Modulares hybrides Laserstrahl-Bohren

Uchtmann, Hermann; Poprawe, Reinhart; Singheiser, Lorenz

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-032266

Modulares hybrides Laserstrahl-Bohren = Modular hybrid laser drilling

Uchtmann, Hermann

2016

VerantwortlichkeitsangabeHermann Uchtmann

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2016

UmfangIV, 131 Seiten : Illustrationen

ISBN978-3-86359-428-2

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor) ; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-032266
DOI: 10.18154/RWTH-2016-03226
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/573082/files/573082.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Laserstrahl-Bohren ist ein etabliertes Verfahren zur Fertigung von Kühlluftbohrungen in Turbomaschinenkomponenten wie z.B. Turbinenschaufeln in den Bereichen Energieerzeugung sowie Luftfahrt. Aufgrund der heute konventionell verwendeten blitzlampen-gepumpten Nd:YAG Laserstrahlung mit großen Pulsenergien bis zu 80 J entstehen Defekte an den Bohrungswänden wie Schmelzschichten oder Mikrorisse. Die Lebensdauer der Komponenten wird aufgrund der Defekte bis zu einem Faktor von neun reduziert.Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung des Bohrprozesses, um die metallurgische Qualität von Kühlluftbohrungen bei gleichbleibender Produktivität zu vergrößern. Die Vorgehensweise ist in drei Schritte unterteilt: Zunächst wird gepulste Faserlaserstrahlung mit Pulsdauern im Bereich von einigen hundert Mikrosekunden verwendet. Durch den vorwiegend schmelzdominierten Abtrag wird eine große Produktivität erzielt. Da die Puls-zu-Puls Stabilität sowie mögliche Repetitionsraten größer sind als bei blitzlampen-gepumpter Nd:YAG Laserstrahlung, können Bohrungen mit einem Durchmesser von 500 µm in 5 mm dicken Edelstahl in 1 s mit Schmelzschichtdicken von ca. 50 µm erzielt werden.Im zweiten Schritt wird erstmals ultrakurzgepulste Laserstrahlung für die Herstellung von Kühlluftbohrungen verwendet. Aufgrund des verdampfungsdominierten Abtrags können bei geeigneter Wahl der Laserparameter Repetitionsrate und Leistung, der Abtragstrategie sowie der Prozessgasart nahezu defektfreie Bohrungen erzielt werden. Die Bearbeitungsdauer beträgt ca. 150 s. Um die Vorteile beider Bohrprozesse zu kombinieren, wird im dritten Schritt ein hybrider Bohrprozess entwickelt. Zunächst wird eine Vorbohrung mittels Faserlaserstrahlung erzeugt. In einem zweiten Schritt wird mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung das thermisch beeinflusste Material an der Bohrungswand abgetragen. Somit können nahezu defektfreie Bohrungen in 15 s erzielt werden.

Laser drilling is an established manufacturing process for the production of cooling air holes in turbomachinery components, such as turbine blades in power generation and aviation. Due to conventionally used flashlamp-pumped Nd:YAG laser radiation with large pulse energies up to 80 J, defects occur at the hole walls such as recast layers or micro cracks. The lifespan of the components is reduced due to the defects up to a factor of nine.The aim of this work is the further development of the drilling process to increase the metallurgical quality of cooling air holes with remaining constant productivity. The procedure is divided into three steps: First, pulsed fiber laser radiation is used with pulse durations in the range of a few hundred microseconds. Due to the melt dominated ablation of material, a high productivity is achieved. Since the pulse-to-pulse stability and possible repetition rates are higher than by using flashlamp-pumped Nd:YAG laser radiation, holes with a diameter of 500 microns in 5 mm thick stainless steel can be achieved in 1 s with melt layer thicknesses of approximately 50 microns.In the second step ultrashort pulsed laser radiation is used for the first time for drilling of cooling air holes. The ablation of material is evaporation dominated. By determining suitable laser parameters such as repetition rate and average power, a suitable strategy of laser beam deflection as well as a suitable combination of kind and pressure of process gas, nearly defect-free holes can be obtained. The processing time is approximately 150 s.In order to combine the advantages of both drilling processes, in the third step, a hybrid drilling process is developed. First, a pilot hole is drilled by fiber laser radiation. In a second step, the thermally affected material at the hole wall is removed by using ultrashort pulsed laser radiation. Thus, nearly defect-free holes can be drilled in 15 s.

OpenAccess:
PDF
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