(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザビームで円筒形の加工物の周方向に沿って複数の孔からなる１列の孔をあける方法であって、
前記各孔は、穿孔のために複数のレーザパルスを必要とし、
１列の前記孔すべてを穿孔する開始から終了まで前記円筒形の加工物の軸線まわりに前記加工物を連続的に回転させる工程と、
前記加工物の回転速度を前記レーザビームのパルス周波数と同期させるとともに、各孔位置で１つのレーザパルスを順次に照射する工程と、
すべての孔が加工物を貫通して穿孔されるまで、繰り返しかつ順次に引き続きレーザパルスを各孔位置に衝突させる工程と、
前記加工物表面であって対応する前記孔の形成位置の外側の加工物表面に対するレーザ穿孔ノズルの距離をモニタリングおよび調節すると同時に、レーザ穿孔中、一定の予め定められた前記距離を維持する工程と、
が具備されていることを特徴とするパルスレーザビームで孔をあける方法。
【請求項２】
前記孔は前記加工物の前記表面に対して非垂直に穿孔されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記孔は前記加工物の前記表面に対して１５〜２５度の角度で穿孔されていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記加工物はタービン構成品であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記加工物表面に対する前記ノズルの距離は、静電容量センサで測定されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ノズルは静電容量測定に使用する伝導性材料からできた先端を有していることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ノズル先端は前記ノズル本体から絶縁されていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ノズル先端は銅からなることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
隣接する孔はそれぞれ２．５４×１０−３〜１．２７×１０−２メートル離間して設けられていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記構成品の厚みは２．５４×１０−４〜２．５４×１０−３メートルであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記孔の直径は２．５４×１０−４〜７．６２×１０−４メートルの間であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
２〜５のレーザパルスが前記タービン構成品を貫通して穿孔するのに各孔位置に照射されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記タービン構成品は燃焼器であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１４】
前記構成品の表面は０．７６２〜３．０４８メートル／分の速度で回転され、かつ前記レーザパルスは３〜２０／秒の周波数で繰り返されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒形の加工物にレーザで孔をあける方法に関するものである。さらに詳しくは、加工物を回転させる間にレーザで１列の孔をあける方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特にあけるべき孔が多いときには、レーザで孔をあけるのに非常に多くの時間が費やされてしまう。それぞれの穿孔は、つぎの孔があけられる前に装置に対する調整が必要な別個の操作である。たとえば、ニッケル（Ni）基あるいはコバルト（Co）基耐熱合金からできた航空機用エンジンの燃焼器部品では、その壁部の厚みが0.020インチ（0.0508cm）〜0.100インチ（0.254cm）の間で変化可能な表面に対して２０度の角度で形成される直径0.020インチ（0.0508cm）の孔が１万個必要である。全体の工程操作を折りよく完了するために、各孔の形態をモニタリングおよび制御することが素早く実施される必要がある。米国特許第 5026979 号明細書に開示されているように、制御およびモニタリング装置が実質的に“リアルタイム”で運転されてはいるものの、この方法ではまだ時間がかかってしまう。
