對構(gòu)件進(jìn)行激光鉆孔的方法
【專利摘要】一種對具有空腔(15)的構(gòu)件(10)、尤其是對噴射噴嘴進(jìn)行激光鉆孔的方法，具有以下方法步驟：形成金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16)；將流體(16)注入到空腔(15)中；借助至少一個激光射束將孔(11)鉆到構(gòu)件(10)的限界空腔(15)的壁部(12)中，其中在形成該孔(11)之后，激光射束由形成金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16)吸收；以及在激光鉆孔結(jié)束之后將流體(16)從空腔(15)導(dǎo)出。
【專利說明】
對構(gòu)件進(jìn)行激光鉆孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明以一種對構(gòu)件、尤其是對噴射噴嘴進(jìn)行激光鉆孔的方法，并且還以一種用于實(shí)施這種方法的裝置為出發(fā)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]在對構(gòu)件，尤其是對旋轉(zhuǎn)對稱地構(gòu)造的構(gòu)件、例如噴射噴嘴，進(jìn)行激光加工時，存在針對激光輻射遮隔或者說保護(hù)構(gòu)件面的問題，所述構(gòu)件面與剛好處于加工中的構(gòu)件壁部對置。為此，在現(xiàn)有技術(shù)中，在激光鉆孔的加工階段期間，通常將保護(hù)裝置導(dǎo)入到待加工構(gòu)件的空腔中，通過該保護(hù)裝置來阻擋在鉆孔過程結(jié)束時從鉆孔后側(cè)的構(gòu)件壁部射出的激光射束。為此，圖3示例性地以俯視圖示出由金屬制成的傳統(tǒng)保護(hù)裝置I的局部，盡管該傳統(tǒng)保護(hù)裝置按規(guī)定地使用在柴油噴嘴的空腔中，但是該傳統(tǒng)保護(hù)裝置I仍由于具有典型地處于皮秒范圍內(nèi)的激光脈沖的激光輻射而具有多個通孔2，這些通孔由從鉆孔后側(cè)射出的激光射束引起。因此，這種受損的保護(hù)裝置不再具有保護(hù)功能。圖4以縱剖圖示例性地示出柴油噴嘴3的頂側(cè)部分，其中在左側(cè)，借助來自激光源的超短激光脈沖鉆出一個噴射孔，而與借助激光輻射鉆出的噴射孔4的后側(cè)對置的右側(cè)壁部由于在激光加工期間導(dǎo)入到空腔5中的保護(hù)裝置失效而具有呈射穿形式的損傷6。因此，這種保護(hù)裝置受到或多或少地明顯的耗損效果，這種耗損效果限制這種保護(hù)裝置的有效使用壽命。在沒有及時地或者沒有周期性地更換這種保護(hù)裝置時，會導(dǎo)致生產(chǎn)線上的廢品率提高。
[0003]由DE10 2011 079 815 Al已知一種保護(hù)裝置，其用在借助激光輻射來在構(gòu)件中激光加工出孔的激光加工中。在此，該保護(hù)裝置沿著射束方向可定位在構(gòu)件壁部中的待加工孔的射束射出側(cè)端部之后，以針對射入的激光射束來保護(hù)構(gòu)件的鄰接該端部的后腔，該后腔具有與所述孔對置的構(gòu)件壁部。該保護(hù)裝置由復(fù)合物制成，該復(fù)合物由聚醚醚酮塑料基體與嵌入該基體中的纖維形成，其中，這些纖維這樣嵌入，使得它們在其各自的纖維延伸方向方面在所述塑料中相互交叉地以及相互橫向地延伸，并且以大致均勻的厚度分布在保護(hù)裝置的塑料的體積中。這些纖維實(shí)施為玻璃纖維或者碳纖維，用于使侵入到該復(fù)合物中的激光射束分開以及使所述激光射束的能量密度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]具有權(quán)利要求1特征的方法具有的優(yōu)點(diǎn)在于:通過使金屬的或者半金屬的流體從鉆孔后側(cè)經(jīng)過的方式來通過該流體吸收或者阻擋在那里進(jìn)入到待加工構(gòu)件的空腔中的激光輻射并且使接收的輻射能量耗散。實(shí)際上沒有發(fā)生在傳統(tǒng)保護(hù)裝置中出現(xiàn)的那種耗損效果，因?yàn)樗隽黧w在原則上是可連續(xù)地更換的，其方式是:流體可流過待加工構(gòu)件的空腔，并且，在所述過程期間保持持續(xù)地流過該空腔。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法針對由于激光輻射造成的不希望的損傷來為待加工構(gòu)件提供持久且可靠的保護(hù)，尤其是當(dāng)使用具有直至皮秒范圍的超短脈沖的高功率激光時。
[0005]本發(fā)明的其它有利擴(kuò)展方案和構(gòu)型通過在從屬權(quán)利要求舉出的措施來得到。
