DE69830807T2

DE69830807T2 - Kombiniertes schlag- und kreisschneidbohren mit laser

Info

Publication number: DE69830807T2
Application number: DE69830807T
Authority: DE
Inventors: George Emer; Dwight Edlund; Steve Vanasse; L. Michael DIZZINE
Original assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Current assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: NO319668B1; CA2317601C; CN1131759C; KR20010034093A; JP2002509033A; NO20003656D0; KR100552128B1; EP1062070A4; CA2317601A1; NO20003656L; WO1999036221A1; US5837964A; DE69830807D1; IL137252A0; AU1376399A; CN1285774A; JP4142252B2; EP1062070A1; EP1062070B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbohren von Löchern in Komponenten, insbesondere betrifft sie das Laserbohren von relativ großen und tiefen Löchern in Superlegierungskomponenten und insbesondere Gasturbinenkomponenten, wie etwa Turbinenblättern und -schaufeln. Ein solches Verfahren wird in BOSTANJOGLO G ET AL: 'PROCESSING OF NIBASED AERO ENGINE COMPONENTS WITH REPETITIVELY Q-SWITCHED ND:YAG-LASERS', PROCEEDINGS OF THE SPIE, SPIE, BELLINGHAMM, VA, US, Vol. 2789, Juni 1996 (1996-06), Seiten 145–157, offenbart.
Das Laserbohren von Löchern, wie etwa Kühllöcher, in Gasturbinenkomponenten wie etwa Turbinenblättern und -schaufeln ist schon seit einiger Zeit bekannt. Die Materialbearbeitung mit Laser umfasst die Fokussierung eines Hochleistungs-Laserstrahls auf die Oberfläche eines Werkstücks. Ein Anteil des Strahls wird absorbiert, wobei die Menge von dem Materialtyp und dem Oberflächenzustand abhängt. Die hohe Intensität (in der Größenordnung von 10⁷ Watt pro cm²), die durch Absorption von Hochleistung (z. B. 250 Watt) und die Fokussierung des Strahls auf 0,004 bis 0,008 Zoll (d. h. 100 µm bis 200 µm) Durchmesser erzeugt wird, führt zur Erwärmung, Schmelzung und Verdampfung des Oberflächenmaterials.
Laserbohren ist am besten für seine Eignung bekannt, Löcher mit kleinen (z. B. 0,004 Zoll, d. h. 100 μm) Durchmessern, Löcher mit großen (>10:1) Seitenverhältnissen (Tiefe zu Durchmesser), und Löcher mit flachen Winkeln (10°) zur Oberfläche zu erzeugen, und dies alles in den zähesten Flugzeuglegierungen.
Es gibt zwei Arten von Laserbohrverfahren: Schlagbohren und Hohlbohren. Laserschlagbohren wird typischerweise für die Serienbohrung von Kühllöchern in Blättern und Düsenleitflügeln verwendet. Das Verfahren umfasst einen stationären Strahl und einen oder mehrere Impulse, um die Dicke des Materials zu durchdringen. Beim Schlagbohren wird der Lochdurchmesser durch den Strahldurchmesser und den Leistungspegel festgelegt.
Laserhohlbohren umfasst das Konturschneiden des Lochs. Es umfasst das Bewegen des Strahls entlang eines kreisförmigen Pfads, um ein Loch mit einem Durchmesser zu erzeugen, der größer ist als jener, der von einem stationären, fokussierten Strahl (d. h. wie beim Schlagbohren) erzeugt wird. Ein Inert- oder Oxidationsgas unter Hochdruck strömt durch eine Düse, die mit dem Laserstrahl zusammenfällt, um die mechanische Energie zu liefern, die zum Entfernen des vom Laser geschmolzenen Metalls notwendig ist. Beim Hohlbohren wird der Lochdurchmesser nur durch den Weg des Bewegungssystems begrenzt.
Die Schlagbohr- und Hohlbohrverfahren sind eingeschränkt, wenn es um das Bohren relativ großer (z. B. zumindest 0,030 Zoll, d. h. 762 μm) und tiefer (z. B. zumindest 0,30 Zoll d. h. 7,62 mm) Löcher geht, insbesondere im Hinblick auf das Bohren von Löchern durch Superlegierungen hindurch, die auf Ni und/oder Co basieren. Das Schlagbohrverfahren ist insofern eingeschränkt, als die maximalen Seitenverhältnisse, die effektiv gebohrt werden können, auf Grund der Schlackeansammlung, die das Loch blockiert, ungefähr 10:1 mit Lochdurchmessern von ungefähr 0,030 Zoll (d. h. 762 μm) betragen. Des Weiteren wird beobachtet, dass die Löcher verjüngt sind, das heißt, zum Boden hin kleiner werden, wenn große und tiefe Löcher schlaggebohrt werden. Das Hohlbohnen großer und tiefer Löcher ist ebenfalls ineffektiv, insofern als die Schlacke dazu neigt, sich in dem Loch anzusammeln, bevor das Loch allzu tief wird, und die Laserenergie durch das Substrat absorbiert wird, was die weitere Bohrung stört.
Somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Laserbohren großer und tiefer Löcher durch Superlegierungskomponenten hindurch zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen, um die Bildung eines gleichförmigen Loches zu vervollkommnen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Laserbohren wird im Allgemeinen mit einem gepulsten YAG-Laser unter Verwendung einer numerischen Computersteuerung (CNC=computer numerical control) durchgeführt. Der Laser erzeugt typischerweise einen Strahl von ungefähr 0,004 bis 0,008 Zoll (d. h. 100 μm bis 200 µm) Durchmesser mit einer durchschnittlichen Energie von etwa 250 Watt. Es wird ein optisches System geschaffen, welches eine Linse zum Fokussieren des Laserstrahls auf die Oberfläche der zu bohrenden Komponente einschließt. Die Komponente ist eine Superlegierung, die auf Ni und/oder Co basiert. Typische Superlegierungen umfassen Mar-M509, IN-738, CMSX-4, IN-792, U520 und X-40. Die Komponenten können Gasturbinenkomponenten, wie etwa Turbinenblätter und -schaufeln sein, und die Löcher werden im Allgemeinen zum Zweck der Filmkühlung gebohrt. Der zu bohrende vorbestimmte Durchmesser beträgt zumindest etwa 0,030 Zoll (d. h. 762 µm) mit einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis von zumindest ungefähr 10:1, vorzugsweise etwa 0,03 bis 0,10 Zoll (d. h. 762 µm bis 2540 µm) Durchmesser mit einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis von ungefähr 20 bis 30:1. Im Allgemeinen liegt die Tiefe des Lochs im Bereich von etwa 0,4 bis 1,5 Zoll (d. h. 10,16 bis 38,1 mm).
Der erste Schritt des Verfahrens umfasst das Schlagbohren eines Mittellochs durch die Superlegierung hindurch bis zu einem Durchmesser, der geringer als der gewünschte (vorbestimmte) Durchmesser ist. Das durch Schlagbohren gebildete Mittelloch weist einen Durchmesser von bis zu etwa 0,020 Zoll (d. h. 508 µm), vorzugsweise 0,01 bis 0,02 Zoll (d. h. 254 bis 508 µm) auf. Eine Linse mit der Brennweite von acht Zoll (d. h. 203 mm) kann zum Schlagbohren des Mittellochs verwendet werden. Typischerweise werden während des Laserschlagbohrens 4 bis 8 Laserimpulse pro Sekunde verwendet. Dieser Mittellochdurchmesser erleichtert die Entfernung von Schlacke und ermöglicht es, dass das nachfolgende Hohlbohren effektiv durchgeführt werden kann.
Nach dem Schlagbohren wird Laserhohlbohren durchgeführt, um das Mittelloch auf den vorbestimmten Durchmesser zu erweitern. Hohlbohren umfasst das Laserbohren einer Reihe von kleinen Kreisen, wobei der Laser einem kreisförmigen Pfad folgt, um ein Loch mit dem vorbestimmten Durchmesser zu erzeugen. Eine Linse mit der Brennweite von sechs Zoll kann während des Hohlbohrens zum Erzeugen des Hohlbohrungskreises verwendet werden. Beim Hohlbohren werden typischerweise 10 bis 15 Laserimpulse pro Sekunde verwendet. Die Bewegung des Laserstrahls relativ zu der Komponente kann durch Bewegen des Laserstrahls und/oder der Komponente durch im Stand der Technik bekannte Verfahren erfolgen. Da während des Hohlbohrens Schlacke abgelagert wird, die das Bohren stört, wird der Schlagbohrschritt wiederholt, gefolgt von dem Hohlbohrschritt. Diese zwei Operationen werden wiederholt, bis der vorbestimmte Lochdurchmesser gleichmäßig durch die volle Tiefe des Superlegierungsmaterials erreicht wird.
Während des Laserbohrverfahrens wird die Rückseite des Lochs freigehalten, um der Schlacke zu ermöglichen, das Mittelloch während des Hohlbohrens zu verlassen. Somit wird kein Sperrmaterial (z. B. Harz) verwendet, welches an den Ausgang des Lochs stößt. Eine Schutzsperre kann jedoch wünschenswert sein, um jegliche Erosion der Wand der Komponente gegenüber dem Ausgang des Lochs zu verhindern. Ein Schutzsperrmaterial (z. B. Harz) kann an der Wand der Komponente verwendet werden, die gegenüber dem Ausgang des Lochs liegt, um diese Oberfläche der Komponente, die im Pfad des Laserstrahls liegt, davor schützt, maschinell bearbeitet oder beschädigt zu werden.
Beispiel
Eine CNC-gepulste YAG-Lasermaschine M34 von Convergent Energy wurde verwendet, um ein Loch mit 0,045 Zoll (d. h. 1,14 mm) Durchmesser durch eine 0,9 Zoll (d. h. 22,86 mm) dicke Wand einer industriellen Turbinenschaufelkomponente bestehend aus einer MAR M509 Superlegierung zu erzeugen.
Unter Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von acht Zoll wurde ein Mittelloch mit einem Durchmesser von 0,015 bis 0,020 Zoll (d. h. 381 bis 508 µm) bei einer Laserimpulsrate von 6 Impulsen pro Sekunde durch die Komponente hindurch schlaggebohrt. Unter Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von sechs Zoll wurde das Laserhohlbohren mit einer Reihe von Kreisen, die um jedes Mittelloch gebohrt wurden, bei einer Laserimpulsrate von 12 Impulsen pro Sekunde durchgeführt, wobei ein Loch mit dem Durchmesser von 0,045 Zoll (d. h. 1,14 mm) gebohrt wurde. Da während des Hohlbohrens Schlacke in dem Loch abgelagert wurde, die das Mittelloch blockiert, wurde der Schlagbohrschritt wiederholt, um das Mittelloch freizumachen, gefolgt von dem Hohlbohrschritt. Diese Schritte wurden wiederholt, bis das Loch mit einem Durchmesser von 0,045 Zoll (d. h. 1,14 mm) über die Tiefe von 0,9 Zoll (d. h. 22,86 mm) erhalten wurde. Das Loch wies einen gleichmäßigen Durchmesser mit minimaler Verjüngung auf.

