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Metallische Profile mit beliebiger Länge können durch Profilwalzen hergestellt werden. Dabei werden zahlreiche Walzgerüste nacheinander durchlaufen, wobei die axialen Querschnitte der beiden zusammengehörigen Walzen eines Gerüsts der Ober- und der Unterseite des durch das Gerüst hergestellten Querschnitteils des Profils entsprechen, also etwa Keil- bzw. V-Nutformig sind. Durch das Aufeinanderfolgen von zahlreichen solchen Walzen können mittels mehreren Umformschritten komplexe Profile hergestellt werden.
Zeigt der Querschnitt des gewünschten Profils kleine Krümmungsradien oder allzu scharfe Kanten, so treten bei den im Bezug auf die Krummungsmittelpunkte aussen liegenden Fasern sehr grosse Dehnungen auf, die unter Umstän- den die Bruchdehnung überschreiten können, womit das Profil nach dem Walzprofilieren an derar- tigen Stellen Risse aufweist und damit unbrauchbar wird. Das Problem wird noch verscharft, wenn weniger duktile Werkstoffe, wie etwa bestimmte Aluminiumlegierungen, Titan oder hochfeste Stähle gewalzt werden. Damit bleibt das Walzprofilieren, das auf Grund seines Endloscharakters kostengünstig ist, auf duktile Werkstoffe und auf Querschnittsgeometrien mit nicht zu hohen Um- formgraden beschränkt.
Die gegenständliche Erfindung bietet nun eine Möglichkeit, diese Be- schränkungen aufzuheben und das Walzprofilieren auch auf Werkstoffe, die sich für die Kaltum- formung weniger gut eignen und auf Profile mit besonders hohen Umformgraden zu erweitern.
Die gegenständliche Erfindung beruht auf dem Umstand, dass im allgemeinen die Verformbar- keit von Metallen, und auch von vielen anderen Werkstoffen, wie etwa Thermoplasten und Glas bei erhöhter Temperatur verbessert wird, was sich daran zeigt, dass die für das Einsetzen der plasti- schen Verformung erforderliche Fliessspannung mit steigender Temperatur sinkt, bei Stahl bei einer Temperaturhöhung um 500 um etwa 40%. Weiters steigen auch die erreichbaren Dehnungen mit steigender Temperatur an.
Damit kann nun durch Erwärmung des Walzgutes vor dem Ergreifen durch die Walzen an denjenigen Stellen, wo nach Verlassen des Walzenpaares Profilquerschnitts- stellen mit kleinen Krümmungsradien entstanden sind, durch Erwärmung mit einem mehr oder minder fokussierten Laserstrahl eine erleichterte Umformung erzielt werden, so dass das Material nicht bricht, was im kaltem Zustand bei dem gegebenen Material und dem gewünschten Profil unvermeidbar wäre.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum laserunterstützten Walzprofilieren zeigt die Abb. 1:
Zwei Keil- bzw. V-Nutförmig profilierte Walzen 1 und 2 bewirken eine v-förmige Deformation des zunächst flachen Walzgutes. Ein mehr oder minder stark fokussierter Hochleistungs-Halbleiter- laser 4 erwärmt das Walzgut im Bereich des Brennflecks, wobei dessen Grösse so gewählt ist, dass sie den Bereich nennenswerter Dehnungen überdeckt.
Der in Abb 1 gezeigte Längsschnitt durch die Walzen und das Walzgut zeigt, dass der mehr oder minder gut fokussierte Laserstrahl unter einem bestimmten Winkel 5 (stechend) auf die Werkstückoberfläche trifft, was die Anordnung des Brennflecks in unmittelbarer Nähe des Walzeinlaufs unter Berücksichtigung der in Abb. 1 gezeigten Aussenkonturen des Lasers und des Randverlaufes des von ihm abgegebenen Strahls ermöglicht Abb. 2 zeigt einen walzachsenparallelen Schnitt, woraus ersichtlich wird, dass der Laserstrahl in der Ebene parallel zu den Walzenachsen auf das Walzgut senkrecht auftrifft, wobei er als Variante auch unter einem Winkel zum Walzgut hin geneigt sein kann (in Abb. 1 ist der Winkel ungleich 90 ).
Beide Neigungen des Strahls zum Walzgut sowohl in der achsenparallelen wie der achsen- senkrechten Ebene ergeben einerseits einen gesamten Neigungswinkel der gleich dem "Brewster- winkel" (zwischen 70 und 87 je nach Laserart), bei dem maximale Absorption und minimale Reflexion auftritt, sein soll.
Die Neigung des Laserstrahls in der Ebene senkrecht zu den Walzenachsen (Abb. 1) bewirkt auch, dass der trotz Einstellung des Brewsterwinkels mit maximaler Absorption immer noch vom Werkstück reflektierte wesentliche Strahlanteil die untere Walze trifft und diese erwärmt, was zumindest die Kühlung des Walzgutes durch die letzte verringert oder gar die Erwärmung verbes- sert, wobei durch genaue Abstimmung der Geometrie von Walze und Walzgut erreicht werden kann, dass die erhitzte Stellen am Walzgut und auf der Walze zur gleichen Zeit die Stelle, wo die Walzen das Walzgut ergreifen, erreichen, womit die Strahlenergie maximal genutzt werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, die Walzen mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung 9, etwa aus Glas, Keramik oder Kunststoff zu versehen, um einen Wärmeabfluss zu verhindern.
