CN103648707A - 用于断裂分割工件的方法、工件和激光器单元 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于断裂分割工件的方法和一种根据这种方法制造出的工件。根据本发明，进给速度和／或激光脉冲在激光加工期间依赖于工件几何参量和／或激光功率被调制。

Description

用于断裂分割工件的方法、工件和激光器单元

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于断裂分割工件的方法、一种根据这种方法制造出的工件以及一种激光器单元。

背景技术

在本申请人的EP0808228B2中说明了一种断裂分割方法，其中，在要断裂分割的连杆孔内借助激光能量构造出预先给定断裂平面的刻痕。该刻痕由多个刻痕段构成，它们的间距基本上由激光的脉冲频率和激光射束相对于连杆孔的进给速度得出。已经表明，通过这些刻痕段，刻痕效率相对于连续的刻痕可以非常显著地提高，从而可以用比较小的激光功率构成出刻痕。通过这个很小的激光功率和随之而来的很小的被引入的热能避免了在刻痕区域内的不期望的深入内部的组织结构变化，其中，仅刻痕的一定的边缘区遭受组织结构改变，并因此改善了断裂分割行为。

在本申请人的DE2005031335A1中说明了一种经改进的方法，其中，刻痕不是直线状地构造，而是以具有直线状延伸的端部部段的正弦形来构造。以惊人的方式表明，通过这种刻痕构造可以再次改善断裂分割行为。

具有这种刻痕段的激光刻痕特别是在断裂分割连杆和曲轴箱的情况下比现有技术得到更广泛的应用，这是因为这种刻痕的断裂行为优于连续的刻痕的断裂行为。尽管有这种很好的断裂分割特性，但仍然力求进一步改善断裂分割行为。

发明内容

与此对应地，本发明的任务在于，提供一种方法，该方法可以用很少的花费制造出断裂分割刻痕的刻痕段。此外，本发明的任务还在于提供一种根据该方法制造出的工件和一种用于执行该方法的激光器单元。

该任务通过具有权利要求1的特征组合的方法、通过具有并列的权利要求10的特征的工件和具有权利要求12的特征的激光器单元来解决。

在根据本发明的方法中，与在常规的做法中相似地，借助激光能量构造出激光刻痕，其中，该刻痕具有多个刻痕段。根据本发明，在激光刻痕期间，也就是说在构造刻痕期间进行对进给和／或激光脉冲的调制，该进给指的是在处于作用中的激光射束与工件之间的相对运动。通过该调制可以构造出具有不同深度的刻痕段或者刻痕间距的刻痕。刻痕段的“深度”在这里理解为在激光辐射方向上的侵入深度。此外可以通过改变进给速度和／或脉冲参数来改变连续的区域的深度，该连续的区域在下文中被称为刻痕基底。这种刻痕相对于常规的具有几乎保持不变的几何参量的刻痕来说具有改善的刻痕效率并因此具有改善的断裂力学。该方法在实践中可以用所有在断裂分割中使用的激光器类型来实现。

激光射束的输入(Einkoppelung)优选关于刻痕纵轴线倾斜地进行。

以惊人的方式表明，通过合适地选择上面提到的准则即使在非常高的脉冲频率和很快的进给的情况下仍然可以制造出设有穿孔的刻痕，其中，刻痕间距明显大于计算出的刻痕间距。该方法包带来如下优点，即，可以使用具有非常高的进给速度的高频激光器，从而使激光刻痕的构成与常规的解决方案相比可以明显更快地并且以更小的热量输入进行。

根据本发明优选的是，根据周期函数例如正弦函数或者依赖于结构部件的几何参量来改变进给速度。

在激光加工期间的进给速度可以在100mm／min至1500mm／min的范围内变化。

激光射束可以相对于静止的工件例如通过激光头的移动或者更简单地通过使用摆动镜(扫描器)来运动，以动力学上反转的方式也可以使工件相对于静止的激光器运动，混合形式也是有利的。激光射束可以径向地，也就是说垂直于断裂分割刻痕或者关于断裂分割刻痕倾斜地输入。

