DE68907527T2 - Laser-Bohren von Bauteilen. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf das Laserbohren von Bauteilen, und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf das Bohren von Löchern in Gasturbinenbauteilen wie beispielsweise Turbinenschaufeln.
• Das Laserbohren von Löchern, beispielsweise von Filmkühlungsbohrungen, in innere Kanäle der Turbinenschaufeln ist bereits seit einiger Zeit bekannt. Ein Problem dabei liegt darin, eine Beschädigung der hinteren Wandfläche des Kanals gegenüber der Durchbruchstelle des Strahls durch den Laserstrahl zu verhindern. Ein weiteres Problem liegt darin, zu verhindern, daß durch den Strahl zerstäubtes oder verdampftes Material sich auf den Innenwandflächen der Kanäle niederschlägt.
• Es sind bereits Versuche unternommen worden, Sperren in die Kanäle einzusetzen, und in der Tat kann die Verwendung massiver Sperren in Kanälen möglich sein, die groß sind und keine komplizierten Formen haben. Es sind auch schon Versuche unternommen worden, Flüssigkeiten wie beispielsweise Wachse einzugießen, aber dabei gibt es Schwierigkeiten, das Erstarren des Wachses sofort bei Berührung mit der kalten metallenen Turbinenschaufel zu verhindern. Eine weitere Schwierigkeit ist das Entfernen des Wachses, was die Verwendung von Dampfautoklaven erfordert.
• Es ist bekannt, daß bei der gegenwärtigen Lasertechnik die Qualität des Strahls an der Bauteiloberfläche aufgrund von Schwankungen der Laserstrahlenergie, von Fluchtungsfehlern und der Strahlform oder aufgrund von Fokussierproblemen des optischen Systems variieren kann. Diese Verschlechterung beeinträchtigt auch die Qualität der Ergebnisse insbesondere bei Bohrungen mit Durchmessern von 0,5 mm (0,020 Zoll) oder kleiner. Deshalb besteht ein Bedarf für ein Realzeit-Bohrungsgrößenüberwachungs und -Laserregelsystem zur Verbesserung der Qualität und Gleichmäßigkeit der Ergebnisse.
• Ein Lösungsversuch des Problems des Bohrens von Löchern in einer Werkstückoberfläche ist im französischen Patent 2 482 495 beschrieben. In diesem Patent ist ein Elektronenstrahl-Bohrverfahren beschrieben, bei welchem die Werkstückoberfläche, an welcher die Bohrung austritt, mit einer Abdeckung bedeckt ist, die teilchenförmiges Material aufweist, das mit sich selbst und der Austrittsfläche mittels eines Bindemittels verbunden ist, das mindestens teilweise in eine Flüssigkeit umwandelbar ist, um nach dem Bohren entfernt zu werden. Die Abdeckung ermöglicht das Bohren einer Bohrung mit im wesentlichen gleichförmiger Symmetrie entlang ihrer Länge und gilt als besonders brauchbar für hohle Teile und konturierte Flächen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abdeckung aus nichtmetallischem Teilchenmaterial zusammengesetzt, beispielsweise aus Glas, während das Bindemittel ein lösliches Silikat ist.
• Obwohl jedoch das französische Patent 2 482 495 auch die Verwendung eines Laserstrahls anstelle eines Elektronenstrahls betrachtet, behandelt es nicht die Probleme des Feststellens, wenn der Strahl durch die Wand des Werkstücks hindurchbricht, und der Überwachung der Größe der erzeugten Bohrung.
