(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク（４０）の所定の領域をレーザビーム（３０）で負荷し、これによって、前記領域に穴（４４）を形成して、レーザ穿孔するための方法において、
当該方法を、調整可能なプロセスガス雰囲気下で実施し、これによって、レーザビームとプロセスガスとの間の相互作用に基づき、レーザビーム（３０）によって負荷される領域もしくは穴（４４）にプラズマを形成し、
穴（４４）の、レーザビーム（３０）によって形成された出口開口（４３）に裏当て（２０）を配置し、
該裏当て（２０）を、出口開口（４３）および／またはワーク（４０）に対して、出口開口（４３）の形状に影響を与える間隔を置いて配置し、かつ／または裏当て（２０）を傾倒によって、出口開口および／またはワーク（４０）に対して、出口開口（４３）の形状に影響を与える規定された角度を成して配置することを特徴とする、レーザ穿孔するための方法。
【請求項２】
プロセスガスとして不活性ガス、特に窒素を、特に希ガス、たとえばヘリウム、アルゴンおよびこれに類するものを添加して使用する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
プロセスガスを圧力下にし、この場合、プロセスガスを、特に最大１．５ｂａｒの圧力下にする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
プロセスガスの負荷方向を傾倒によってレーザビーム（３０）の方向に対して相対的に調整し、この場合、傾倒の角度が、特に最大１５゜である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記材料が、銅含有の材料である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記間隔が、２０μｍ〜２００μｍの間にある、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記角度が、最大２０゜である。請求項１記載の方法。
【請求項８】
レーザ穿孔するための装置であって、当該装置によって、ワーク（４０）の所定の領域が、穴（４４）を形成するためにレーザビーム（３０）で負荷可能である形式のものにおいて、当該装置が、レーザビーム（３０）によって負荷される領域および／または穴（４４）におけるプロセスガス雰囲気を調整するための手段（１１，１２）を有しており、これによって、レーザビーム（３０）とプロセスガスとの間の相互作用に基づき、レーザビームによって負荷される領域もしくは穴（４４）にプラズマが形成されるようになっており、さらに、当該装置が、形成された穴（４４）の出口開口（４３）に位置決め可能な裏当て（２０）を有しており、該裏当て（２０）が、出口開口（４３）および／またはワーク（４０）に対して、出口開口（４３）の形状に影響を与える間隔を置いて配置されており、かつ／または裏当て（２０）が、傾倒によって、出口開口および／またはワーク（４０）に対して、出口開口（４３）の形状に影響を与える規定された角度を成して配置されていることを特徴とする、レーザ穿孔するための装置。
【請求項９】
プロセスガス雰囲気を調整するための手段（１１，１２）が、少なくとも１つのガスノズル（１２）を有している、請求項８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、レーザ穿孔するための方法および請求項８の上位概念部に記載した形式の相応の装置に関する。
【０００２】
背景技術
燃料噴射システムのノズルには、慣用の形式で精密最小穴が侵食法によって加工される。この技術によって、現在、約１２０μｍの最小の直径を大量生産することができる。さらに、レーザ穿孔によって、１２０μｍよりも小さな直径を備えた精密穴の製作も可能であるが、大量生産法としてこれまでまだ導入されていない。
【０００３】