因此在径向地输入的情况下，刻痕段垂直于刻痕轴线，而在倾斜地输入的情况下它们关于刻痕轴线倾斜地安置。输入优选以≤45°的角(相对于垂直于刻痕纵轴线的平面(在连杆的情况下是连杆孔的径向平面))进行。因此在连杆水平放置并且进给方向(刻痕轴线)与其垂直的情况下，该角例如与水平线成30°并且与竖直线成60°(参见图11)。

脉冲调制例如可以通过改变脉冲宽度、脉冲频率、脉冲振幅和／或脉冲相位来进行。为了脉冲调制，这些参数可以单独地或者以任意组合的方式改变，以便这样使输入的脉冲功率／脉冲能量或者例如脉冲序列在脉冲功率恒定的情况下发生变化，并且相应地使刻痕深度或者刻痕间距沿刻痕的走向改变，并因此进一步优化断裂行为。

因此，例如在坚硬的材料中构造出连续的断裂分割刻痕，在这种工件中刻痕间距或者刻痕深度可以依赖于断裂分割刻痕例如在连杆孔内以及沿在本来的连杆孔外部延伸的部段的走向进行改变。

通过合适地选择参数，调制例如可以通过时控的脉冲能量斜坡调整来进行，其中，脉冲频率基本上保持恒定。术语“斜坡调整(Ramping)”通常理解为如下方法，在该方法中，使脉冲功率在一个脉冲序列期间成斜坡状地上升和／或从该斜坡出发减小。

备选地，调制也可以通过脉冲序列调制／脉冲频率调制来进行，其中，脉冲功率可以大致保持恒定。

如已经提到的那样，也可以改变其他参数。

也可以设想，可以不仅对进给速度也对脉冲进行调制，其中，该调制可以一个接一个地或者也可以重叠地或者同时进行。

根据本发明优选的是，作为激光器使用所谓的纤维激光器。这种纤维激光器由现有技术公知，因此可以取消对其结构的详细说明。

在本发明的变型方案中，在大约100至200ns的脉冲持续时间的情况下使用具有50瓦或者100瓦的平均功率和明显大于1kHz，优选大于10kHz的脉冲频率的激光器，其中，进给速度可以大于1000mm／min。与此对应地，在常规方法中脉冲频率大体在相同的数量级，其中，脉冲频率明显较低，例如为50至140Hz。

在本发明的优选的实施例中，刻痕段从连续的刻痕基底中延伸出来。

根据该方法制造出的工件例如可以是连杆或者曲轴箱或者其他工件，在这些工件中，轴承孔或者其他区域应借助断裂分割方法被分开。

根据该方法制造出的工件可以通过改变进给速度或者激光的脉冲包括具有不同深度或者不同刻痕间距的刻痕段。在此特别优选的是，进给变化沿刻痕段周期地重复。

用于执行该方法的激光器单元具有激光器模块、用于将通过激光器模块输出的激光射束聚焦到要加工的工件上的激光头和在进给方向上作用的进给轴。该激光器单元通过控制单元以如下方式被驱控，即，使进给可以在激光加工期间被调制。通过该控制单元也可以备选地或同时地执行脉冲调制。

刻痕间距通过脉冲调制的周期，例如通过脉冲能量斜坡调整或者脉冲频率调制的周期来确定。本申请人保留对此要求权利。

在此，高动态性的(hochdynamisch)进给轴是优选的，利用它能够以具有大于0.5g，优选在1至2g的范围内的加速度执行进给速度变化。这就是说，进给速度变化可以正弦形地，在极限的情况下甚至几乎呈矩形地，以很高的精度来执行。