• Ein zweiter Lösungsversuch bezüglich des Problems des Laserbohrens einer Bohrung durch eine Fläche ist im US-Patent 4 504 727 beschrieben. Hier ist ein Laserbohrungs-Regelsystem unter Verwendung einer fotoakustischen Rückführung beschrieben. Das Regelsystem sieht eine Überwachung des Laserbohrens einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte vor, um ein gleichmäßiges Bohren durch Schichten mit unterschiedlichen optischen und fotoakustischen Eigenschaften zu ermöglichen, in dem sowohl die empfangenen fotoakustischen Rückführungssignale analysiert als auch die Laserparameter wie beispielsweise Impulsdauer, Wellenlänge, Energie, Impulswiederholungsfrequenz und Anzahl der Impulse für jede aufeinanderfolgende Schicht optimal eingestellt werden. Das System sieht auch eine Endpunktfeststellung vor, die ein zu kurzes Bohren, eine Überhitzung, und ein zu weites Bohren darunterliegender Schichten und entsprechende Beschädigungen verhindert.
• Das US-Patent 4 504 727 betrachtet jedoch nicht das Bohren von Bohrungen durch eine Wand eines Werkstücks in einem darin befindlichen Hohlraum hinein und lehrt weder die Feststellung des Strahldurchbruchs in den Hohlraum noch die Überwachung der Größe der hergestellten Bohrung.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laserbohrverfahren zu schaffen, das ein Sperrmaterial verwendet, mit welchem die Hohlräume leicht ausgefüllt werden können, das in dem Hohlraum selbsttragend ist, leicht zu entfernen ist, und eine Beschädigung der Hohlraumwandflächen durch den Laserstrahl wirksam verhindert.
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Mittels zum Überwachen der Größe der durch den Laser gebohrten Bohrung und zur Regelung des Laserstrahls.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Durchbohren einer Außenwand eines hohlen Bauteils vorgesehen, bei welchem ein Laserstrahl auf die Außenoberfläche der Wand gerichtet wird und aus der Innenoberfläche wieder austritt, wobei das Verfahren das Bereitstellen eines thixotropen Mediums an der Innenoberfläche der Wand in der Nähe des Strahlaustritts umfaßt, das Material zum Streuen des Laserlichts enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das thixotrope Medium Material enthält, das bei Berührung durch das Laserstrahllicht Licht aussendet, und daß das Verfahren das Überwachen des von dem Medium ausgesandten Lichts zur Herstellung einer Anzeige von Größe und Form einer durch den Strahl gebohrten Öffnung aufweist.
• Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
• Fig. 1 schematisch eine Einrichtung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, und
• Fig. 2 eine Turbinenschaufel, die mit der Einrichtung nach Figur 1 gebohrt werden kann.
• Gemäß Figur 1 der Zeichnungen weist die Einrichtung einen gepulsten Nd-YAG-Laser 10 (typischerweise der von Raycon in den USA hergestellten und vertriebenen Bauart) auf. Der Laser erzeugt einen Strahl von etwa 0,25 bis 0,75 mm (0,010 bis 0,030 Zoll) Durchmesser mit einer mittleren Energie von 400 Watt. Ein optisches System 12 ist vorgesehen, das eine Linse 14 zum Fokusieren des Laserstrahls auf die Oberfläche des zu bohrenden Bauteils enthält. Das Bauteil 16 kann eine Turbinenschaufel 16 gemäß Figur 2 sein. Das optische System 12 weist einen Strahlenteiler 18 oder einen halbversilberten Spiegel auf, der vom Bauteil empfangenes Licht auf ein Überwachungs- und Nachweissystem 20 richtet. Das Überwachungssystem weist einen spektographischen Analysator 22 und ein Laserregelsystem 24 auf.
• In Figur 2 ist schematisch ein Querschnitt durch das Schaufelblatt einer Turbinenschaufel 16 gezeigt, das mittels der Einrichtung nach Figur 1 zu bohren ist. Die Turbinenschaufel 16 weist einen oder mehrere Kühlkanäle 28 auf, die vom Fußteil durch den Schaufelblatteil verlaufen. Die Einrichtung nach Figur 1 ist zum Bohren der Filmkühlungsbohrungen 32 mit sehr kleinem Durchmesser vorgesehen, die durch die Wand der Schaufel in die inneren Hohlräume bzw. Kanäle 28 verlaufen.
