在部件中激光加工孔的保護裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于利用激光束（5）在至少一個部件（2）中激光加工孔（3）的保護裝置（1），其中所述保護裝置（1）可沿激光束方向在部件壁（10）中定位在待加工孔（3）的激光束射出側(cè)端部（8）后面，以便用部件（2）的與孔（3）相對的部件壁（11）保護相鄰的背部空間以防入射激光束的照射。根據(jù)本發(fā)明的保護裝置（1）是由聚醚酮塑料制成的基體與鑲嵌在所述基體中的纖維構(gòu)成的復(fù)合件，其中所述纖維這樣地鑲嵌，使得它們相對它們各自的延伸方向在塑料材料中以縱橫交錯的方式延伸并且以大致均勻的密度分布在所述保護裝置（1）的塑料材料的體積中。所述纖維構(gòu)造為玻璃纖維或者碳纖維以便使進入到復(fù)合件中的激光束（5）分束和使其能量密度降低。
【專利說明】在部件中激光加工孔的保護裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1所述類型的、用于利用激光束在至少一個部件中激光加工孔的保護裝置，其中所述保護裝置定位在待加工孔的光束射出側(cè)的端部上以便保護所述部件的相鄰背部空間防止受到激光束的照射。本發(fā)明還涉及一種在使用根據(jù)本發(fā)明保護裝置的情形下用于制造部件(例如噴嘴，尤其是噴射器)的方法，以及涉及一種在使用根據(jù)本發(fā)明保護裝置的情形下制造噴射器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在材料的工業(yè)加工中，尤其是在部件或工件中常常使用大功率脈沖激光器鉆孔(例如通孔或盲孔)時，與常規(guī)機械切削技術(shù)相反，通過使用高功率脈沖激光器允許以更高的加工精度和更短的加工時間完成鉆孔。在激光鉆孔時遇到的問題是在完成激光鉆孔時在鉆孔背面射出的激光必須被屏蔽或阻擋，以阻止激光束不希望地損害與鉆孔背面相對的部件壁。如果使用激光束加工的部件例如是在汽車技術(shù)中使用的噴嘴或柴油噴嘴等，尤其可能存在這個問題。這種噴嘴具有基本上空心圓柱形的噴嘴體，所述噴嘴體具有噴嘴凸起，在噴嘴凸起壁中設(shè)置或鉆出多個噴射孔，以便在后來按照目的使用噴嘴時通過所述噴射孔將所述燃料分散或噴灑到發(fā)動機燃燒室中。因為這種噴嘴關(guān)于它的縱軸旋轉(zhuǎn)對稱地構(gòu)造，在現(xiàn)有技術(shù)中常常在激光鉆孔加工期間在所述噴嘴體的空腔內(nèi)部的噴嘴凸起中插入用金屬或陶瓷材料制成的保護裝置，所述保護裝置也稱作所謂襯底材料，用于阻擋或吸收從在噴嘴凸起的壁中激光鉆出的鉆孔射出在鉆孔背面上的激光束，以便阻止所述噴嘴凸起的相對置壁受到損害。
[0003]這種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的保護裝置的缺點是在利用具有超短激光脈沖的高功率激光器對所使用的金屬或陶瓷材料進行激光加工時，這種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的保護裝置不能承受從鉆孔背面射出且投射到保護裝置上的激光束并且它的保護功能因而不能令人滿意。另外，圖2示出一種常規(guī)的保護裝置I。在符合目的的使用情形下，保護裝置I在柴油噴嘴2的空腔6中具有從鉆孔背面射出的激光束所造成的穿孔7，并因而不再具有保護背部空間的功能。圖3典型地示出在常規(guī)保護裝置I失效后的柴油噴嘴2，其中所述噴嘴體的左側(cè)壁具有用激光束鉆出的噴射孔3，而與噴射孔的背面相對置的右側(cè)壁具有缺陷13，雖然在激光加工過程中使用了圖2的保護裝置1，但因為保護裝置I失效，激光束在右側(cè)壁上造成了穿透形式的缺陷13。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]具有權(quán)利要求1的特征的保護裝置所具有的優(yōu)點是，因為在符合目的的使用情形下沿激光束方向布置在鉆孔射出側(cè)后面的保護裝置的、根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)的緣故，在待加工部件或工件的鉆孔射出側(cè)射出的激光束被吸收，從而所述部件的與鉆孔射出側(cè)相對置的壁受到保護，防止因其它無需檢查的已經(jīng)傳播的另外激光束造成缺陷。