燃料噴射の分野では、ますます円錐形の穴が要求される。この場合、燃料出口開口は、燃料入口開口よりも小さな直径を有している。このような精密最小穴は、すでにディーゼル燃料（直接噴射）またはガソリン燃料（吸気管噴射および直接噴射）のためのシステムに使用される。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第１９９０５５７１号明細書には、レーザ穿孔法が記載されている。この場合、レーザビームがワークに対して相対的にみそすり運動を実施する。これによって、ワークの内部に円錐面が貫通されることが達成される。この場合、レーザビームの偏光面はみそすり運動に対して同期的に回転させられる。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００５４８５３号明細書には、レーザビームによってワークにマイクロ穴を加工するための方法が開示されている。この場合、レーザビームの焦点は、穴軸線に対して同心的な円軌道に沿って連続的に運動させられる。この場合、レーザビームは一連の短レーザパルスから形成されている。
【０００６】
従来の全ての穿孔プロセスでは、形成された孔が液体侵食（ＨＥ）による丸み付けによって後処理されなければならない。このことは、たとえば燃料噴射システムにおいて、（穿孔壁表面の改善およびノズルの個々の穿孔穴のハイドロリック的な流量率の間のばらつきの減少のほかに）、特に燃料入口の縁部の丸み付けのために働く。このことは、この箇所での流れ抵抗の著しい減少を生ぜしめ、さらに、望ましくないキャビテーション現象を減少させる。
【０００７】
この方向での別の著しい改善は、円錐性と、特徴的なＨＥ丸み付けとの組合せによって達成される。
【０００８】
本発明によって、短パルスレーザ（ｎｓ）または超短パルスレーザ（ｐｓ／ｆｓ）による穿孔プロセスの間、孔（燃料入口）の出口の経過に適切に影響が与えられることが望ましい。特に、たとえば拡張部および凸部を備えた対称的なかつ非対称的な種々異なる出口経過の簡単なかつ手間のかからない提供が実現されることが望ましい。
【０００９】
この目標は、請求項１の特徴を備えた、レーザ穿孔するための方法ならびに請求項８の特徴を備えた相応の装置によって達成される。
【００１０】
発明の利点
本発明により提案された、レーザ穿孔するための方法では、構成部材の所定の領域がレーザビームで負荷される。この場合、この領域の内部に穴が形成される。この負荷もしくは穿孔は、調整可能なプロセスガス雰囲気下で実施される。この場合、レーザビームによって負荷される領域もしくは穴の内部での、使用されるレーザビームと、選択されたプロセスガスとの間の相互作用に基づき、プロセスガスのイオン化によってプラズマが形成される。付加的には、本発明によれば、穴の、レーザビームによって形成された出口開口に裏当てが配置されることが提案されている。
【００１１】
本発明により使用されるプロセスガスもしくはガス混合物は、第１に加工品質の向上ならびに加工時間の最適化、特に加工時間の短縮のために役立つ。この場合、特殊なプロセスガス雰囲気の提供によって、負荷される領域もしくは穴におけるレーザビーム・材料相互作用ひいては加工プロセスに直接影響が与えられる。このようなプロセスガス雰囲気は、使用されるレーザ放射線と、加工したい材料との相互作用時の、本発明により形成されるプラズマの特性を規定する。この場合、プラズマ形成は材料蒸気によって助成される。レーザとして、たとえば固体レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧ）が使用される。種々異なるプロセスガスはその都度、たとえば温度および膨張において区別することができるプラズマを発生させる。
【００１２】
本発明による方法の利点として、特に丸みの製作のために、ＨＥ丸み付けのプロセス時間を著しく減少させることができるかもしくはＨＥ丸み付けがもはや不要となることを述べることができる。さらに、本発明による方法によって、このことがＨＥ丸み付けを許容しないように、燃料入口を形成することができる。特に本発明による方法によって、非対称的な丸みを加工することができるかまたは対称的なあるいは非対称的な凸部を燃料入口のすぐ後方に形成することができる。丸みは、改善された流入特性の利点を有しているのに対して、凸部は、燃料入口に生ぜしめられ得る渦流を阻止するかまたは適切に発生させるために役立ち得る。