• Mindestens die Innenoberflächen der Kanäle 28 werden vor dem Bohren der Bohrungen 32 mit einem viskoelastischen Medium benetzt, bei welchen es sich um eine thixotrope Schlämme handelt, die Material zum Streuen des Laserlichts und Material enthält, das Licht aussendet, wenn das Laserlicht es berührt. Idealerweise sind die Kanäle 28 vollständig mit der Schlämme gefüllt.
• Die Schlämme kann eine kolloidale Lösung, ein kolloidales Gel oder ein Gemisch oder eine Suspension sein, die thixotrop ist, und die einen mindestens selbsttragenden Überzug auf den Oberflächen der Kanäle 28 bildet.
• Wir bevorzugen die Verwendung einer Schlämme auf der Basis eines anionisch geladenen Polyacrylamids, wie es beispielsweise in den USA von Southeastern Laboratories, Inc. unter dem Warenzeichen SELfloc 2240 vertrieben wird.
• Polyacrylamid ist ein wasserlöslicher Hochpolymer, der als Flockungsmittel in der Wasser- und Abwasseraufbereitung Anwendung findet. Dem Polyacrylamid sind Acrylteilchen zugesetzt, beispielsweise Amberlite (eingetragenes Warenzeichen von Rohm und Haas), die im Sinne einer Streuung des Laserstrahls wirksam sind. Andere Streuungsmittel, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), TiO&sub2;, Phosphore, und lichtstreuende Oxide können ebenfalls verwendet werden. Die Wirksamkeit des Laserstreumaterials hängt von den folgenden Faktoren ab.
• a) Größe der Streumaterialpartikel - die bevorzugte Größe ist größer als die Wellenlänge des Laserlichts und etwa im Bereich von 30 bis 70 Mykrometer (oder mindestens klein genug, um nicht die zu bohrende Bohrung zu blockieren).
• b) Menge des Streumittels in der Schlämme.
• c) Abstand zwischen der zu bohrenden Bohrung und der hinteren Wandung des Kanals 28 (gemessen in der Bohrachse).
• d) Bohrungsgröße.
• e) Impulslänge des Laserstrahl.
• f) Laserimpulsleistung.
• g) Wirkung anderer Additive.
• Um ein Verfahren zum Nachweis zu schaffen, wenn der Laser in den Kanal 28 durchbricht, und auch eine Möglichkeit der Anzeige der Bohrungsgröße zu schaffen, wird der Schlämme ein lichtaussendendes Material beigegeben.
• Das lichtaussendende Material kann ein Farbträger des Elektronendonatortyps sein, beispielsweise ein Auxochrom, oder ein Elektronenakzeptortyp. Der Elektronendonatortyp fluoresziert bei größeren Wellenlängen als dem anregenden Laserlicht, während die Elektronenakzeptortypen kürzere Wellenlängen emittieren. Geeignete Auxochrome scheinen Stilben oder Derivate von Stilben (z.B. Diphenylethylen oder Toluylen) zu sein. Stilben ist in Wasser unlöslich und für die Anforderungen der Erfindung gut geeignet.
• Andere Arten von lichtaussendenden Materialien können auch geeignet sein, vorausgesetzt, daß sie gegenüber der zu bohrenden Legierung inert sind. Beispielsweise können ionische Komplexe geeignet sein. Allerdings können auch phosphoreszierende oder lumineszierende Materialien geeignet sein.
• Wir bevorzugen, die Streumittelteilchen mit einem fluoreszierenden Farbstoff zu imprägnieren. Diese Farbstoffe erzeugen Licht bei spezifischen Wellenlängen. Es erscheint vorteilhaft, den Farbstoff den Streumittelteilchen zuzugeben, da die Teilchen und der Farbstoff dann wiedergewinnbar und wiederverwertbar sind.