附图说明

下面根据示意性的附图详细说明本发明的优选的实施例。附图中：

图1示出用于在大的连杆孔内制造出断裂分割刻痕的激光器单元的原理图；

图2示出按根据本发明的方法制造出的断裂分割刻痕的高倍放大的图示；

图3示出利用改变的激光功率和／或脉冲频率的相应的图示；

图4示出断裂分割刻痕依赖于进给的图示；

图5示出断裂分割刻痕依赖于平均激光功率的图示；

图6示出用于阐明刻痕深度与激光射束的进给的依赖关系的图表；

图7示出用于阐明进给速度调制与时间的依赖关系的图表；

图8示出用于阐述在进给速度调制中调整的刻痕深度与平均进给速度的依赖关系的图表和图像；

图9示出在类似的条件下具有和不具有进给速度调制的断裂分割刻痕的图像；

图10示出激光器单元的示意图，该激光器单元可在具有进给速度调制的激光方法中使用；

图11示出根据图10的激光器单元的激光头的原理图；

图12示出用于阐明激光器的脉冲振幅调制的图表；

图13示出用于阐明激光器的脉冲序列调制的图表；

图14示出根据图12和13的实施例的变型方案；以及

图15示出如下图表，在该图表中示出了进给和脉冲频率的调制对刻痕深度的作用。

具体实施方式

图1示出大的连杆孔1的剖面图，该连杆孔要通过断裂分割分成轴承壳和连杆侧的部分。断裂分割平面2的走向通过两个直径对置的断裂分割刻痕4预先给定(图1中仅示出一个)，其优选以具有多个刻痕段6的穿孔的形式构成。如在本文开头说明的现有技术中所阐述的那样，在构造出连杆孔1的图1中左边和右边的壁中的断裂分割刻痕4后将张开芯轴置入连杆孔内，然后通过张开芯轴的合适的张开以及连杆孔的支撑将轴承壳与连杆的杆侧的部分分开，其中，产生的断裂分割平面几何参量由于组织结构简化了两个部分的精确配合的组装。

为了设计出断裂分割刻痕4使用纤维激光器，它的激光头8在图1中示意示出。这种纤维激光器原则上是由二极管泵送的固体激光器，其中，玻璃纤维的芯构成活性介质。在此，固体激光器的射束通过输入被导入纤维中，于是在该纤维中发生本来的激光放大。激光器的辐射特性和辐射质量可以通过纤维(玻璃纤维)的几何参量来调整，从而使得激光器保持在最大程度上不受外部的影响且示出非常简单的结构。

在从提到的活性纤维射出后，激光射束被导入玻璃纤维中，于是射束通过该玻璃纤维向在图1中描绘出的激光头8引导并且通过它的聚焦光学器件10对准要加工的工件1。在所示实施例中，激光射束12在径向方向上，也就是说垂直于刻痕轴线(图1中的竖直线)出现。这种布置方式可能具有如下缺点，即，聚焦光学器件10会被熔化的材料污染，这是因为由于90°的输入，反射并且可能还有剩余熔融物会直接沿辐射路径返回。当输入倾斜地，例如以30°或者45°进行时，可能出现的反射和剩余熔融物以反射角(参见图1：“12”)离开，从而并不发生污染。具有倾斜输入的激光器单元借助图10和11来说明。

90°输入的另一个缺点在于，不能实现前切或后切的射束引导。在倾斜位置中，刻痕几何参量另外还受到前切(图11中向上)或后切(图11中向下)的射束引导的影响。刻痕几何参量另外还可能受到通过喷嘴加载熔融物的空气流的影响。从属权利要求也可以针对前面提到的两个方面。

该纤维激光器的特征在于，在非常紧凑的结构下具有非常好的光电效率以及具有很大的景深的突出的辐射质量，从而可以在很小的结构空间中提供比用常规的激光器成本更低的解决方案。由于纤维激光器的很大的喷射功率和很好的聚焦性能，所以功率密度相对比较高，从而使得被蒸发的材料部分占主要部分。但是因为一部分能量转变为热，所以尽管如此仍然还受到熔融物和周围环境的热影响。在此，剩余热量可以积累，因此获得了显著的熔化现象，这可能导致计算出的刻痕间距明显小于实际调整的刻痕间距并且这个刻痕间距在其他参数变化时也比较稳定。

在加工位于图1左边的连杆壁后，激光头以180°转动并加工右边的连杆壁。但是原则上也可以使用十字头，其中，两个壁段同时被加工。

在所说明的实施例中，工件亦即连杆被固定夹紧，而激光头8以进给速度V沿轴向方向或者轴线平行地运动，其中，激光功率为大约50W，并且激光的脉冲频率在所示的实施例中大约为20kHz。光点直径为大约30μm，进给V在此大约为1500mm／min。在这些参数下以计算方式得出大约0.00125mm的刻痕间距。实际上刻痕间距K(这里是以45°倾斜地输入的激光射束)为大约0.1mm。