其方式是所述根據(jù)本發(fā)明的保護裝置的復(fù)合結(jié)構(gòu)是由在塑料基體中鑲嵌纖維構(gòu)成的，進入到所述保護裝置中的激光束通過分布在塑料基體中的纖維進行分束，其中所述激光束的能量密度減弱或減小，甚至被吸收，但是，與此不同，在由金屬或陶瓷構(gòu)成的傳統(tǒng)保護裝置情形中，進入的激光束不像上述那樣被分束，因而這種常規(guī)的保護裝置可被穿透。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的保護裝置以有利的方式尤其適用于旋轉(zhuǎn)對稱的部件，所述部件具有構(gòu)造在其內(nèi)的空腔，即根據(jù)本發(fā)明的保護裝置例如用于噴嘴、柴油噴嘴、節(jié)流閥、閥塊和過濾塊。
[0006]本發(fā)明的其它有利的改進方案和構(gòu)型通過從屬權(quán)利要求中所提及的措施得到。特別地，如果塑料基體使用由熱塑性聚醚酮(PEEK)和鑲嵌在其中的玻璃纖維構(gòu)成的，則根據(jù)本發(fā)明的保護裝置可獲得特別高的耐穿透性，其中這樣構(gòu)造的保護裝置因為制造簡單而可通過壓鑄來低成本地制造。因為根據(jù)本發(fā)明的保護裝置的高耐穿透性，根據(jù)本發(fā)明的保護裝置在激光加工過程中比現(xiàn)有技術(shù)具有更高的過程可靠性，因而獲得更低的廢品率(廢品率是因缺陷部件引起的)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]在下面的說明和附圖中更詳細地闡述本發(fā)明的實施例，其中:
[0008]圖1示出了柴油噴嘴的縱向剖面圖，其中所述柴油噴嘴具有定位在柴油噴嘴的凸起中的根據(jù)本發(fā)明的保護裝置，所述保護裝置是由聚醚酮和鑲嵌在其中的玻璃纖維構(gòu)成的復(fù)合件制成的；
[0009]圖2以俯視圖示出了常規(guī)保護裝置的截面圖，其中所述保護裝置是由金屬制成的，在符合目的的使用情形下在待加工部件中用于屏蔽激光束并且具有通過激光束形成的多個相互疊置的穿透，所述激光束具有在納秒范圍內(nèi)的超短激光脈沖；
[0010]圖3以縱剖圖示出了柴油噴嘴的頭部側(cè)局部圖，其中在其左側(cè)利用來自激光源的超短激光脈沖鉆孔，而且因為圖2的常規(guī)保護裝置失效，在激光加工過程中，所述柴油噴嘴的與噴射孔的相對側(cè)因激光束造成了缺陷。
【具體實施方式】
[0011]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的保護裝置I的明顯示意性視圖，保護裝置I在激光加工過程中插入到利用激光束5加工的部件2中。待加工部件2是柴油噴嘴的頭部側(cè)部分，圖1中示出所述柴油噴嘴處于加工階段，其中激光束5是由未示出的、脈沖運行的更高功率的激光器產(chǎn)生的，激光束5在噴嘴凸起4的左側(cè)壁10中產(chǎn)生噴射孔3，其中噴嘴凸起4是由柴油噴嘴2的頭部側(cè)部分構(gòu)成的。因為噴嘴2的內(nèi)部構(gòu)成空腔6，與噴射孔3相對的右側(cè)壁11必須被保護以防止受到從噴射孔3射出的激光束照射。于是保護裝置I沿激光方向在鉆孔射出側(cè)8后面插入到噴嘴2的空腔6中，以便完全吸收從鉆孔射出側(cè)8射出的激光束。