【０００３】
また円筒形の加工物、特に燃焼器のようなタービン構成品にレーザで孔をあけるとき、これらの部品は完全な円で製造されているわけではなく、さらにこれらの構成品には一般的に、たとえば２０度の急激な角度で孔をあけることが要求されるので、構成品表面からレーザノズルまでの距離の変化がレーザの焦点距離および孔の大きさに影響を与えてしまうばかりでなく、構成品上の孔の正確な位置にも影響を与えてしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、早くてかつ正確な方法で円筒形の加工物にレーザで孔をあける方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
簡単に述べると、本発明は、パルスレーザビームで円筒形の加工物の周方向に沿って複数の孔からなる１列の孔をあける方法を提供するものである。これら孔には、穿孔のために複数のレーザパルスが必要とされ、これら複数のレーザパルスには、前記円筒形の加工物の軸線まわりに前記加工物を連続的に回転させ、前記加工物の回転速度を前記レーザビームのパルス周波数と同期させるとともに、各孔位置で１つのレーザパルスを順次に照射し、すべての孔が加工物を貫通して穿孔されるまで、繰り返しかつ順次に引き続き照射されるレーザパルスを各孔位置に衝突させることが具備されている。好適に、特にこれらの孔がある角度をもってあけられる場合、レーザ穿孔中、レーザ穿孔ノズルから表面までの距離は、一定の所定距離を維持するためにモニタされるとともに調整されていることが望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明による方法は円筒形加工物、すなわち孔をあけるのに複数のレーザパルスが要求されるような加工物の周方向に沿って、１列に多数個の孔があけられるものに用いられるものである。適用され得る円筒形加工物には、燃焼器やアフターバーナなどのようなタービン構成品が含まれる。一般にそのようなタービン構成品では、孔と孔との間が0.1〜0.5インチ離間され、孔直径約0.01〜0.03インチであることが要求される。また通常、タービン構成品の材料自体の厚みは0.01〜0.10インチである。一般的な燃焼器はニッケル基耐熱合金からできており、直径１８インチ、等間隔に離間した２７５個の孔が周方向に形成され、この列が円筒形の本体上に４５列設けられている。この他、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、鉄（Fe）、あるいはチタン（Ti）などをベースにもつ合金にも、本発明によるレーザ穿孔方法を適用することができる。
【０００７】
レーザによる孔あけは、パルス化されたレーザビームを用いて実施される。適切なレーザはNd：YAGレーザである。このレーザはたとえば、効果的に孔をあけるため、出力１２５〜１３０ワット、１０−３０ジュール／パルスで作動される。パルスは毎秒当たり３〜２０回の周波数で繰り返すことができる。
【０００８】
図１に示すように、加工物（製造工程にある製品）１が回転台２上に取り付けられている。この回転台２はその中心軸線まわりに加工物１とともに回転する。加工物１の回転速度（すなわち表面速度）はレーザ３のレーザパルス周波数と同期かつ対応している。これにより、加工物表面上の１つの孔位置に対して１つのレーザパルスが順次衝突するようになる。一般的に、回転する加工物の表面速度は３〜１２０インチ／分、好適には６０〜８０インチ／分であり、かつコンピュータソフトウェアはレーザ３のパルス周波数と回転台２の速度を同期させることができるものである。テーブルが回転していくにつれ、孔が位置する各角度毎にレーザが個々のパルスを打つ。
【０００９】
１つのレーザパルスが１つの孔位置に照射された後、レーザによる孔あけはつぎからつぎに照射されるレーザパルスを各孔位置に繰り返しかつ連続してあてることによりなされる。孔が材料を貫通して完全にあけられるまでに、加工物を何回も回転させる必要がある。通常、一回り（１列）孔をあけるのに対応したレーザパルスを伴って２〜５回転必要である。たとえば、厚さ0.080インチの材料に角度２０度毎に孔をあけて孔列を作るのに、３〜４回転させる必要がある。
【００１０】