图2示出具体地按根据本发明的方法使用上面提高的参数被加工的连杆孔的高倍放大的图示，其中，在该实施例中激光射束倾斜地(45°)输入。平均激光功率大约为50W，并且脉冲功率为大约8kW。在此，穿孔的间距(刻痕间距)K大约为0.1mm，其中，得到了连续的刻痕基础(G)，从它延伸出多个单个的构成穿孔的刻痕段6。刻痕基础G的深度在根据图2的实施例中大约为0.51mm，而刻痕段6的深度P(在径向方向上看)大约为0.78mm(从连杆孔1的周壁14开始所测得)。

图3示出相似的实施例，其具有更小的激光功率(40W)和激光射束12的更陡的输入(30°)，可以看到，刻痕间距K没有明显的变化，而刻痕基础的深度G和刻痕段的深度P在更陡的输入和更小的激光功率(40W)的情况下稍微变大。因此，在稍微更陡的输入的情况下可以用比前面所说明的实施例更小的功率构造出使断裂行为有所改善的刻痕。

图4示出断裂分割刻痕与被调整的、激光射束以其在刻痕纵向方向上运动的进给速度V(参见图1)的依赖关系。

明显可以看到，在不同的进给速度(500mm／min、1000mm／min、1500mm／min)的情况下，刻痕间距几乎保持不变。但是很明显的是，在较小的进给速度的情况下一方面刻痕基础的深度G更大而且刻痕段的轴向方向长度(P-G)表现为与进给成反比例，其中，500mm／min和1000mm／min之间的差别比较小。

图5示出断裂分割刻痕与激光功率的依赖关系。在图5中在上的图像中，平均功率调整为50W。在其下描绘出的断裂分割刻痕从100W的平均功率产生，其中，其他的参数不变。明显可以看到，在较小激光功率的情况下构造出具有较长的刻痕段的稍微更精细的刻痕结构，但是其中，刻痕间距如在上面已经提到的那样大致保持不变。此外，使用减小的激光功率估计会构造出具有比在较高激光功率的情况下稍微更小的深度G的连续的刻痕基础。因此基于断裂力学，在500至1500mm／min之间的范围内的平均进给速度下使用具有比较小的激光功率(50W或更小)的激光器是最优的。

在此，通过所谓的Q开关可以改善射束质量。这种Q开关是光学结构元件，用它在激光被脉冲化时使脉冲变形，这减小了脉冲持续时间并放大了脉冲高度(峰值功率)，从而得到了非常尖锐的激光脉冲，其迅速上升并在达到尖锐的最大值后又迅速下降。在没有这种Q开关的情况下，脉冲明显更宽且更平地构造。

图6示出调整的刻痕深度与在100至3000mm／min之间变化的进给的依赖关系。在此，度量S2相应于前面所说明的度量G(刻痕基础的深度)，而度量S1相应于刻痕的总深度P(参见图2和3)，从而刻痕段的长度相应于差(G-P)。上面的曲线示出刻痕的总深度S1的走向，而下面的曲线再次给出了刻痕基础的深度S2的走向。明显可以看到，在直到大约800mm／min范围内的比较低的进给速度的情况下存在有刻痕深度(S1、S2)与进给速度的很强的依赖关系。在较高的进给速度(大约800至3000mm／min)的情况下，该依赖关系明显变小。这些试验在50kHz的脉冲频率和50W的平均脉冲功率下进行。因此借助前面说明的图所阐述的刻痕几何参量与进给速度的依赖关系通过在图6中再次给出的试验得以证实。

如在下面还将详细阐述的那样，在非常低的进给速度(小于200mm／min)的情况下可以确定，刻痕质量由于在刻痕基础区域内的热方面的过渡加热是不够的。出现了烧焦的区域，它使得用激光加工的工件实际上不能使用。该烧焦的区域例如在图9中在上面示出，稍后会对其进行详细探讨。

因此在激光加工时应该注意的是，如下这样来控制进给速度，使得在构造断裂分割刻痕时避免这种质量损害。

已经表明，这种现象可以通过在激光加工期间改变进给速度来避免，其中，制造出如下断裂分割刻痕，其一方面具有足够的刻痕深度，并且另一方面能够以很高的进给速度并进而在很短的时间内构造出，其中，绝不会出现使断裂力学变差的质量损害。