【００１３】
特に材料からのレーザビームの再進出の直前および間のプラズマ状態が、出口の適切な構成のために重要となる。選択されたパラメータ、たとえばガス組成、ガス圧および／またはガス流れ方向に応じて、丸み、凸部および／またはシャープな出口縁部を形成することができる。この場合、このことは、全穿孔穴出口にわたって回転対称的に均一に行うことができるかまたは現象を一方の側にのみ生ぜしめることができる。
【００１４】
後室防護材料、いわゆる「裏当て」は、材料からの再進出後のレーザビームの自由な伝搬を阻止する役割を有している。このことは、慣用の形式では、別のワークもしくは構成部分または同一のワークの別の領域を損傷前に防護するために役立ち得る。さらに、このような裏当ては、閉鎖された穿孔穴の状態を、規定された時間の間維持することができ、したがって、出口開口もしくは孔出口を所望のように形成することができることに貢献することができる。
【００１５】
裏当ては、使用事例に応じて、種々異なる材料、たとえばポリマ、金属またはセラミック材料から成っている。
【００１６】
裏当ては、到来したレーザ放射線を材料の方向に逆反射するかまたはプロセスガスからイオン化されたプラズマの拡幅に影響を与え、したがって、さらなる材料除去を生ぜしめることによって、穿孔穴出口の構成に影響を与える。場合によって裏当ての除去により形成されるプラズマは別の影響を与えることができる。
【００１７】
本発明による方法の有利な実施態様もしくは本発明による装置の有利な構成は、従属請求項の対象である。
【００１８】
方法では、プロセスガスとして、有利には不活性ガス、たとえば窒素が、特に希ガス、たとえばヘリウム、アルゴンおよびこれに類するものを添加して使用される。このようなプロセスガスの使用は、負荷したい領域が不活性になり、これによって、この領域の酸化が回避されるという利点を有している。さらに、プロセスガスのこのような組成によって、十分な穿孔壁表面品質および溶融膜厚さが保証されていることが達成される。
【００１９】
さらに、有利には、プロセスガスが圧力下に置かれており、この場合、圧力が、有利には約１．５ｂａｒ未満に調整されていることが提案されている。これによって、製作された穴内への凸部の形成が助成される。より高い圧力を選択することも同じく可能である。これによって、凸部を抑圧することができる。一般的には、本発明により使用される圧力が、加工したいワークの縁領域の近くに膨出兆候を生ぜしめることを確認することができる。使用される圧力が高ければ高いほど、膨出兆候がますます深くワークの内部に移動させられる。
【００２０】
さらに、有利には、プロセスガスの負荷方向を傾倒によってレーザビームの方向に対して相対的に調整することが提案されていてよい。この場合、傾倒の角度は、特に０゜〜１５゜の間にあってよい。傾倒角の適切な選択によって、穴形状、特に凸部または拡張部を種々異なる形式で著しく非対称的に形成することができることが保証されている。
【００２１】
本発明による方法の実施時に形成されるプラズマによって、数１００ｂａｒのオーダ内の算出された圧力と、数１０ｋｍ／ｓの流速とを、負荷される領域もしくは穴に生ぜしめることができる。この結果、有利には、特にこれにより形成された溶融物の、加速させられた搬出によって、より高い材料除去にアクティブに貢献される。
【００２２】
プロセスガスのイオン化には、プロセスガスの、形成された供給条件（組成、圧力、方向）以外に、特にレーザビームの特性、たとえば波長および出力によっても影響を与えることができる。
【００２３】