• Ein Beispiel einer geeigneten Schlämme ist eine in Form einer Suspension von 1 bis 5 % Polyacrylamid in Wasser, der typischerweise 25 % (oder mehr) Acrylteilchen zugegeben sind, die durch Aufbringen eines gefärbten fluoreszierenden Farbstoffs gefärbt worden sind.
• Im Gebrauch wird die thixotrope Schlämme durch eine Düse injiziert, so daß sie ein hohes Maß an Scherung erfährt und dadurch die Viskosität herabgesetzt wird, damit die Schlämme leicht in den Kanal 28 einfließen kann. Die Schlämme läßt man dann hochviskos und in dem Kanal 28 selbsttragend werden.
• Danach wird die Turbinenschaufel 16 in den Strahlengang des Laserstrahl positioniert und ausgerichtet, damit die gewünschten Bohrungen gebohrt werden können. Das Nachweissystem 20 wird so eingestellt, daß es zwischen dem Spektrum des von dem fluoreszierenden Material emittierten Lichts und des reflektierten oder während des Bohrens durch die Turbinenschaufel emittierten Lichts unterscheiden kann, und der Laser wird eingeschaltet, um Laserlichtimpulse zu erzeugen.
• Sobald der Laser durch die Wand der Turbinenschaufel 16 durchbricht und auf die Schlämme auftrifft, wird das von dem fluoreszierenden Material emittierte Licht festgestellt. Das Überwachungs- und Nachweissystem 20 weist einen zweidimensionalen lichtempfindlichen Empfänger wie beispielsweise eine Digitalkamera 30 auf, so daß ein Bild von Form und Größe der Bohrung erzeugt werden kann. Bildverstärkereinrichtungen und Bildanalysiereinrichtungen können verwendet werden, um Informationen aus dem Bild im Hinblick auf Bohrungsform und Bohrungsgröße zu erhalten, falls gewünscht. Dazu kann das Überwachungssystem so programmiert werden, daß es auf ein Bild von Größe und Form der Bohrung anspricht, um den Laser zu regeln und ihn auszuschalten, wenn eine vorgegebene Form und Größe festgestellt wird.
• Während des Bohrens schützt die Schlämme außerdem die Innenoberflächen des Kanals 28 und verhindert, daß irgendwelches zerstäubtes oder verdampftes Material sich auf den Oberflächen des Kanals 28 niederschlägt. Wenn das Bohren abgeschlossen ist, wird die Schlämme ausgewaschen, indem Wasser durch die Kanäle 28 hindurchgespült wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Durchbohren einer Außenwand eines hohlen Bauteils (16), wobei ein Laserstrahl auf die Außenoberfläche der Wand gerichtet wird und aus der Innenoberfläche wieder austritt, und wobei das Verfahren das Bereitstellen eines thixotropen Mediums an der Innenoberfläche der Wand in der Nähe des Strahlaustritts umfaßt, das Material zum Streuen des Laserlichts enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das thixotrope Medium Material enthält, das bei Berührung durch das Laserstrahllicht Licht aussendet, und daß das Verfahren das Überwachen des von dem Medium ausgesandten Lichts zur Herstellung einer Anzeige von Größe und Form einer durch den Strahl gebohrten Öffnung (32) aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium eine Suspension von zwischen 1 und 5 Gew.-% Polyacrylamid in Wasser aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtaussehende Material ein Farbträger ist, der aus der aus Stilben und Derivaten von Stilben bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem das Überwachen von Licht umfaßt, das von dem Bauteil (16) reflektiert wird, um das von dem Medium emittierte Licht zu erfassen, wenn der Laserstrahl durch die zweite Oberfläche durchbricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es das Aufbringen des Mediums auf die zweite Oberfläche durch Hindurchdrücken desselben durch eine Düse umfaßt, so daß die Viskosität des Mediums herabgesetzt wird und dadurch das Medium leicht über die zweite Oberfläche fließt, und durch anschließendes Ansteigenlassen der Viskosität des Mediums, wenn es sich auf der zweiten Oberfläche befindet.