DE102015206004A1 - Apparatus and method for forming a long pulse laser and method for making a shaped hole - Google Patents

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Abstract

Durch die Beeinflussung eines Laserstrahls (9) in eine gewünschte Form eines herzustellenden Lochs wird die Laserbearbeitung von Bauteilen erheblich vereinfacht.By influencing a laser beam (9) into a desired shape of a hole to be produced, the laser processing of components is considerably simplified.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der ein Langpulslaser beeinflusst wird und ein entsprechendes Verfahren, um geformte Bohrungen herzustellen. The invention relates to a device with which a long-pulse laser is influenced and a corresponding method for producing shaped bores.

Turbinenschaufeln erhalten aufwändige mehrlagige Beschichtungssystemen aus Korrosionsschutzschichten und Wärmedämmschichten. Die Wärmedämmschicht besteht zumeist aus Keramik, die über atmosphärisches Plasmaspritzen aufgetragen wird. Durch das gesamte Beschichtungssystem wird zusätzlich eine Vielzahl von Kühlluftbohrungen mittels Lasertechnologie eingebracht. Diese Kühlluftbohren müssen, um eine möglichst effiziente Filmkühlung zu erzielen, speziell geformt sein. Turbine blades receive complex multi-layer coating systems consisting of anticorrosive coatings and thermal barrier coatings. The thermal barrier coating is usually made of ceramic, which is applied by atmospheric plasma spraying. The entire coating system additionally introduces a large number of cooling air holes using laser technology. These cooling air drills must be specially shaped to achieve the most efficient film cooling possible.

Zurzeit werden die Formbohrungen über einen zweistufigen Prozess erzeugt. In einem ersten Schritt wird ein zylindrischer Anteil mit einem Pulslaser und Pulsdauern im ms-Bereich hergestellt. Die Austrittsöffnung auf dem Zylinder wird in einem zweiten Schritt mit einem Kurzpulslaser mit Pulsdauern im ns-Bereich über eine Abtragsprozedur erzeugt. At present, the forming holes are produced by a two-stage process. In a first step, a cylindrical portion is produced with a pulse laser and pulse durations in the ms range. The outlet opening on the cylinder is generated in a second step with a short pulse laser with pulse durations in the ns range via a Abtragsprozedur.

Aufgabe der Erfindung ist es, oben genanntes Problem zu lösen. The object of the invention is to solve the above-mentioned problem.

In dieser Erfindung wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Formung der Austrittsöffnungen mit dem Laser einfacher erzeugt werden können. In this invention, a method is presented, with which the formation of the outlet openings can be generated with the laser easier.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 2.

In den jeweiligen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. In the respective subclaims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The figures and the description represent only embodiments of the invention.

Es zeigt It shows

1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, 1 schematically a device according to the invention,

2 schematisch einen Querschnitt eines hergestellten Lochs. 2 schematically a cross section of a hole produced.

Ein Laserstrahl eines Langpulslasers im ms-Bereich wird durch eine geeignete Blende im Strahlengang geformt. Um ein Abbild der Blende auf ein Werkstück fokussieren zu können, muss eine Blende in einer Strahltaille eines ausgeweiteten Laserstrahles positioniert werden. Eine solche Strahltaille befindet sich bei den derzeit eingesetzten Lasersystemen auf einem Auskoppelspiegel eines Lasers. Da im ausgeweiteten Laserstrahl die Rayleihlänge lang ist, ist es ausreichend, die Blende nahe am Auskoppelspiegel zu positionieren. Die auf dieser Blende vorliegende Intensitätsverteilung wird dann bei der Fokussierung, insbesondere mittels Teleskopabbildung, auf das Werkstück abgebildet und erzeugt dort einen Abtrag in Form der Blende. A laser beam of a long-pulse laser in the ms range is formed by a suitable aperture in the beam path. In order to focus an image of the diaphragm on a workpiece, a diaphragm must be positioned in a beam waist of an expanded laser beam. Such a beam waist is located in the currently used laser systems on a Auskoppelspiegel a laser. Since the Rayleihlänge is long in the expanded laser beam, it is sufficient to position the aperture close to the Auskoppelspiegel. The intensity distribution present on this diaphragm is then imaged on the workpiece during focusing, in particular by means of telescopic imaging, where it produces a removal in the form of the diaphragm.

1 zeigt eine Vorrichtung 1, bei der wie im Stand der Technik ein Resonator 4 vorhanden ist, der über eine optische Pumpeinrichtung 7 und über ein laseraktives Medium 10 einen Laserstrahl 9 erzeugt, der über einen Auskoppelspiegel 13 weitergeleitet wird. 1 shows a device 1 in which, as in the prior art, a resonator 4 is present, via an optical pumping device 7 and via a laser-active medium 10 a laser beam 9 generated, via a Auskoppelspiegel 13 is forwarded.