この場合に使用される裏当ては、出口開口の形状もしくは構成に影響を与える熱的なもしくは光学的な特性を有していてよい。この場合、特に適切な金属材料、特に銅を設けることが提案されている。この材料特性は、特に出口開口の拡張部の寸法に対して重要である。したがって、たとえば１０６４μｍのレーザ波長および出口開口に対して適切な間隔を置いて配置された、銅から成る裏当ての場合には、比較的大きな拡張部が形成されるのに対して、鋼から成る裏当ての場合には、比較的小さな拡張部が形成される。さらに、裏当てのジオメトリは出口開口の形状もしくは構成に影響を与えることができる。本発明によれば、特に裏当て材料としての銅の使用が有利となる。念のために付言しておくと、銅は一般的に機関構造の分野では好んで使用されない。なぜならば、機関分野における銅堆積の事例では、使用される燃料内に存在する硫黄との相互作用に基づき、硫化物形成が生ぜしめられ得るからである。これによって、機関の寿命にネガティブな影響が与えられる。しかし、ワークにおける固有に形成された穴の形成に関連した、本発明の枠内で使用可能な銅の特性は、この欠点を著しく克服している。
【００２４】
さらに、有利には、裏当てを出口開口に対して、この出口開口の形状に影響を与える間隔を置いて配置することが提案されていてよい。このような間隔は、有利には２０μｍ〜２００μｍの間に選択される。
【００２５】
このような間隔の適切な選択によって、穿孔穴出口の拡張部のジオメトリに簡単に影響を与えることができる。
【００２６】
裏当ては傾倒によって出口開口に対して相対的に、設定された角度を成して配置することができる。この場合、異なる大きさに選択された傾倒量は、穿孔穴の出口開口の非対称的な拡張部を異なる大きさで形成する。この場合に有利に使用される角度は、０゜〜２０゜の間で変動する。
【００２７】
特に裏当ての構成と出口開口に対して相対的な裏当ての配置との適切な選択によって、穴の出口開口の領域に簡単に対称的なもしくは非対称的な丸みを加工することができる。このことは、追補的なＨＥ丸み付けがもはや不要となるかもしくは制限された範囲にしか必要とならないという利点を有している。
【００２８】
特に本発明による方法を実施することができる本発明による装置は、この装置が、レーザビームと、加工したい構成部材のための保持装置と、プロセスガス雰囲気を調整するための手段とを有していることによって特徴付けられている。
【００２９】
プロセスガス雰囲気を調整するための手段として、有利には、少なくとも１つのガスノズルを設けることができる。これによって、適切な組成の流動するプロセスガスが、簡単に制御もしくは調整されて適切な圧力下でならびに適切な角度を成して、ワークの、負荷したい領域に方向付け可能となる。プロセスガスの適切な組成はガス混合器によって提供することができる。
【００３０】
補足的には、これに対して、本発明によれば、構成部材にレーザビームの作用によって形成された出口開口に裏当てが位置決め可能であるように装置を形成することが提案されていてよい。
【００３１】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００３２】
図１には、本発明による装置の図示の構成が全体的に符号１００で示してある。レーザ３１によって発生させられたレーザビーム３０はまず拡張光学系３２を横断する。レーザビーム３０はシャッタ３４で部分的に反射されるかもしくは切り換えられる。この場合、その際に散乱させられたかもしくは過剰の残放射線がビーム吸収器３３によって吸収される。レーザビーム３０の方向はそのビーム路の内部で１つまたはそれ以上のミラー３７によって変向させられる。さらに、ビーム路の内部には穿孔光学系３５が配置されている。さらに、装置はレーザビームの焦点調節のために焦点調節レンズ３６を有している。さらに、レーザビーム３０のビーム路はガスノズル１２を通過し、加工したいワーク４０に衝突する。
【００３３】
本発明による方法を実施するために必要となるプロセスガスはガス混合器１１によって提供され、管路１１ａを介してガスノズル１２に付与される。プロセスガスはガスノズル１２によって直接ワーク４０に吹き付けられる。
【００３４】