[0006]為了形成金屬地構(gòu)成的流體，可選擇具有低熔點(diǎn)的金屬。為此，特別有利地可使用鎵(元素周期表主族III中的一種元素，該元素具有處于室溫的熔點(diǎn))并且在噴射過程之前通過熔化將鎵置入到液態(tài)聚集態(tài)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的方法的另一變型可在于，為了形成金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體，將納米顆粒接收在液態(tài)載體材料中，其中，所述納米顆粒具有處于納米范圍內(nèi)或處于亞微米范圍內(nèi)的平均尺寸。這種納米顆粒可由金屬例如金形成或者可由半金屬化合物或半導(dǎo)體化合物例如CdSe形成，并且以足夠高的顆粒數(shù)量密度近似均勻分布地被接收在液態(tài)載體例如水和/或油中。
[0008]在根據(jù)本發(fā)明的方法的這兩個變型中，通過吸收來使照射到噴入構(gòu)件空腔中的流體上的激光輻射耗散。
[0009]用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的特定裝置適用于直接耦合到通到構(gòu)件空腔的開口上，并且使得能將儲箱中的流體限定地噴入到設(shè)置用于激光加工的構(gòu)件的空腔中。
【附圖說明】
[0010]在下面的描述和附圖中詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施方式。附圖示意性地示出:
[0011]圖1作為構(gòu)件的柴油噴嘴的頂側(cè)部分的縱剖圖，其中，根據(jù)本發(fā)明，在激光鉆孔的方法階段期間，該柴油噴嘴的中心空腔充滿流體，該流體使從側(cè)面穿過柴油噴嘴壁部的激光射束耗散;及
[0012]圖2以與圖1類似的視圖示出柴油噴嘴，然而根據(jù)本發(fā)明地借助噴管將所述流體噴入到空腔中，該噴管具有引導(dǎo)流體的空心通道。
【具體實(shí)施方式】
[0013]圖1示出待借助激光鉆孔來加工的構(gòu)件10，該構(gòu)件10涉及柴油噴嘴的燃燒室側(cè)部分。示出的是在用具有高脈沖功率的激光射束在構(gòu)件10的壁部12中產(chǎn)生噴射孔或者說鉆孔11的方法階段期間的構(gòu)件10。為了保護(hù)與壁部12對置的壁部側(cè)13不會由于在鉆孔過程結(jié)束時從噴射孔后側(cè)14射出的激光射束而受損傷，根據(jù)本發(fā)明將金屬地或者半金屬地構(gòu)成的流體16噴射到由所述壁部限界的空腔15中，并從而充滿該空腔15。此后，所噴射的流體16滿足針對從噴射孔后側(cè)14射出的激光射束的保護(hù)功能，其方式是，該流體通過吸收來耗散所述激光射束的能量。
[0014]為了使流體16可流過構(gòu)件10，沿著該構(gòu)件的縱向中軸線17構(gòu)成軸向貫穿該構(gòu)件頂端的通孔18，在激光加工結(jié)束之后，當(dāng)流體16經(jīng)由通流路徑IY、19〃從構(gòu)件10的空腔15完全被導(dǎo)出時，又借助焊接封閉該通孔18，其中，通流路徑19\19〃通過所述通孔18以及通過剛剛產(chǎn)生的鉆孔11確定。替代于此，可將由激光射束貫穿的鉆孔或者說噴射孔11設(shè)置為用于流體16的唯一流出路徑19"。
[0015]為了形成合適的金屬流體16，根據(jù)本發(fā)明方法的第一實(shí)施方式，選擇具有較低熔點(diǎn)的金屬。有利地，例如可使用鎵(元素周期表的主族III中的元素)，因?yàn)殒壍囊合嘤捎谄淙埸c(diǎn)為Ts = +30°C而處于有利的溫度范圍內(nèi)，由此該金屬在室溫條件下的液化是可能的。此夕卜，在過程結(jié)束之后可能存在于構(gòu)件中的鎵殘余物可相對簡單地被去除，其方式是，使相應(yīng)構(gòu)件在堿性超聲池中經(jīng)受清潔步驟。其它具有合適地低的熔點(diǎn)的金屬為元素周期表的同一主族中的銦和元素周期表的族IVA中的錫，銦的熔點(diǎn)為Ts = + 157°C，錫的熔點(diǎn)為Ts = +232°C。盡管有毒性或反射率但在原則上仍適合的是:汞，元素周期表的族IIB中的、即所謂的鋅族中的元素，其熔點(diǎn)為Ts = -39°C;以及銫，元素周期表的族LA中的堿金屬，其熔點(diǎn)為Ts = +28.5°C。提到的這些族中的其它金屬具有過高的熔點(diǎn)(例如鋅的熔點(diǎn)為Ts = +419°C)，其原因是，它們的熔點(diǎn)處于待加工的鋼構(gòu)件的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的范圍內(nèi)，從而將這類液化金屬導(dǎo)入到構(gòu)件10的空腔15中可能會導(dǎo)致構(gòu)件10中的不希望的結(jié)構(gòu)改變。
[0016]流體16在激光加工期間穿過空腔15從相應(yīng)的鉆孔11旁經(jīng)過。在此，當(dāng)激光射束從鉆孔11的后側(cè)14射出時，該激光射束照射到在那里在空腔15中在軸向上朝通孔18方向流出的流體16上并且被吸收。流過空腔15的流體16由此起到使能量耗散的作用。