Vorzugsweise ist hinter dem Auskoppelspiegel 13 eine Blende 16 vorhanden, die den Querschnitt des Laserstrahls 9 zumindest stellenweise verkleinert. Zwischen Auskoppelspiegel 13 und Blende 16 ist vorzugsweise kein anderes optisches Element vorhanden. Die Blende 16 kann auch im Resonator vorhanden sein, also im Strahlgang vor dem Auskoppelspiegel 13. Preferably, behind the Auskoppelspiegel 13 a panel 16 present the cross section of the laser beam 9 at least in places reduced in size. Between Auskoppelspiegel 13 and aperture 16 preferably no other optical element is present. The aperture 16 can also be present in the resonator, ie in the beam path in front of the coupling-out mirror 13 ,

Über eine optionale Umlenkungsvorrichtung wie ein Spiegel 19 und/oder insbesondere eine Fokussierlinse 22, wird der so geänderte Strahl 9‘ auf eine Oberfläche 25 eines Werkstücks geleitet, das bearbeitet werden soll. Die Blende 16 weist eine bestimmte Geometrie auf, die den Querschnitt eines herzustellenden Lochs darstellt, die aber nicht rund oder nicht oval ist. About an optional deflection device such as a mirror 19 and / or in particular a focusing lens 22 , the so changed beam 9 ' on a surface 25 of a workpiece to be processed. The aperture 16 has a certain geometry, which represents the cross-section of a hole to be made, but which is not round or oval.

Hier ist der Querschnitt 28‘ eine Trapezform. Here is the cross section 28 ' a trapezoidal shape.

Dieser Querschnitt kann trapenzförmig 28‘ sein, wie es bei der Herstellung von Diffusoren in Turbinenbauteilen der Fall ist. This cross-section may be pincushion-shaped 28 ' be, as is the case in the manufacture of diffusers in turbine components.

Ein weiterer Querschnitt 28‘‘ ist in 2 gezeigt. Die Querschnittsform der Blende 16 zeigt im Querschnitt ein herzustellendes Loch auf der Oberfläche 25. Hier weist die Form 28‘‘ ausgehend von einem Rechteck eine Form auf, wobei eine kurze Seitenlänge gewölbt ausgebildet ist und eine Schindelform aufweist. Another cross section 28 '' is in 2 shown. The cross-sectional shape of the panel 16 shows in cross section a hole to be made on the surface 25 , Here is the shape 28 '' starting from a rectangle on a shape, wherein a short side length is curved and has a shingle shape.

Claims (7)

Vorrichtung (1) zur Lochherstellung mit Mitteln zur Beeinflussung eines Laserstrahls (9) eines Langpulslasers, die (1) zumindest aufweist: einen Resonator (4) zur Erzeugung des Laserstrahls (9), einen Auskoppelspiegel (13), eine Fokussierung (22), vorzugsweise eine Linse oder eine Teleskopabbildung, und eine Halterung oder Auflage für ein Werkstück, das mit dem Langpulslaser bearbeitet wird, wobei das Werkstück eine Oberfläche (25) aufweist, optional eine Umlenkvorrichtung (19), dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende (16) im Strahlgang des Laserstrahls (9) hinter dem Resonator oder in dem Resonator (4) oder vor oder hinter dem Auskoppelspiegel (13) angeordnet ist und wobei die Blende (16) eine Querschnittsform des herzustellenden Lochs, insbesondere eines Sacklochs, aufweist und eine nichtrunde oder nichtovale Form aufweist. Contraption ( 1 ) for hole production with means for influencing a laser beam ( 9 ) of a long-pulse laser ( 1 ) at least comprising: a resonator ( 4 ) for generating the laser beam ( 9 ), a Auskoppelspiegel ( 13 ), a focus ( 22 ), preferably a lens or a telescopic image, and a holder or support for a workpiece, which is processed with the long-pulse laser, the workpiece having a surface ( 25 ), optionally a deflection device ( 19 ), characterized in that a diaphragm ( 16 ) in the beam path of the laser beam ( 9 ) behind the resonator or in the resonator ( 4 ) or in front of or behind the outcoupling mirror ( 13 ) and wherein the diaphragm ( 16 ) has a cross-sectional shape of the hole to be produced, in particular a blind hole, and has a non-round or non-oval shape. Verfahren zur Herstellung eines Lochs, insbesondere bei dem eine Vorrichtung nach Anspruch 1 verwendet wird, bei dem ein Laserstrahl (9) eines Lasers durch eine Blende (16) in einen geänderten Laserstrahl (9‘) verändert wird, der eine bestimmte geometrische Form aufweist, der im Querschnitt einem zu formenden Loch entspricht, wobei die Form nicht kreisförmig oder nicht ovalförmig ist. Method for producing a hole, in particular in which a device according to claim 1 is used, in which a laser beam ( 9 ) of a laser through a diaphragm ( 16 ) into a changed laser beam ( 9 ' ) having a certain geometric shape corresponding in cross section to a hole to be formed, the shape being non-circular or not oval-shaped. Vorrichtung oder Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Blende (16) eine Trapezform aufweist. Device or method according to claim 1 or 2, wherein the diaphragm ( 16 ) has a trapezoidal shape. Vorrichtung oder Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Blende (16) eine Schindelform aufweist. Device or method according to claim 1 or 2, wherein the diaphragm ( 16 ) has a shingle shape. Vorrichtung oder Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Blende (16) in Strahlungsrichtung des Laserstahls (3) hinter dem Auskoppelspiegel (13) angeordnet ist oder wird. Device or method according to one or more of the preceding claims 1 to 4, wherein the diaphragm ( 16 ) in the radiation direction of the laser beam ( 3 ) behind the Auskoppelspiegel ( 13 ) is or is arranged. Vorrichtung oder Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Blende (16) in Strahlungsrichtung des Laserstahls (3) vor dem Auskoppelspiegel (13) angeordnet ist oder wird. Device or method according to one or more of the preceding claims 1 to 4, wherein the diaphragm ( 16 ) in the radiation direction of the laser beam ( 3 ) in front of the output mirror ( 13 ) is or is arranged. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Pulsdauer des Lasers im ms-Bereich liegt.  The method of claim 2, wherein the pulse duration of the laser is in the ms range.
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