图7示出针对根据正弦函数进行的进给速度调制的例子。显然，进给速度调制也可以根据其他的，优选是周期的函数来进行。示出的是进给速度在特定的进给范围内依赖于时间的走向，该特定的进给范围不与要构造的断裂分割刻痕的总长度相应。这里具体示出67.5至69.5mm之间的进给范围，也就是说，示出了整个断裂分割刻痕的2mm，但是速度调制在断裂分割刻痕的未示出的范围内相应进行。稍微呈波形地从左上向右下示出的曲线(位于上面的虚线／位于下面的实线)示出在断裂分割刻痕的方向上依赖于时间t的本来的进给。在该稍微呈波形的进给期间，进给速度根据表征的正弦函数变化，其中，具有较大振幅的正弦函数配属于用虚线表示的激光轨道，而具有较小振幅的正弦函数配属于用实线表示的激光运动轨道。可以看到，进给速度相对高频率地变化，从而使得激光头8必须在很短的时间内急剧加速和制动，以便沿要构造的断裂分割刻痕调整运动曲线。

在按照图7的图表中，在右边示出了各被调整的进给速度实际值。与此相应地，在位于上面的速度调制中速度在117至1157mm／min之间的范围内变化。在用这种速度调制来构造断裂分割刻痕时，得到了示例性地在图8和9中示出的断裂分割刻痕几何参量。图8示出如下图表，其中，调整的刻痕深度依赖于平均的进给V_m，也就是说前面所说明的速度调制的平均值进行调整。在图8中可以看到，例如在800mm／min的平均进给速度(实际上进给速度根据按照图7的正弦函数变化)的情况下产生了具有在图8中示出的走向的断裂分割刻痕。明显可以看到，从具有度量S2(G)的刻痕基础出发相应于正弦周期构造出不同的刻痕段。这里用S3标明的部段构造枣进给速度比较小的区域内。用S1标明的刻痕段构造在激光速度以比较高的速度运动的区域内。

表征的参量S1(P)、S2(G)、S3(P)依赖于平均进给的走向在按照图8的图表中示出。这里位于上面的曲线给出了在很低的进给速度的情况下的整个刻痕深度(S3)的走向，曲线S1再次给出在比较高的进给速度(始终在速度调制期间)的情况下刻痕深度的走向，而曲线S2再次给出刻痕基底的深度的走向。可以看到，刻痕深度随着平均进给速度的提高减小。但是明显可以看到，利用相应的速度调制可以构造出具有变化的刻痕深度的刻痕段。已经表明，这种刻痕相对于本文开头提到的刻痕具有明显改善的断裂力学。换句话说，通过进给速度调制可以构造出比较深的且尖锐的开始刻痕，这些开始刻痕相对于具有连续的穿孔而没有进给速度调制的断裂分割刻痕明显改善了初始撕裂韧性和稳定断裂韧性(Arrest-Risszaehigkeit)。

由此也可以使复杂的结构部件开裂，其中，进给速度的调制也可以依赖于结构部件几何参量进行。这就是说，在非常复杂的结构部件，例如具有在断裂分割刻痕区域内的裂口的结构部件的情况下，进给速度可以与结构部件的几何参量相匹配，从而在没有问题的区域内以进给速度调制的比较高的进给速度或者振幅移动，而在比较危险的区域内相应地取消速度调制，从而达到较小的平均的进给速度或者恒定的进给速度。

借助图9阐释了所说明的进给速度调制的优点。图9在上面示出在200mm／min的比较小的恒定的进给速度的情况下产生的断裂分割刻痕。明显可以看到比较大的刻痕深度和烧毁／烧焦，它们可能由于在低的进给速度的情况下的高的热量输入产生。这种断裂分割刻痕实际上不能使用。

而位于其下的图像示出按根据本发明的具有进给速度调制的方法制造出的刻痕，其中，进行了在117至1157mm／min范围内的进给的速度调制。明显可以看到，通过该调制能够可靠地避免刻痕基底的区域内的烧毁。此外还可以看到通过相应的速度调制构造出的具有较大或较小的深度的刻痕段，其中，深度也依赖于激光器的安置角度。在所示实施例的情况下，安置角度也就是说输入角度相对于图9中的水平线大约为30°。