[0017]替代于此，可根據(jù)本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式形成合適的流體16，其方式是，將以固體聚集態(tài)存在的、尺寸處于納米范圍內(nèi)或處于亞微米范圍內(nèi)的、金屬的或半金屬的顆粒置入到液態(tài)載體材料中。這種顆粒涉及由金屬例如金(Au)形成的納米顆粒，或涉及由半金屬化合物或者半導(dǎo)體化合物例如OdSe形成的納米顆粒，其中，這些納米顆粒能以納米球或納米管的形式存在并且等離子地構(gòu)造，其方式是，它們與作為集體等離子振蕩的激光輻射電磁場形成相互作用。在此，在激光輻射的作用下溶解在液態(tài)載體中的納米顆粒變熱。在基于單個納米顆粒的局部加熱和熔化而形成汽泡的情況下，發(fā)生納米顆粒的加熱，由此納米顆粒在幾納米的數(shù)量級上膨脹。這導(dǎo)致由于激光射束的各個單脈沖與以足夠高的數(shù)量密度溶解在液態(tài)載體中的納米顆粒之間的相互作用而造成納米顆粒的在納米尺度上變化的折射率，或者導(dǎo)致所述折射率的調(diào)制，由此通過吸收來實(shí)現(xiàn)激光輻射或其能量的耗散。該相互作用在此與等離子納米顆粒的尺寸或尺寸分布函數(shù)、等離子納米顆粒的形狀、等離子納米顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并且還與顆粒數(shù)量密度或者說聚集密度有關(guān)，以得到用于射入的激光輻射的、足夠大的吸收橫截面積，并且與所述材料本身有關(guān)。因此，激光輻射的脈沖能量導(dǎo)致流體16的加熱。在CdSe或者Au作為納米顆粒的情況下，根據(jù)納米顆粒的大小和形狀而定產(chǎn)生處于約550nm至約I 10nm之間的光譜范圍內(nèi)的最大吸收值，使得能通過本發(fā)明的方法來吸收或者耗散具有在該光譜范圍內(nèi)的波長的激光輻射。
[0018]例如可設(shè)置水或油或這兩者的組合物作為用于這類納米顆粒的液態(tài)載體。在特別有利的實(shí)施方案變型中，金納米顆粒被接收在一液態(tài)載體中，該液態(tài)載體具有鐵蛋白，其是一種自然形成的蛋白復(fù)合物，該蛋白復(fù)合物具有鐵核和包圍該鐵核的蛋白質(zhì)殼。由于激光輻射與金屬納米顆粒的相互作用，各個金屬原子或者說金原子作為離子從分別與激光輻射相互作用的納米顆粒脫離。因?yàn)殍F蛋白在其蛋白質(zhì)殼上具有晶核形成部位，因此三價金(AuIII)可積聚在那里；由激光輻射引起的、電子從鐵蛋白的鐵核通過其殼向外的轉(zhuǎn)移引起積聚的Au(III)離子減少，并導(dǎo)致:脫離下來的且在周圍擴(kuò)散的其它Au離子能聚集在這種晶核形成位置上。然后，這種積聚物或者說聚集物各自重新形成Au納米顆粒，使得在該實(shí)施方案變型中整體上有利地構(gòu)成流體16的再生。通過合適地輻射，所述再生也可在待加工的構(gòu)件之外進(jìn)行。
[0019]有利地，激光鉆孔的結(jié)束在此是可識別的，其方式是，探測特征噪聲，從鉆孔11射出并照射到流體16上的激光輻射基于與流體中的等離子納米顆粒的相互作用而產(chǎn)生所述特征噪聲。因此，作為對在測量技術(shù)上感測到的激光鉆孔過程結(jié)束做出的直接反應(yīng)，可將激光去激活并緊接著例如在噴射噴嘴的情況下對下個噴射孔進(jìn)行激光鉆孔以及也可進(jìn)行將流體16從構(gòu)件10的空腔15中導(dǎo)出或?qū)Щ亍?br>[0020]根據(jù)另一個實(shí)施方案變型，使用水和油的組合物作為液態(tài)載體，其中，納米顆粒在因此形成的油包水懸浮液中構(gòu)成膠束，即在油包水液滴中“懸浮地”被接收，以在顆粒數(shù)量密度足夠大時在液態(tài)載體內(nèi)獲得盡可能均勻的分布。
[0021]圖2將構(gòu)件10與根據(jù)本發(fā)明的裝置20—起示出，該裝置20適用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法。該裝置20構(gòu)造為噴管，該噴管具有沿噴管縱向中軸線21延伸的空心通道22，該空心通道在噴管尖23中通向外面?？招耐ǖ?2用于引導(dǎo)流體16通過。噴管尖23設(shè)置用于插入到空腔15的開口中，并且該噴管尖在其外部尺寸和形狀方面這樣構(gòu)造，使得可精確配合地將噴管噴尖23插入到空腔15的開口中，以保證將裝置20緊密且可靠地耦合到構(gòu)件10的空腔15上。在此，構(gòu)件10的縱向中軸線17與噴管縱向中軸線21對準(zhǔn)。裝置20可構(gòu)造成可加熱的或可構(gòu)造成可冷卻的，以根據(jù)所使用的流體16來調(diào)整到希望的噴入溫度或者使希望的噴入溫度保持恒定。該裝置20在此在構(gòu)件10的空腔15和設(shè)置用于流體16的儲箱(未示出)之間起連接功能，可借助壓力加載將消耗的流體體積從所述儲箱通過裝置20補(bǔ)充到空腔15中，以在那里實(shí)現(xiàn)快速的再充滿。
