對構件進行激光鉆孔的方法
【專利摘要】一種對具有空腔(15)的構件(10)、尤其是對噴射噴嘴進行激光鉆孔的方法，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/或半金屬地構成的流體(16)吸收；以及在激光鉆孔結束之后將流體(16)從空腔(15)導出。
【專利說明】
對構件進行激光鉆孔的方法
技術領域
[0001]本發明以一種對構件、尤其是對噴射噴嘴進行激光鉆孔的方法，并且還以一種用于實施這種方法的裝置為出發點。
【背景技術】
[0002]在對構件，尤其是對旋轉對稱地構造的構件、例如噴射噴嘴，進行激光加工時，存在針對激光輻射遮隔或者說保護構件面的問題，所述構件面與剛好處于加工中的構件壁部對置。為此，在現有技術中，在激光鉆孔的加工階段期間，通常將保護裝置導入到待加工構件的空腔中，通過該保護裝置來阻擋在鉆孔過程結束時從鉆孔后側的構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保護裝置I的局部，盡管該傳統保護裝置按規定地使用在柴油噴嘴的空腔中，但是該傳統保護裝置I仍由于具有典型地處于皮秒范圍內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射出的激光射束引起。因此，這種受損的保護裝置不再具有保護功能。圖4以縱剖圖示例性地示出柴油噴嘴3的頂側部分，其中在左側，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的后側對置的右側壁部由于在激光加工期間導入到空腔5中的保護裝置失效而具有呈射穿形式的損傷6。因此，這種保護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裝置時，會導致生產線上的廢品率提高。
[0003]由DE10 2011 079 815 Al已知一種保護裝置，其用在借助激光輻射來在構件中激光加工出孔的激光加工中。在此，該保護裝置沿著射束方向可定位在構件壁部中的待加工孔的射束射出側端部之后，以針對射入的激光射束來保護構件的鄰接該端部的后腔，該后腔具有與所述孔對置的構件壁部。該保護裝置由復合物制成，該復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裝置的塑料的體積中。這些纖維實施為玻璃纖維或者碳纖維，用于使侵入到該復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。

【發明內容】

[0004]具有權利要求1特征的方法具有的優點在于:通過使金屬的或者半金屬的流體從鉆孔后側經過的方式來通過該流體吸收或者阻擋在那里進入到待加工構件的空腔中的激光輻射并且使接收的輻射能量耗散。實際上沒有發生在傳統保護裝置中出現的那種耗損效果，因為所述流體在原則上是可連續地更換的，其方式是:流體可流過待加工構件的空腔，并且，在所述過程期間保持持續地流過該空腔。因此，根據本發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件提供持久且可靠的保護，尤其是當使用具有直至皮秒范圍的超短脈沖的高功率激光時。
[0005]本發明的其它有利擴展方案和構型通過在從屬權利要求舉出的措施來得到。
[0006]為了形成金屬地構成的流體，可選擇具有低熔點的金屬。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)并且在噴射過程之前通過熔化將鎵置入到液態聚集態。
[0007]根據本發明的方法的另一變型可在于，為了形成金屬地和/或半金屬地構成的流體，將納米顆粒接收在液態載體材料中，其中，所述納米顆粒具有處于納米范圍內或處于亞微米范圍內的平均尺寸。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體化合物例如CdSe形成，并且以足夠高的顆粒數量密度近似均勻分布地被接收在液態載體例如水和/或油中。
[0008]在根據本發明的方法的這兩個變型中，通過吸收來使照射到噴入構件空腔中的流體上的激光輻射耗散。
[0009]用于實施根據本發明的方法的特定裝置適用于直接耦合到通到構件空腔的開口上，并且使得能將儲箱中的流體限定地噴入到設置用于激光加工的構件的空腔中。
【附圖說明】
[0010]在下面的描述和附圖中詳細解釋本發明的實施方式。附圖示意性地示出:
[0011]圖1作為構件的柴油噴嘴的頂側部分的縱剖圖，其中，根據本發明，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，然而根據本發明地借助噴管將所述流體噴入到空腔中，該噴管具有引導流體的空心通道。
【具體實施方式】
[0013]圖1示出待借助激光鉆孔來加工的構件10，該構件10涉及柴油噴嘴的燃燒室側部分。示出的是在用具有高脈沖功率的激光射束在構件10的壁部12中產生噴射孔或者說鉆孔11的方法階段期間的構件10。為了保護與壁部12對置的壁部側13不會由于在鉆孔過程結束時從噴射孔后側14射出的激光射束而受損傷，根據本發明將金屬地或者半金屬地構成的流體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14射出的激光射束的保護功能，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可流過構件10，沿著該構件的縱向中軸線17構成軸向貫穿該構件頂端的通孔18，在激光加工結束之后，當流體16經由通流路徑IY、19〃從構件10的空腔15完全被導出時，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，根據本發明方法的第一實施方式，選擇具有較低熔點的金屬。有利地，例如可使用鎵(元素周期表的主族III中的元素)，因為鎵的液相由于其熔點為Ts = +30°C而處于有利的溫度范圍內，由此該金屬在室溫條件下的液化是可能的。此夕卜，在過程結束之后可能存在于構件中的鎵殘余物可相對簡單地被去除，其方式是，使相應構件在堿性超聲池中經受清潔步驟。其它具有合適地低的熔點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，銦的熔點為Ts = + 157°C，錫的熔點為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，其熔點為Ts = -39°C;以及銫，元素周期表的族LA中的堿金屬，其熔點為Ts = +28.5°C。提到的這些族中的其它金屬具有過高的熔點(例如鋅的熔點為Ts = +419°C)，其原因是，它們的熔點處于待加工的鋼構件的殘余奧氏體轉變的范圍內，從而將這類液化金屬導入到構件10的空腔15中可能會導致構件10中的不希望的結構改變。