借助图10和11说明了如下激光器单元，其特别好地适合用于执行前面所说明的具有进给速度调制的方法。根据图10，激光器单元具有激光器模块16，它例如包含纤维激光器和该纤维激光器的控制装置。激光器单元16的控制装置设计成能够以前面所说明的方式来调制激光射束的进给速度。

由激光器模块16产生的激光射束12通过光导体18向在图10中仅示意出的准直仪(Rekollimator)20引导。在该准直仪内激光射束被变换为平行射束，其中，射束直径在大约6mm的范围内。该平行射束然后通过光导体18向激光头8引导，于是激光射束通过该激光头对准要加工的工件，在当前情况下是连杆的连杆孔1。在此，聚焦的激光射束以与图10中的水平线成30°的角输入。激光头8实施有Z进给轴22，通过该进给轴进给在刻痕纵轴线上进行。该进给轴实施为高动力的轴，用它可以在很强的圆形放大和很大的冲击的情况下进行极高的加速，从而需要对调制的极为精确的控制。例如加速可以在1至2g的范围内，圆形放大可以在10n／min／mm(166.71／s)的范围内，而冲击可以大于400m／s³。为对连杆孔1进行双侧加工，激光头8还实施有摆动轴24，通过该摆动轴激光头8可以绕进给轴22枢转。此外，激光器单元还具有X调整轴26，通过该调整轴整个激光头8可在X方向(关于连杆孔的径向方向)上移动。使用这种装置也可以构造出正弦形的断裂分割刻痕。

图11示出激光头8内的射束引导的原理结构。示出的是与纤维激光器(激光器模块16)输入的光导体18。激光射束在准直仪20内被变换为具有大约6mm的直径的平行射束，并且然后通过偏转镜28在连杆孔轴线的方向上以90°偏转。于是被偏转的激光射束12通过具有例如100mm的焦距的光学器件聚焦到连杆孔壁上，其中，对连杆周壁的对准通过另一个偏转镜32来实现，该偏转镜在所示实施例中以与水平线成60°的角安置，从而使以与水平线成30°的输入角或者以与激光射束12的射到偏转镜32上的竖直的部分成60°的安置角(偏转60°)产生的激光射束射到连杆周壁上。该激光射束通过喷嘴34射出并且在此如下这样地聚焦，即，使得激光光点在喷嘴34的射出平面前大约3mm处。为避免污染光学器件30和镜子28、32，在辐射路径中在喷嘴34与偏转镜32之间设置有保护玻璃34。在按照图11的图示中还可以看到摆动轴24，在此激光头8通过转动轴承38可转动地支承并且可以通过未示出的电动机绕Z进给轴22枢转，从而在实践中可以到达连杆的每个周壁区域。

因此，在使用纤维激光器和通过合适地选择进给速度调制和(相对于常规的解决方案)比较高的脉冲频率的情况下可以构造出如下穿孔，其具有最优的刻痕效率，但是却可以用比在常规系统的情况下明显更小的能量输入和明显更快的进给速度构造出。

已经执行的试验表明，例如在具有50瓦的功率的纤维激光器中在20kHz的脉冲频率的情况下可以构造出断裂分割刻痕4，其中，刻痕段6具有在1／10mm范围内的，优选在0.1至0.3mm范围内的间距。已经表明，在使用仅具有30瓦的功率的激光器的情况下也可以构造出高效率的经穿孔的断裂分割刻痕4。

在前面所说明的实施例中进行进给调制。但是可选地或附加地也可以例如以下面所说明的方式进行脉冲调制。

原则上在这种脉冲调制中，脉冲形的载波函数或者基波函数被调制，其中，例如可以改变脉冲宽度、脉冲持续时间或者脉冲相位。优选调制脉冲能量(脉冲斜坡调整)或者脉冲频率／脉冲序列。在脉冲振幅调制的情况下，前面提到的矩形的载波脉冲序列通过改变脉冲振幅来改变。在脉冲持续时间调制的情况下，相应地改变以载波函数为基底的脉冲宽度。以相应的方式在脉冲相位的情况下，脉冲位置相对于各自的载波函数相位移动，其中，使用固定的脉冲宽度和脉冲振幅。