レーザにより孔をあける場合の重要なファクターは、加工物に対するレーザ穿孔ノズルの距離をモニタリングするとともに調節し、同時にレーザ穿孔ノズル４と円筒形の加工物表面５との間を一定の予め定められた距離にレーザ穿孔中維持することである。なぜならば、金属薄板部材を組み立てたような加工物は完全に丸く作り上げることができず、部材が回転すると表面までのノズルの距離が変化してしまうからである。孔が表面に対して９０度の角度で存在するとき、変化する距離は孔の大きさに影響を及ぼす。しかし、孔がタービンエンジン構成品に要求されるように、たとえば１５〜２５度の急勾配の角度で存在するとき、表面距離に対して変化するノズルはまた孔の位置精度に大きく影響を及ぼす。たとえば、２０度の孔角度で孔をあける場合、0.02インチノズル距離が変化しただけでその所望位置から0.10インチ離れたところに孔が形成されてしまうことになる。
【００１１】
ノズル４に設けられたセンサ７は、レーザノズルと加工物表面との間の距離を決定するのに使用されるものである。センサとしては、光学センサ、誘導センサ、あるいは静電容量センサのような別のタイプのものも使用できる。マイクロプロセッサ（コンピュータ）の形態を有する電子装置は計測した距離を計算するとともに設定値と比較するものである。また、設定値と計測した値との差に応じて信号がノズル制御位置決め装置（操作装置）１１に送られ、ノズルを加工物表面から正確な距離に移動させる。適切なノズル制御装置が米国特許第 5340962 号明細書に開示されている。この文献に開示されたものではモニタリングおよび調節は連続して行われており、かつ同時にレーザ穿孔中、一定の予め定められた距離を維持している。距離を測定する種々のセンサが、米国特許第 3596050 号明細書、米国特許第 4298784 号明細書、米国特許第 4794222 号明細書、および米国特許第 4948940 号明細書に開示されている。
【００１２】
本発明の一実施形態において、静電容量センサを使用した。この実施形態では、図２および図３に示すようなノズル４を使用している。このノズルは静電容量測定で使用する伝導性材料、好ましくは銅からつくられたノズルチップ５を備えている。図１に示すように、ノズルクリップ６はノズルをセンサ装置７に接続するものである。ノズル本体８は、ノズルチップと加工物表面との間に正確なキャパシタンス測定を与えるため、ノズルチップ５を絶縁する絶縁材料からできている。この絶縁は一般に、トリフルオロエチレンのようなセラミック材料あるいは他の非可燃性絶縁材料で達成できる。ノズル本体８はノズルアダプタ９に取り付けられている。ノズルにはまた、穿孔角度の広範囲にわたってノズルの調節を容易にするためロッキングリング１０が設けられている。
【００１３】
本発明の方法によって、時間を節約できる方法で周方向に孔列が形成できる。孔が慎重にあけられる従来の方法では１つの孔をあけるのに１２秒かかったが、本発明の方法では１連の孔が２〜３個／秒の割合で穿孔できる。これは２７０個ある孔列を１列当たり２分で穿孔できるのに対して従来同じ穴を開けるのに５３分もかかっていた。したがって、この時間節約は加工物にあけるべき孔の数が多くなればなるほど増加する。
【００１４】
一例として以下のものがある。厚さ0.030インチのAMS 5608（Haynes 188）合金からできた直径１０．６インチを有するAllied Signal社の燃焼器アウターライナが、図１に示すように６０インチ／分の表面速度で回転する回転台上にセットされている。Nd：YAGレーザを出力１４０ワット、パルス幅１．５ｍ／ｓ、および周波数５パルス／秒でセットする。レーザノズルの先端から燃焼器表面までの距離は、図２および図３に示すノズルおよび装置を有する静電容量センサを使用して0.10インチに維持される。また、レーザ制御装置は米国特許第 5339103 号明細書、および米国特許第 5340962 号明細書に開示されている。
【００１５】
レーザによる孔あけが表面に対して１７度の角度で行われる。これらの孔はその平均直径が0.020インチであり、燃焼器の周方向に沿って一周１８０個のものが２０周、燃焼器に形成される。孔列を１列作るのにだいたい２周かかり、各孔列を作るのに約１分かかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるレーザ穿孔装置の概略構成図である。
【図２】  レーザ穿孔ノズルの側面図である。
【図３】  図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【符号の説明】
１  加工物
２  回転台
３  レーザ
４  レーザ穿孔ノズル
５  表面
６  ノズルクリップ
７  センサ装置
８  ノズル本体
９  ノズルアダプタ
１０  ロッキングリング
１１  操作装置
【図１】
0004409770.tif 000002
【図２】
0004409770.tif 000003
【図３】
0004409770.tif 000004