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Abb. 1 zeigt auch eine Düse 8, aus der ein absorptionsverbessertes Material noch vor Errei- chen des Fokus der Laserstrahlung auf das Walzgut aufgesprüht wird, wofür etwa Graphit in Frage kommt. Das absorptionsverbessernde Material kann unter Umständen auch als Schmiermittel verwendet werden.
Die Neigung der Strahlen zum Walzgut haben noch den weiteren vorteilhaften Effekt, dass der vom Laserstrahl überstrichene Bereich auf der Walzgutoberflache vergrössert wird, was dazu führt, dass die maximale Intensität im Zentrum des Fokus nicht so hoch ist wie bei optimaler Fokussie- rung, womit noch ein aus Festigkeits- und Qualitätsgründen unerwünschtes Aufschmelzen des Walzguts im Fokus der Laserstrahlung vermieden wird und andererseits ein grösserer Bereich durch den Laser erwärmt wird, womit auch bei dickerem Walzgut, bei dem die Länge des gedehn- ten Bereiches der Aussenfaser vergrössert wird, der Bereich starker Umformungen vorteilhafterwei- se beeinflusst wird.
Dementsprechend erlaubt es die Einstellung der beiden Neigungswinkel die optimale Absorption, Grösse des aufgewärmten Bereichs des Walzgutes und maximale Temperatur so einzustellen, dass Ausschmelzen verhindert wird, aber dennoch die Verformung rissfrei durchge- führt wird.
Selbstverständlich kann der Laserstrahl nicht nur wie in Fig 1 und 2 auf die Unterseite des Walzguts einwirken, sondern auch an seiner Oberseite, bevorzugt dann, wenn eine nach unten offene Krümmung gewalzt wird.
Wie Abb. 1 und 2 zeigen, wird mittels eines Temperatursensors 7 die maximale Temperatur am Walzgut erfasst, was dazu verwendet werden kann, den Prozess in Hinblick auf gleichmässige Er- wärmung zu regeln. Eine ebenfalls vorhandene Thermokamera 7 erlaubt es, die Grösse des er- wärmten Bereiches zu überprüfen und kann in Verbindung mit einer Bildverarbeitung ebenfalls für die Prozessregelung verwendet werden.
Einfache Schätzungen zeigen, dass für das laserunterstützte Profilwalzen eines 3mm dicken Stahlblechs mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min Laserleistung von 7-8 kW erforderlich ist, wobei Kohlendioxydlaser, Nd :YAG-Laser, Excimer-Laser sowie Diodenlaser eingesetzt werden können. Da jeder dieser Laser eine andere Wellenlänge abgibt und somit ein anderer Brewsterwin- kel auftritt, müssen die beiden Strahlenneigungen entsprechend dem gewählten Laser angepasst werden. Darüber hinaus können auch andere gebündelte Energieformen Verwendung finden.
Da zur Herstellung jedes Umformschritts ein eigenes Walzgerüst notwendig ist, was wie schon erwähnt dazu führt, dass oft mehr als ein Dutzend Walzgerüste aufeinander folgen, so ist für jedes derselben, dessen Walzen eine im kalten Zustand für das Walzgut nicht ertragliche Deformation erzeugen, ein eigener Laser notwendig, was aber bei nicht allzu komplexen Profilen dazu fuhrt, dass nur bei wenigen Walzgerüsten Laser angeordnet werden müssen.
Eine Variante des in Abb. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemässes Walzgerüst besteht darin, dass diesem Walzgerüst nur ein Teil eines von einem zentralen Hoch- leistungslaser gelieferten Strahles über Strahlteiler und Umlenkspiegeln sowie eine Fokussieroptik zugeführt wird.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Walzverfahren zur Herstellung von Profilen, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzgut unmittelbar vor dem Einziehen in die Walzenpaare an Stellen, wo scharfe Büge hergestellt werden sollen und damit im kalten Zustand Risse zustande kommen, mit einem Laser- strahl erwärmt wird.
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Metallic profiles of any length can be produced using profile rollers. Numerous rolling stands are run through one after the other, the axial cross sections of the two associated rolls of a stand corresponding to the top and bottom of the cross-sectional part of the profile produced by the stand, that is to say approximately wedge-shaped or V-shaped. By sequencing numerous such rollers, complex profiles can be produced using several forming steps.
If the cross-section of the desired profile shows small radii of curvature or overly sharp edges, then there are very large strains in the fibers lying outside in relation to the centers of the curvature, which may exceed the elongation at break, which is what the profile does after roll profiling Has cracks and is therefore unusable. The problem is exacerbated when less ductile materials such as certain aluminum alloys, titanium or high-strength steels are rolled. This means that roll forming, which is inexpensive due to its endless character, remains limited to ductile materials and cross-sectional geometries with degrees of deformation that are not too high.