[0016]流體16在激光加工期間穿過空腔15從相應的鉆孔11旁經過。在此，當激光射束從鉆孔11的后側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，可根據本發明方法的第二實施方式形成合適的流體16，其方式是，將以固體聚集態存在的、尺寸處于納米范圍內或處于亞微米范圍內的、金屬的或半金屬的顆粒置入到液態載體材料中。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，發生納米顆粒的加熱，由此納米顆粒在幾納米的數量級上膨脹。這導致由于激光射束的各個單脈沖與以足夠高的數量密度溶解在液態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，或者導致所述折射率的調制，由此通過吸收來實現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、等離子納米顆粒的形狀、等離子納米顆粒的內部結構并且還與顆粒數量密度或者說聚集密度有關，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。因此，激光輻射的脈沖能量導致流體16的加熱。在CdSe或者Au作為納米顆粒的情況下，根據納米顆粒的大小和形狀而定產生處于約550nm至約I 10nm之間的光譜范圍內的最大吸收值，使得能通過本發明的方法來吸收或者耗散具有在該光譜范圍內的波長的激光輻射。
[0018]例如可設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載體。在特別有利的實施方案變型中，金納米顆粒被接收在一液態載體中，該液態載體具有鐵蛋白，其是一種自然形成的蛋白復合物，該蛋白復合物具有鐵核和包圍該鐵核的蛋白質殼。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。因為鐵蛋白在其蛋白質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移引起積聚的Au(III)離子減少，并導致:脫離下來的且在周圍擴散的其它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，使得在該實施方案變型中整體上有利地構成流體16的再生。通過合適地輻射，所述再生也可在待加工的構件之外進行。
[0019]有利地，激光鉆孔的結束在此是可識別的，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生所述特征噪聲。因此，作為對在測量技術上感測到的激光鉆孔過程結束做出的直接反應，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行激光鉆孔以及也可進行將流體16從構件10的空腔15中導出或導回。
[0020]根據另一個實施方案變型，使用水和油的組合物作為液態載體，其中，納米顆粒在因此形成的油包水懸浮液中構成膠束，即在油包水液滴中“懸浮地”被接收，以在顆粒數量密度足夠大時在液態載體內獲得盡可能均勻的分布。
[0021]圖2將構件10與根據本發明的裝置20—起示出，該裝置20適用于實施根據本發明的方法。該裝置20構造為噴管，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。空心通道22用于引導流體16通過。噴管尖23設置用于插入到空腔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件10的空腔15上。在此，構件10的縱向中軸線17與噴管縱向中軸線21對準。裝置20可構造成可加熱的或可構造成可冷卻的，以根據所使用的流體16來調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在此在構件10的空腔15和設置用于流體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補充到空腔15中，以在那里實現快速的再充滿。
[0022]概括地說，根據本發明的方法用于對具有空腔15的構件、尤其是對噴射噴嘴進行激光鉆孔，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鉆到構件10的限界空腔15的壁部12中，其中，在構成孔11之后，所述激光射束或者其能量由金屬地和/或半金屬地構成的流體16吸收或耗散；以及在激光鉆孔結束之后將流體16從空腔15中導出。流體16在此可循環通過空腔15，由此使得流體16能夠持續再生。通過補充流體16，即使在回收腔體積小時，也可實現實際任意大小的保護容積。
【主權項】
1.一種用于對具有空腔的構件、尤其是對噴射噴嘴進行激光鉆孔的方法，該方法具有以下方法步驟: -形成金屬地和/或半金屬地構成的流體(16); -將所述金屬地和/或半金屬地構成的流體(16)注入到所述空腔(15)中； -借助至少一個激光射束將孔(11)鉆到所述構件(10)的限界所述空腔(15)的壁部(12)中，其中，在構成所述孔(11)之后，所述激光射束由所述金屬地和/或半金屬地構成的流體(16)吸收，以及 -在所述激光鉆孔結束之后將所述流體(16)從所述空腔(15)導出。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，為了形成所述金屬地和/或半金屬地構成的流體(16)，選擇具有低熔點的金屬。3.根據權利要求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聚集態中。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，為了形成金屬地和/或半金屬地構成的流體(16)，將納米顆粒接收在液態載體材料中，其中，所述納米顆粒具有處于納米范圍內或處于亞微米范圍內的平均尺寸。5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，在噴射過程之前，將至少一個通孔(18)構成到所述構件(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，在所述激光鉆孔結束之后又將所述至少一個通孔封閉。6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述壁部(12)中的通孔(18)優選構造成與所述構件(10)的縱向中軸線(17)大致同軸。7.—種用于實施根據權利要求1至6中任一項所述方法的裝置，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)用于引導所述流體(16)通過，并且，設置有噴管尖(23)，該噴管尖用于插入到所述構件(10)的空腔(15)中。8.根據權利要求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.根據權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，所述噴管由金屬形成，該金屬的熔點顯著地高于形成所述流體(16)的那種金屬或半金屬的熔點。10.根據權利要求7至9中任一項所述的裝置，其特征在于，所述噴管尖(23)具有這樣的橫向外部尺寸，該橫向外部尺寸設置用于精確配合地插入到所述構件(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
【發明人】F·施塔德勒
【申請人】羅伯特·博世有限公司