[0022]概括地說，根據(jù)本發(fā)明的方法用于對具有空腔15的構(gòu)件、尤其是對噴射噴嘴進(jìn)行激光鉆孔，并且包括以下方法步驟:形成金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體16;將流體16注入到空腔15中；借助至少一個激光射束將孔11鉆到構(gòu)件10的限界空腔15的壁部12中，其中，在構(gòu)成孔11之后，所述激光射束或者其能量由金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體16吸收或耗散；以及在激光鉆孔結(jié)束之后將流體16從空腔15中導(dǎo)出。流體16在此可循環(huán)通過空腔15，由此使得流體16能夠持續(xù)再生。通過補(bǔ)充流體16，即使在回收腔體積小時，也可實(shí)現(xiàn)實(shí)際任意大小的保護(hù)容積。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于對具有空腔的構(gòu)件、尤其是對噴射噴嘴進(jìn)行激光鉆孔的方法，該方法具有以下方法步驟: -形成金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16); -將所述金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16)注入到所述空腔(15)中； -借助至少一個激光射束將孔(11)鉆到所述構(gòu)件(10)的限界所述空腔(15)的壁部(12)中，其中，在構(gòu)成所述孔(11)之后，所述激光射束由所述金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16)吸收，以及 -在所述激光鉆孔結(jié)束之后將所述流體(16)從所述空腔(15)導(dǎo)出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了形成所述金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16)，選擇具有低熔點(diǎn)的金屬。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，選擇鎵作為金屬地構(gòu)成的流體(16)，在噴入過程之前通過熔化將所述鎵置入到液態(tài)聚集態(tài)中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了形成金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16)，將納米顆粒接收在液態(tài)載體材料中，其中，所述納米顆粒具有處于納米范圍內(nèi)或處于亞微米范圍內(nèi)的平均尺寸。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在噴射過程之前，將至少一個通孔(18)構(gòu)成到所述構(gòu)件(10)的壁部(12)中，所述至少一個通孔用于使所述流體(16)穿過所述空腔(15)，并且，在所述激光鉆孔結(jié)束之后又將所述至少一個通孔封閉。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述壁部(12)中的通孔(18)優(yōu)選構(gòu)造成與所述構(gòu)件(10)的縱向中軸線(17)大致同軸。7.—種用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述方法的裝置，其特征在于，該裝置(20)具有帶空心通道(22)的噴管，該噴管用于將所述金屬地和/或半金屬地構(gòu)成的流體(16)噴射到所述空腔(15)中，其中，所述空心通道(22)用于引導(dǎo)所述流體(16)通過，并且，設(shè)置有噴管尖(23)，該噴管尖用于插入到所述構(gòu)件(10)的空腔(15)中。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述空心通道(22)沿著所述噴管的縱向中軸線(21)延伸。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，所述噴管由金屬形成，該金屬的熔點(diǎn)顯著地高于形成所述流體(16)的那種金屬或半金屬的熔點(diǎn)。10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述噴管尖(23)具有這樣的橫向外部尺寸，該橫向外部尺寸設(shè)置用于精確配合地插入到所述構(gòu)件(10)的空腔(15)的開口中。
【文檔編號】B23K26/40GK105899324SQ201480049344
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年9月10日
【發(fā)明人】F·施塔德勒
【申請人】羅伯特·博世有限公司