[0012]另外，本發(fā)明的保護裝置I是由熱塑性聚醚酮塑料(PEEK)和基本上均勻鑲嵌在熱塑性聚醚酮塑料中的玻璃纖維構(gòu)成的。在所述實施例中，所述玻璃纖維相對于各自的纖維延伸方向是不規(guī)則的或者不均勻的，即在聚醚酮制成的塑料基體的體積中縱橫交錯地布置。在使用脈沖峰值功率典型地約為25MW的脈沖大功率激光器作為激光源時，在約I μ m的紅外線波長范圍內(nèi)，激光束位于次納秒直到皮秒范圍內(nèi)，所述激光束在柴油噴嘴壁中鉆出前述鉆孔3后，在鉆孔3的背面8射出，照射到保護裝置I的鄰近鉆孔背面8的表面9，其中激光束5被引入到空腔6中。照射到保護裝置I的表面9上的激光束5進入由聚醚酮塑料(PEEK)和玻璃纖維構(gòu)成的復(fù)合件中，激光束5以大約均勻的強度布置在PEEK塑料基體中，其中激光束5的能量密度通過分束逐漸降低并且激光束在復(fù)合材料中被吸收。在如根據(jù)圖2的現(xiàn)有技術(shù)的情形下，保護裝置的襯底材料只“整體地”構(gòu)成，即用金屬或陶瓷構(gòu)成，并且由此只在這種襯底材料中局部地吸收激光束，保護裝置橫向于激光束加工方向觀察基本上限制到進入襯底材料中的激光束的激光直徑，其中它的局部大能量密度導(dǎo)致在材料中沿著激光束的光束加工方向剝蝕材料作用，相反地，進入到根據(jù)本發(fā)明的保護裝置I中的激光束受到體積吸收，因為進入到根據(jù)本發(fā)明的保護裝置I的“混合”構(gòu)造的材料中的激光束穿過纖維的基本上“無組織的”布置分束或者扇形放射到塑料的體積中，從而所述能量密度因為扇形散射擴大了激光束相互作用區(qū)域而在復(fù)合材料中減小，并且激光束在材料的體積內(nèi)部作為熱量消散而被吸收。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的、構(gòu)造為復(fù)合件的保護裝置I比現(xiàn)有技術(shù)明顯更多地吸收所述照射的激光束。
[0013]為了利用鑲嵌到本發(fā)明保護裝置I的復(fù)合材料中的玻璃纖維將進入到本發(fā)明保護裝置I的復(fù)合材料中的激光束5最優(yōu)地分束成子光束，PEEK中的玻璃纖維的密度和尺寸的選擇方式是使射入的激光束被最優(yōu)地散射并且加工噴嘴的襯底材料承受得住。為此，復(fù)合件中纖維的混合比或填料量確定為纖維分量達到40-60%范圍內(nèi)，以便在復(fù)合件中纖維的這種密度的情形下構(gòu)成對于射入的激光束按比例良好的散射體。因為用來激光鉆孔的激光源的光束直徑在這個實施例中大約為20-25 iim，所述纖維的直徑確定為10-15 iim范圍內(nèi)。在對于入射的激光束而言明顯更大的纖維直徑的情形下，預(yù)期縮短散射過程的可能性有利于增長能量輸入過程，這是因為激光束大的能量密度可能導(dǎo)致所述纖維不希望地被損壞。為了進一步使纖維在所述復(fù)合件中隨機地混勻，所述纖維的長度確定為0.1-0.5mm的范圍內(nèi)，其中在所述纖維在所述復(fù)合件中隨機混勻的情形下，不調(diào)整所述纖維在PEEK基體中占優(yōu)勢的擇優(yōu)取向方向。如果用于加工的激光的波長位于1030-1064nm的紅外波長范圍中被替換為531nm或還有1500nm的放射波長，這些說明仍然有利地適用于所述保護裝置。在本發(fā)明的一個實施例中，鑲嵌到復(fù)合件結(jié)構(gòu)中的纖維構(gòu)造為碳纖維。
[0014]保護裝置I的前部段形成為尖的，從而在柴油噴嘴2柴油頂部區(qū)域4的供鉆孔的壁10和保護裝置I的與壁10相鄰的表面9之間保留一間隙，表面9的一個功能是工作氣體和保護氣體可流過所述間隙，以在激光加工部件2過程中在鉆孔3的背面8蒸發(fā)或者熔化從鉆孔3出來的殘留材料來排除所述殘留材料。表面9的另一功能是它向從鉆孔3的背面射出的激光束5提供一大約垂直于入射的激光束5的限定平坦界面。
[0015]總之，根據(jù)本發(fā)明的保護裝置I是用由聚醚酮塑料制成的基體和鑲嵌在所述基體中的纖維構(gòu)成的復(fù)合件制成的，其中所述纖維的鑲嵌方式是所述纖維相對于它們各自在塑料中的纖維延伸方向縱橫交錯地延伸并且在保護裝置I的塑料的體積中以大約均勻的密度分布。所述纖維實施為玻璃纖維或者碳纖維，用于對分束進入到所述復(fù)合件中的激光束5進而減小它們的能量密度。根據(jù)本發(fā)明的保護裝置I適用于制造例如噴嘴或噴射器等部件，所述部件具有旋轉(zhuǎn)對稱的形狀，其中根據(jù)本發(fā)明的保護裝置定位在所述部件中以使所述保護裝置沿用于加工的激光束的光束方向在所述部件中在鉆孔射出側(cè)后面阻擋在此處射出的激光束，遮蔽所述部件的相對置的壁。
