるが、光路に沿って孔の下流部を画定するメーター部分３８を含む。表面２８は、例えば、燃焼器などの高温ガスが通過する対象物であり、メーター部分３８に入る冷却媒体によって冷却される必要がある。メーター部分３８の断面は、略、均一に円形であり、冷却媒体が形状化された孔に沿って流れる速さを規定する。孔３２の対称軸と面３４との間の角度４２は、９０度より小さく、好ましくは、１０度〜８０度であり、これにより、流れが可能な限り入口面２８の近くに残るように、冷却媒体の流れ４０が入口面２８に向かうように配向する。言い換えると、表面２８へのディフューザー部分３６のオリフィスでの流れ４０の速度ベクトルが早いほど、表面２８の平面への流れがより平行になる。
【００２３】
流れ４０をできるだけ入口面２８に流れ近くに配向するために、ディフューザー３６は、冷却媒体が孔３２を離れる際に冷却媒体によって横断されるオリフィス４４の周辺を広げる。オリフィスの前で、冷却媒体４０の流れる方向において、ディフューザー部分３６は、角度４２より小さい角度４８で入口面２８において斜面になっている表面４６を有する。
【００２４】
図３Ａ〜図３Ｃは、ディフューザー部分３６の構成を図示する。非円形のコアから放射されたガウスビームは、表面に入射する際には非円形である必要はない。実際には、線５０を含み、かつ、ウエスト５４で終端する比較的小さい部分５０のみが、所望の非円形の形状を形成する。条件付きで、この領域は、ビームの近接場と称され、ウエスト５４を含む。本願発明のシステムの光学系は、非円形のビームスポットと一致する線５２が入口面２８の平面内に形成されように構成され、これにより、所望の非円形のビームスポットのみでなく、所望の寸法を有する非円形のスポットを有するオリフィス４４（図３Ｂ）を形成する。図３Ｃは、入口面２８上の平坦な上面のガウスビームを示す。
【００２５】
図４Ａ〜図４Ｃは、ウエスト５４から線５６への遠距離場下流におけるビームの挙動を図示する。つまり、孔３２は、その遠距離場のビームの断面に対応する円形断面５８によって特徴化される。ウエスト５４と表面３４との間の距離（図２Ｂ）は、形状化された孔３２のメーター部分３８の所望の長さ及び直径を規定する。
【００２６】
図１に戻ると、異なるサイズ、形状の孔は、通常、同一の面上にさえ形成される必要がある。これは、適切に選択されたコアサイズを有する表面２８上のディフューザー断面と、入口面２８から所望の距離の焦点Ｆを形成するためにレンズ２４を構成することによる焦点距離Ｆと、独立して調整することによって達成され得る。
【００２７】
または、システム２０は、非円形ビームスポットサイズと焦点Ｆとを同時に調整作業できる光学システムを有するように構成され得る。示されるように、互いに対して取り外し可能に固定される２つのレンズを含むレンズ組立体６０は、コリメーター１６に対して両端矢印６２に沿った光路に沿って移動可能である。組立体６０がレンズ１６に近づくと、ビームの直径、従って、ビームスポットは、焦点Ｆが、ワークピース２６の表面２８のより近くに位置する状態で、より小さくなる。組立体６０の移動を逆にすると、焦点を入口面２８からより遠ざけて形成することになり、ビームスポットを大きくする。組立体６０の移動は、アクチュエータ６４によって感知され、順に、中央処理装置からの調整信号に応答して作動する。中央処理装置は図に示されていないが、電気技術の当業者にとって公知である。
【００２８】
本願発明のさらなる開発において、掘削組立体１０は、矩形のコア３０を有するファイバー１４を交換することなく、表面２８上のビームスポットの形状を変えるように構成される。
【００２９】
以下は、図２の組立体１０の推移知的なテストに使用される例示的なパラメータである。
＜パラメータ例＃１−単一パルス掘削＞
最大電力  −  １５０００Ｗ
パルス接続時間  −  １５ミリ秒
パルスの＃  −  １パルス／孔
角度  −  表面から２５度
補助ガス  −  空気＠７５ｐｓｉ
ノズルスタンドオフ  −  ３０ｍｍ
＜パラメータ例＃２−マルチパルス掘削＞
最大電力  −  １００００Ｗ
パルス接続時間  −  １ミリ秒
パルス繰り返し率  −  ２５Ｈｚ
パルスの＃  −  １０パルス／孔
角度  −  表面から２５度
補助ガス  −  空気＠７５ｐｓｉ
ノズルスタンドオフ  −  ３０ｍｍ
【００３０】
上記の本願発明の例からわかるように、流出孔は、単一パルス／孔、または、複数パルスによって形成され得る。しかしながら、孔が形成されるスピードは、１５ミリ秒／孔を超えず、１ミリ秒以下まで速くできる。実験では、１００孔／分までが効果的に形成できることが確認された。
【００３１】
図５、６、及び７は、それぞれ、ディフューザー部分３６の非円形オリフィス、ワークピースの出口面に開口するメーター部分３８、及び、形状化された孔３２の等角図を図示する。見てわかるように、ディフューザー３６の形状が、完全に矩形でない一方、当然、産業上の要求の大部分を満足する実質的に矩形である。メーター部分３８の形状は、完全に満足がいくものであり、見てわかるように、略円形である。
【００３２】
図８Ａ及び図３Ｂを参照すると、図１の組立体１０を使って、様々な孔のパターンが形成され得る。例えば、ワークピースとレーザーヘッドとを互いに対して直線的に移動して、図８Ａに示すように様々な非円形パターンを得ることができる。好ましくは、ワークピース２６をレーザーヘッドに対して回転することで、図８Ｂの円形パターンを形成できる。上述のように、孔３２の寸法は、所望される場合、同一のパターンで次から次に変えることができる。
【００３３】
添付する図面を参照に、上述の本発明の好ましい実施形態の少なくとも１つを説明してきたが、本発明がこれらの正確な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。つまり、異なるパターン、孔寸法、レーザービームパターン、及び同類物を含む、種々の変更、修正、及び、適応が、上述の発明の範囲又は精神の範囲から逸脱することなく当業者によって行われ得る。
【符号の説明】
【００３４】
１０  孔掘削組立体
１２  高出力ファイバーレーザーシステム
１４  パッシブファイバー
１６  コリメーター
１８、２０、２２  ミラー
２４  集束レンズ
２６  ワークピース
２８  入口面
３０  非円形コア
３２  孔
３４  出口面
３６  ディフューザー部分
３８  メーター部分
４０  流れ、冷却媒体
４２  角度
４４  オリフィス
４６  表面
４８  角度
５４  ウエスト
５６  線
６０  レンズ組立体
【図１】
0006545617.tif 000002
【図１Ａ】
0006545617.tif 000003
【図２】
0006545617.tif 000004
【図３Ａ】
0006545617.tif 000005
【図３Ｂ】
0006545617.tif 000006
【図３Ｃ】
0006545617.tif 000007
【図４Ａ】
0006545617.tif 000008
【図４Ｂ】
0006545617.tif 000009
【図４Ｃ】
0006545617.tif 000010
【図５】
0006545617.tif 000011
【図６】
0006545617.tif 000012
【図７】
0006545617.tif 000013
【図８】
0006545617.tif 000014
【図８Ｂ】
0006545617.tif 000015