このワーク４０は操作部５０に固定されている。この操作部５０は適切な手段によって３つの全ての空間方向ｘ；ｙ；ｚに運動することができ、これによって、ワーク４０の、方法を実施するために適した位置決めが調整可能となる。ｚ軸に沿った焦点調節レンズ３６の位置決めによって、レーザビーム３０の焦点位置を変化させることができる。また、ガスノズル１２は、レーザビーム３０の、ガスノズル１２を通過するビーム路の方向もしくはワーク４０に対して相対的に位置決めすることもできる。この場合、ｘ方向もしくはｙ方向に沿った運動が行われる。ガスノズル１２の回動も適切な機構によって実現可能である。この場合、このような旋回可能性は図１にφで記号化してある。
【００３５】
本発明による装置１００のこの構成によって、レーザ穿孔のための本発明による方法が簡単に実現可能となる。負荷したい領域の内部では、レーザビーム３０のビーム路がガスノズル１２を横断した後、レーザビーム３０がワーク４０に衝突する。選択されたかもしくは調整されたプロセスガスは、ガス混合器１１によって提供されて、調整可能な一方向から圧力下でノズル１２から、ワーク４０の、負荷したい領域に流れる。これによって、特にプラズマへのプロセスガスのイオン化が、負荷領域の内部のプロセスガスとレーザビーム３０との間の相互作用によって助成される。
【００３６】
図２には、図１の詳細が示してある。ワーク４０は保持部５１を介して操作部５０に対して相対的に不動に位置決め可能である。この場合、保持部５１を介した操作部５０に対して相対的なワーク４０の適切な位置は運動によって調整可能である。また、裏当て２０も保持部５２を介して操作部５０に対して相対的に不動に位置決め可能である。この場合、保持部５２を介した操作部５０に対して相対的な裏当て２０の適切な位置は運動によって調整可能である。保持部５１；５２の制御によって、裏当て２０とワーク４０とを所望の形式で互いに相対的に空間的に位置決めすることができる。この場合、このことは、前述した方法の前でも間でも実現することができる。
【００３７】
レーザ穿孔法によってワーク４０に形成したい穴４４は、ワーク４０の、レーザビーム３０がワーク４０に衝突するかもしくはワーク４０を負荷する箇所に生ぜしめられる。この場合、レーザビームは、ワーク４０の、裏当て２０に面した側に設けられた、穴４４の出口開口４３で進出する。適切な角度を成して適切な間隔を置いてガスノズル（図示せず）からワーク４０に吹き付けられたプロセスガスは、穴４４の領域もしくは出口開口４３の領域でのレーザビーム３０との相互作用によってイオン化されて、プラズマが形成される。
【００３８】
これによって、いま、以下の図面につき例示するように、穴４４もしくは出口開口４３の領域に適切に幾何学的な構成が生ぜしめられる。
【００３９】
図３ａ〜図３ｅには、ワーク４０の内部の穴もしくは孔４４の詳細図が、穴４４の孔中心軸線４６に対して平行な断面図で示してある。この場合、レーザビーム３０（図示せず）は左方から穿孔穴中心軸線４６に対して平行にワーク４０に向けられた。レーザビーム３０はその衝突の領域でワーク４０を一貫して穿孔した。この場合、進入の場所は図３ａ〜図３ｅには示していない。穴４４の各出口開口４３は図３ａ〜図３ｅに認めることができる。
【００４０】
図３ａでは、穿孔穴４４の出口開口４３の領域が、対称的な拡張部４１もしくは丸みを有している。この拡張部４１もしくは丸みは、裏当て（図示せず）を出口開口４３の後方の領域（図３ａ〜図３ｅでは出口開口４３の右隣の領域）の内部に孔中心軸線４６に対して有利には対称的に配置することによって生ぜしめられた。拡張部４１もしくは丸みの寸法には、裏当てを出口開口４３に対して相対的に適切な間隔を置いて配置することによって影響を与えることができる。
【００４１】
図３ｂでは、穿孔穴４４の出口開口４３の領域の拡張部４１が非対称的に形成されているかもしくは片側でしか丸み付けられていない。この例では、裏当てが、穿孔穴中心軸線４６に対して適切な角度を成して傾倒した状態で出口開口４３の後方の領域に配置されているようにして、本発明による方法が実施された。
【００４２】
図３ｃに示した穿孔穴４４は、対称的なもしくは両側の凸部４２を穴４４の出口開口４３の領域に有している。このような凸部４２は、たとえばレーザビームと、形成されたプラズマとの間の前述した相互作用によって実現可能となる。