【權(quán)利要求】
1.用于利用激光束(5)在至少一個部件(2)中激光加工孔(3)的保護裝置(1)，其中所述保護裝置(I)定位在待加工的孔(3)的光束射出側(cè)端部(8)上，以便保護所述部件(2)的與所述光束射出側(cè)端部(8)相鄰的背部空間以阻止受到所述激光束的照射，其特征在于， 所述保護裝置(I)設(shè)置成，它是用由塑料和鑲嵌在所述塑料中的纖維構(gòu)成的復(fù)合件制成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保護裝置，其特征在于，在所述保護裝置(I)的復(fù)合件中所使用的塑料是熱塑性地制成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的保護裝置，其特征在于，在所述保護裝置(I)的復(fù)合件中所使用的塑料是聚醚酮塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的保護裝置，其特征在于，所述復(fù)合件中所使用的纖維相對于它們各自的纖維延伸方向縱橫交錯地布置在所述復(fù)合件中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的保護裝置，其特征在于，所述纖維以大約均勻的密度分布地布置在所述保護裝置(I)的塑料的體積中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的保護裝置，其特征在于，對于纖維在所述復(fù)合件中的分量，所述填料量處于大約40%至60%的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的保護裝置，其特征在于，所述纖維具有大約10至15μ m范圍內(nèi)的直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項所述的保護裝置，其特征在于，所述纖維的長度大約是0.1 至 0.5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的保護裝置，其特征在于，所述纖維在所述保護裝置(I)的復(fù)合件中構(gòu)造為玻璃纖維。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的保護裝置，其特征在于，所述玻璃纖維設(shè)置成所述玻璃纖維對于被用于激光加工的激光源的發(fā)射波長而言是近似透明的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的保護裝置，其特征在于，構(gòu)成保護裝置(I)的復(fù)合件是利用壓鑄方法制造的。
12.使用根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的保護裝置制造部件的方法，所述部件例如是噴嘴，尤其是噴射器，其中所述保護裝置(I)在所述部件(2)的空間中的定位方式是使在所述部件(2)的壁(10)中設(shè)置的鉆孔(3)背面上射出的激光束由所述保護裝置(I)完全阻擋，并且所述部件(2)的相對置的段(11)被遮蔽。
13.使用根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的保護裝置制造噴射器的方法，其中所述保護裝置(I)在所述噴射器(2)的空間中的定位方式是使在所述噴射器(2)的壁(10)中設(shè)置的鉆孔(3)背面上射出的激光束由所述保護裝置(I)完全阻擋，并且所述噴射器(2)的相對置的段被遮蔽。
【文檔編號】B23K26/70GK103717345SQ201280036948
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月26日
【發(fā)明者】T·鮑爾, U·格拉夫 申請人:羅伯特·博世有限公司