下面阐述具有恒定的脉冲频率的时控的脉冲能量斜坡调整和利用大致恒定的脉冲功率进行的脉冲序列调制。

在时控的脉冲能量斜坡调整的情况下，时控与当前的优选恒定的进给速度和所期望的刻痕段光栅(穿孔光栅)相匹配。在此，脉冲能量斜坡形状大致描绘出穿孔形状。

借助图12示出这种具有时控的脉冲能量斜坡调整的调制。作为输出函数或者载波函数示出脉冲能量E_kI依赖于时间的走向，其中，脉冲能量例如在120ns的脉冲长度和50kHz的频率下为1mJ。该载波函数以脉冲能量(P_Ramp)的斜坡状的调制被叠加，该脉冲能量的走向在图12中示出。该脉冲斜坡形状在所示实施例中无过零地大致呈正弦形地实施。但是原则上也可以使用其他具有上升的和下降的侧面和斜坡形状和具有保持不变的功率／能量的平台。在所示实施例中，对输出函数或者载波函数的调制以如下方式来实现，即，周期地减小预先给定的最大的脉冲能量(1mJ)，其中，该减小以及与此联接的到最大的脉冲能量的上升(斜坡)大致呈正弦形地延伸。

于是，载波函数E_kI的相应的调制导致了所示具有斜坡形状(E_Ramp)的脉冲能量变化。明显可以看到，在时间上一个接着一个的斜坡序列，亦即脉冲能量斜坡形状确定了刻痕间距K，从而使脉冲能量斜坡形状描绘出穿孔形状。在该实施例中以恒定的进给速度为前提，其中，该进给速度大约为200mm／min并且函数P_Ramp的脉冲频率／脉冲周期在所示实施例中恒定为11.1Hz。激光器的脉冲能量(E_Ramp)与具有相同频率的斜坡函数相应地变化，其中，与该频率和所选择的进给速度相应地产生刻痕段K。因此，在该实施例中也产生了如下刻痕间距K，该刻痕间距明显大于从本来的脉冲频率(50kHz(参见函数E_kI))和所选择的进给速度计算出的刻痕间距，这是因为该刻痕间距K基本上依赖于斜坡函数的所选择的频率／周期(11.1Hz)。

图13示出利用脉冲序列调制或者脉冲频率调制的实施例。与在前面所说明的实施例的情况下相似地，从具有1mJ的脉冲能量、120ns的脉冲长度的输出脉冲序列或者载波脉冲序列出发。该输出函数在脉冲序列调制的情况下通过在100kHz的最大值和20kHz的最小值之间改变脉冲频率的方式被调制，其中，该变化按照图13再次大致呈正弦形地进行。该脉冲序列改变或者频率改变的周期于是再次确定了刻痕间距K。明显可以看到，在具有1mJ的脉冲功率和在100kHz范围内的很高的频率的区域内构造出最大的刻痕深度。与此相应地，刻痕深度(在脉冲功率恒定的情况下)依赖于脉冲频率。在所示实施例中，脉冲调制的周期为11.1Hz。进给速度为200mm／min。通过对载波函数的这种调制得到了脉冲序列调制E_KIPf，其中，在调制频率(脉冲序列周期为11.1Hz)下脉冲序列在10至50μs之间变化。

与在按照图12的实施例的情况下相似地，刻痕间距K在这种脉冲序列调制的情况下从周期(11.1Hz)产生，从而通过相应地选择频率周期(脉冲序列调制)或者斜坡形状(脉冲能量斜坡调整)的周期得到穿孔光栅，亦即刻痕间距K。在所说明的实施例中例如产生了0.3mm的刻痕间距。这种调制也可以称为“频率摇摆”。

图14以非常普通的形式示出如下实施例，其中，刻痕深度或者刻痕间距都通过脉冲功率P的变化被改变，其中，该功率调节动态地进行。在此，不仅脉冲宽度而且还有脉冲振幅以及必要时还有脉冲频率都发生变化。

原则上，在脉冲调制的情况下也可以使用突发模式(Burst-Mode)方式，其中，激光脉冲从储能器输出，直到达到特定数量的脉冲或者储能器被卸载。在此从如下出发，即，断裂分割刻痕那时被完全构造好并且工件被输送给另一站。储能器在该工件处理期间被加载并已经为接下来的激光加工做好准备。