【００４３】
図３ｄに示した穿孔穴４４は非対称的な凸部４２を有している。凸部４２のこのような非対称的な構成は、穿孔穴中心軸線４６もしくはレーザビームに対して相対的な適切な角度を成しての、プロセスガスを導入するノズルの傾倒によって助成される。
【００４４】
図３ｅでは、穿孔穴４４が、拡張部４１と凸部４２とから成る組合せを出口開口４３の領域に有しているように形成されている。このような構成は、上述した手段（所定の角度を成しての裏当ての傾倒およびプロセスガス負荷）の組合せによって実現可能である。
【００４５】
図４ａ〜図４ｃには、本発明による方法によってワーク４０の内部に形成された穴４４もしくは形成された出口開口４３の別の構成が縦断面図もしくは平面図で示してある。
【００４６】
図４ａには、凸部４２の２つの異なる形状が縦断面図で示してある。さらに、左方から衝突するレーザビームによるワークの負荷によって形成された入口開口４５が示してある。この入口開口４５は右側の出口開口４３よりも小さな直径を有している。上方に図示した穴４４ａでは、凸部４２が図３ｄに類似して非対称的である。これに対して、下側の穴４４ｂには、図３ｃに類似して対称的な２つの凸部４２が図示してある。
【００４７】
図４ｂに示した出口開口４３は非対称的な拡張部４１もしくは丸みを有している。この拡張部４１もしくは丸みは、図３ｂに関連して説明したように、適宜な手段によって実現された。図４ｂと同じ斜視図に基づき、図４ｃには、対称的な拡張部４１もしくは丸みを備えた出口開口４３が示してある。対称的な拡張部４１もしくは丸みは、図３ａに関連して説明した方法に類似の本発明による方法の実施によって実現された。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明によるレーザ穿孔法を実施するための本発明による装置の有利な構成の概略図である。
【図２】図１に示した装置の詳細の拡大図である。
【図３ａ】本発明により製作された穿孔穴の第１の構成の概略的な側方の断面図である。
【図３ｂ】本発明により製作された穿孔穴の第２の構成の概略的な側方の断面図である。
【図３ｃ】本発明により製作された穿孔穴の第３の構成の概略的な側方の断面図である。
【図３ｄ】本発明により製作された穿孔穴の第４の構成の概略的な側方の断面図である。
【図３ｅ】本発明により製作された穿孔穴の第５の構成の概略的な側方の断面図である。
【図４ａ】本発明により製作された穿孔穴の第６の構成の概略的な側方の断面図である。
【図４ｂ】本発明により製作された穿孔穴の、電子顕微鏡写真に基づく第１の概略的な平面図である。
【図４ｃ】本発明により製作された穿孔穴の、電子顕微鏡写真に基づく第２の概略的な平面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１  ガス混合器、  １１ａ  管路、  １２  ガスノズル、  ２０  裏当て、  ３０  レーザビーム、  ３１  レーザ、  ３２  拡張光学系、  ３３  ビーム吸収器、  ３４  シャッタ、  ３５  穿孔光学系、  ３６  焦点調節レンズ、  ３７  ミラー、  ４０  ワーク、  ４１  拡張部、  ４２  凸部、  ４３  出口開口、  ４４，４４ａ，４４ｂ  穴、  ４５  入口開口、  ４６  穿孔穴中心軸線、  ５０  操作部、  ５１  保持部、  ５２  保持部、  １００  装置
【図１】
0004741243.tif 000002
【図２】
0004741243.tif 000003
【図３ａ】
0004741243.tif 000004
【図３ｂ】
0004741243.tif 000005
【図３ｃ】
0004741243.tif 000006
【図３ｄ】
0004741243.tif 000007
【図３ｅ】
0004741243.tif 000008
【図４ａ】
0004741243.tif 000009
【図４ｂ】
0004741243.tif 000010
【図４ｃ】
0004741243.tif 000011