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JP2006513036A - レーザ穿孔するための方法および装置 - Google Patents

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Abstract

レーザ穿孔するための方法および装置。この場合、穿孔穴壁の幾何学的な構成には、レーザビームと、供給されるプロセスガスとの間の相互作用によって影響が与えられる。この場合、プロセスガスがイオン化されて、プラズマが形成される。さらに、穿孔穴の出口開口には、裏当ての適切な配置によって影響が与えられる。

Description

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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1に示した装置の詳細の拡大図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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
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

Claims (9)

  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)を配置することを特徴とする、レーザ穿孔するための方法。
  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。
  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。
  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。
  5. 出口開口(43)の形状に影響を与える熱的なかつ/または光学的な特性を備えた、裏当て(20)のために使用される材料、特に金属材料、特に銅含有の材料を選択する、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 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、この場合、該間隔が、有利には20μm〜200μmの間にある、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 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し、この場合、傾倒の角度が、特に最大20゜である。請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  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)を有していることを特徴とする、レーザ穿孔するための装置。
  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。
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