The present invention now offers a possibility to lift these restrictions and to roll-roll also on materials that are less suitable for cold forming and to extend them to profiles with particularly high degrees of forming.
The present invention is based on the fact that the deformability of metals, and also of many other materials, such as thermoplastics and glass, is generally improved at elevated temperature, which is evident from the fact that they are used for the plastic Deformation required yield stress decreases with increasing temperature, with steel with a temperature increase of 500 by about 40%. Furthermore, the achievable strains increase with increasing temperature.
Thus, by heating the rolling stock before it is gripped by the rollers at those points where profile cross-sections with small radii of curvature have arisen after leaving the roller pair, heating with a more or less focused laser beam can facilitate forming, so that the material does not break, which would be unavoidable in the cold state with the given material and the desired profile.
Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a device for laser-assisted roll profiling:
Two wedge-shaped or V-groove-shaped rolls 1 and 2 bring about a V-shaped deformation of the initially flat rolling stock. A more or less strongly focused high-power semiconductor laser 4 heats the rolling stock in the area of the focal spot, the size of which is selected such that it covers the area of noteworthy expansions.
The longitudinal section through the rollers and the rolling stock shown in Fig. 1 shows that the more or less well-focused laser beam hits the workpiece surface at a certain angle 5 (piercing), which means that the focal spot is arranged in the immediate vicinity of the roller inlet, taking into account the Fig 1 shows the outer contours of the laser and the edge profile of the beam emitted by it. Fig. 2 shows a section parallel to the rolling axis, from which it can be seen that the laser beam impinges on the rolling stock perpendicularly in the plane parallel to the roller axes, whereby it can also be used as a variant under a Angle to the rolling stock can be inclined (in Fig. 1 the angle is not equal to 90).
Both inclinations of the beam towards the rolling stock, both in the plane parallel to the axis and in the axis perpendicular, result on the one hand in a total inclination angle which should be equal to the "Brewster angle" (between 70 and 87 depending on the type of laser) at which maximum absorption and minimal reflection occur ,
The inclination of the laser beam in the plane perpendicular to the roll axes (Fig. 1) also means that the substantial part of the beam still reflected by the workpiece despite setting the Brewster angle with maximum absorption hits the lower roll and heats it up, which at least cools the rolling stock the last one reduces or even improves the heating, whereby it can be achieved through precise coordination of the geometry of the roll and rolling stock that the heated points on the rolling stock and on the roll reach the point at which the rolls grip the rolling stock at the same time with which the beam energy can be used to the maximum.
In this context, it is also advantageous to provide the rollers with a poorly heat-conducting coating 9, for example made of glass, ceramic or plastic, in order to prevent heat flow.
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Fig. 1 also shows a nozzle 8 from which an absorption-improved material is sprayed on the rolling stock before the focus of the laser radiation has been reached, for which purpose graphite is suitable. Under certain circumstances, the absorption-improving material can also be used as a lubricant.
The inclination of the beams towards the rolling stock has the further advantageous effect that the area swept by the laser beam on the rolling stock surface is enlarged, which means that the maximum intensity in the center of the focus is not as high as with optimal focusing, which means an unwanted melting of the rolling stock in the focus of the laser radiation for reasons of strength and quality is avoided and, on the other hand, a larger area is heated by the laser, so that the area becomes stronger even with thicker rolling stock in which the length of the stretched area of the outer fiber is increased Reshaping is advantageously influenced.
Accordingly, the setting of the two inclination angles allows the optimum absorption, size of the heated area of the rolling stock and maximum temperature to be set in such a way that melting out is prevented but the deformation is nevertheless carried out without cracks.
Of course, the laser beam can act not only on the underside of the rolling stock as in FIGS. 1 and 2, but also on its upper side, preferably when a curvature that is open downward is rolled.
As shown in FIGS. 1 and 2, the maximum temperature on the rolling stock is recorded by means of a temperature sensor 7, which can be used to regulate the process with regard to uniform heating. A thermal camera 7, which is also present, allows the size of the heated area to be checked and can also be used for process control in connection with image processing.
Simple estimates show that laser-assisted profile rolling of a 3 mm thick steel sheet at a speed of 10 m / min requires laser power of 7-8 kW, whereby carbon dioxide lasers, Nd: YAG lasers, excimer lasers and diode lasers can be used. Since each of these lasers emits a different wavelength and therefore a different Brewster angle occurs, the two beam inclinations must be adjusted according to the laser selected. Other bundled forms of energy can also be used.
Since a separate roll stand is required for the production of each forming step, which, as already mentioned, often results in more than a dozen roll stands following one another, each of them, the rolls of which produce a deformation that is not bearable for the rolling stock in the cold state, has its own Lasers are necessary, but with not too complex profiles this means that lasers only have to be arranged in a few rolling stands.
A variant of the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2 for a roll stand according to the invention consists in that only a part of a beam supplied by a central high-power laser is fed to this roll stand via beam splitters and deflecting mirrors and a focusing lens.
CLAIMS:
1. Rolling process for the production of profiles, characterized in that the rolling stock is heated with a laser beam immediately before being drawn into the pairs of rolls at points where sharp bends are to be made and thus cracks occur in the cold state.