借助图15中的图表应再次总结出从本发明得出的认识。该图表示出刻痕的依赖于进给和脉冲频率的深度。

如在前面详细描述的那样，在进给速度比较小的情况下得到较大的刻痕深度，而在脉冲频率被调制的情况下刻痕深度随频率升高而增加。与此相应地，在进给速度恒定的情况下刻痕深度在很高的频率(100kHz)下几乎是在50kHz的脉冲频率下的两倍大。在此前提是，在1mJ的脉冲能量、130ns的脉冲持续时间和90°的输入角度的情况下使用具有100瓦的平均功率的激光器。

如已经多次提到的那样，不仅调制进给速度而且还有激光脉冲都可以被调制。本申请人倾向于在激光器全功率的情况下改变进给速度，其中，通过刻痕深度与进给速度的调制的几乎线性的依赖关系可以始终在激光器全功率的情况下操作进给速度。通过使用线性电动机技术可以强烈地减小辅助时间，其中，进给速度调制可以相对简单地执行。当激光器实施有扫描器技术时，调制还可以进一步简化，其中，激光器的对准通过摆动镜或者光学器件来实现，从而可以在最大程度上取消线性轴。

公开有一种用于断裂分割工件的方法和根据这种方法制造的工件。根据本发明，进给速度和／或激光脉冲在激光加工期间依赖于工件几何参量和／或被调制。

附图标记列表

1      连杆孔

2      断裂平面

4      断裂分割刻痕

6      刻痕段

8      激光头

10     聚焦光学器件

12     激光射束

14     周壁

16     激光器模块

18     光导体

20     准直仪

22     进给轴

24     摆动轴

26     调整轴

28     偏转镜

30     光学器件

32     偏转镜

34     喷嘴

36     保护玻璃

38     转动轴承

Claims (15)

1.一种用于借助激光能量断裂分割工件(1)的方法，其中，通过在激光射束(12)与工件(1)之间的相对移动构造出预先给定断裂分割平面的断裂分割刻痕(4)，其中，所述断裂分割刻痕以穿孔的形式构造有刻痕段(6)，其特征在于，进给速度(V)和／或激光器的脉冲参数在加工期间发生变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，激光射束(12)关于刻痕纵轴线倾斜地输入。

3.根据权利要求3所述的方法，其中，进给速度(V)根据周期函数，例如正弦函数进行变化。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，进给速度在100mm／min至1500mm／min之间变化。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，脉冲调制通过改变脉冲宽度、脉冲频率、脉冲振幅和／或脉冲相位来进行，其中，参数单个地或者以任意组合的方式被调制。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，调制在脉冲频率恒定的情况下，通过时控的脉冲能量斜坡调整来进行。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，调制通过脉冲序列调制／脉冲频率调制，优选在100kHz至20kHz之间的范围内，以恒定的脉冲功率进行。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，作为激光器使用纤维激光器。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，断裂分割刻痕(4)具有连续的刻痕基底，从所述刻痕基底延伸出刻痕段(6)。

10.一种按根据权利要求1至9之一所述的方法制造出工件，特别是连杆或者曲轴箱。

11.根据权利要求10所述的工件，其中，所述工件具有大致周期重复的由一个或者多个具有很小的深度的刻痕段(6)和一个或者多个具有较大的深度的刻痕段(6)构成的序列，或者具有根据工件几何参量而不同的刻痕深度(P)。

12.一种用于执行根据权利要求1至9之一所述的方法的激光器单元，所述激光器单元具有激光器、用于将激光射束(12)对焦到要加工的工件上的激光头(8)，还具有至少一个在进给方向上作用的进给轴(22)和用于在激光加工期间改变进给速度和／或激光器的脉冲参数的控制单元(16)。

13.根据权利要求12所述的激光器单元，其中，进给轴(22)构造成使进给速度的变化能具有大于0.5g，优选直至2g的加速度。

14.根据权利要求12或13所述的激光器单元，其中，激光器的平均功率在大于20kHz，优选大约100kHz的最大的脉冲频率的情况下为100瓦或更小。

15.根据权利要求12至14之一所述的激光器单元，其中，调制的周期以如下方式来选择，即，调定预定的刻痕间距(K)。

Images