Claims

Verfahren zum Laserbohren eines Lochs durch eine Superlegierungskomponente hindurch, die auf Nickel, Kobalt oder Nickel und Kobalt basiert, wobei das Loch einen vorbestimmten Durchmesser von zumindest ungefähr 0,030 Inch (d.h. 762 µm), eine Lochtiefe von zumindest ungefähr 0,4 Inch (d.h. 10,16 mm) und ein Tiefe/Durchmesser-Verhältnis von zumindest ungefähr 10:1 aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Laserschlagbohren eines Mittellochs durch die Komponente hindurch bis zu einem Durchmesser, der geringer als der vorbestimmte Durchmesser ist; dann Laserhohlbohren um das Mittelloch herum, um den Durchmesser des Lochs auf den vorbestimmten Durchmesser zu erweitern, und Wiederholen des oben genannten Laserschlagbohrschritts und des Laserhohlbohrschritts, um das Loch zu bohren, da sich das Bohren störende Schlacke ablagert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mittelloch einen Durchmesser von bis zu ungefähr 0,020 Inch (d.h. 508 µm) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Loch ein Tiefe/Durchmesser-Verhältnis von ungefähr 20 bis 30:1 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der vorbestimmte Durchmesser ungefähr 0,30 bis 0,10 Inch (d.h. 7,62 bis 2,54 mm) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Tiefe des Lochs ungefähr 0,4 bis 1,5 Inch (d.h. 10,2 bis 38,1 mm) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei kein Sperrmaterial verwendet wird, welches an einen Hinterausgang des Lochs stößt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Schutzsperrmaterial an einer Wand der Komponente verwendet wird, die gegenüber dem Hinterausgang des Lochs liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Komponente eine Gasturbinenkomponente ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Loch ein Kühlloch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Laserschlagbohren und das Laserhohlbohren unter Verwendung einer numerischen Computersteuerung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Schlagbohren mit 4 bis 8 Impulsen pro Sekunde ausgeführt wird und das Hohlbohren mit 10 bis 15 Impulsen pro Sekunde ausgeführt wird.