DE102004039916A1

DE102004039916A1 - Verfahren zur Erzeugung einer engen Ausnehmung in einem metallischen Werkstück

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Publication number: DE102004039916A1
Application number: DE102004039916A
Authority: DE
Original assignee: Pro Beam GmbH and Co KG; Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Current assignee: Pro Beam GmbH and Co KG; Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer engen Ausnehmung (2), z. B. einer Bohrung, eines Schnittes oder einer Gravur, in einem metallischen Werkstück (1) beschrieben, bei dem ein Hochenergiestrahl in das Werkstück (1) eindringt und dort eine Schmelze erzeugt. Diese Schmelze wird aus der Ausnehmung (2) mit Unterstützung einer externen Hilfskraft ausgeworfen. Hierzu wird eine auf die Schmelze wirkende Lorentz-Kraft eingesetzt, die durch die Wechselwirkung eines die Schmelze durchquerenden Stromflusses und eines Magnetfeldes erzeugt wird, das eine zum Stromfluß senkrecht gerichtete Komponente aufweist. Hierdurch können die enge Ausnehmung (2) schneller von der Schmelze befreit und die Arbeitsgeschwindigkeit sowie die Präzision des Verfahrens erhöht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer engen Ausnehmung in einem metallischen Werkstück, bei dem ein Hochenergiestrahl in das Werkstück eindringt und dort eine Schmelze erzeugt, die mit Unterstützung einer externen Hilfskraft aus der Ausnehmung ausgeworfen wird.

Hochenergiestrahlen, insbesondere Laser- oder Elektronenstrahlen, werden derzeit in sehr weitem Ausmaße in unterschiedlichsten technischen Gebieten zur Erzeugung von Ausnehmungen in metallischen Werkstücken eingesetzt. Verfahren dieser Art sind beispielsweise das Schneiden, das Bohren, das Gravieren oder das Strukturieren von Werkstücken. So lange die von dem Hochenergiestrahl erzeugte Ausnehmung verhältnismäßig groß und nach unten offen ist, fließt die Schmelze problemlos aus der Ausnehmung ab. Mit kleiner werdenden Dimensionen der Ausnehmung kann jedoch das Entfernen der Schmelze aus der hergestellten Ausnehmung Probleme bereiten. Im günstigeren Falle wird die Arbeitsgeschwindigkeit des Verfahrens beeinträchtigt; im ungünstigen Falle wird die Qualität vermindert oder die hergestellte Bohrung überhaupt nicht von der Schmelze frei, die dann erneut erstarrt.

Unter einer "engen" Ausnehmung eines Werkstückes wird vorliegend eine solche verstanden, bei der das Arbeitsergebnis des Verfahrens durch Effekte beeinflusst wird, die auf Probleme mit der rechtzeitigen Entfernung der Schmelze beruhen.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art wird das Auswerfen der Schmelze aus der frisch hergestellten Ausnehmung dadurch unterstützt, daß unterhalb des Werkstückes eine leicht verdampfende Substanz angeordnet wird. Durchstößt der Hochenergiestrahl das Werkstück und trifft auf diese Substanz, so verdampft diese. Der hierdurch erzeugte Dampfdruck wirft dann die Schmelze aus der Ausnehmung nach oben aus. Dadurch werden Fremdsubstanzen in das System eingeführt und die Höhe des Druckes, der auf diese Weise erzeugt werden kann, ist naturgemäß begrenzt, zumal nur eine Oberflächenkraft auf die Schmelze wirkt. Das Werkstück muß von beiden Seiten her zugänglich sein, so daß insgesamt dieses Verfahren nur bei einfachen Werkstückgeometrien eingesetzt werden kann.

Bekannt ist ferner, die Schmelze durch den Ablationsdruck zu verdrängen. Dies ist jedoch mit sehr hohem Energiebedarf verbunden.

Die Schmelze kann auch durch ein Druckgas ausgeblasen werden. Erneut erzeugt diese jedoch nur eine Oberflächenkraft, so daß aufgrund des sinkenden Verhältnisses von Oberflächen zu Volumen mit größer werdendem Schmelzvolumen das Ausblasen wegen auftretender Instabilitäten immer kritischer wird. Dieses Verfahren läßt sich zudem nur für Laserstrahlen anwenden, nicht dagegen für Elektronenstrahlen, die sich in Vakuum ausbreiten müssen.

An die Arbeitsgeschwindigkeit von Verfahren der eingangs genannten Art und die Präzision der erzeugten Ausnehmungen werden zunehmend höhere Anforderungen gestellt. So gibt es beispielsweise Fälle, bei denen pro Sekunde einige tausend Löcher mit definierten Abmessungen mit Durchmesser zwischen 40 und 45 μm in 1 mm dicke Stahlbleche eingebracht werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß es unabhängig von der Art des verwendeten Hochenergiestrahles einsetzbar ist und zu hohen Arbeitsgeschwindigkeiten und guter Qualität der Ausnehmungen führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Hilfskraft eine auf die Schmelze wirkende Lorentz-Kraft eingesetzt wird, wozu ein die Schmelze durchquerender Stromfluß und ein mit diesem wechselwirkendes Magnetfeld, das eine zum Stromfluß senkrecht gerichtete Komponente aufweist, erzeugt werden.

Die erfindungsgemäß als das Auswerfen der Schmelze unterstützende Hilfskraft eingesetzte Lorentz-Kraft hat den Vorteil, daß ohne Einführung von Fremdsubstanzen erheblich höhere Volumenkräfte auf die Schmelze ausgeübt werden können, als dies bei den bekannten Verfahren der eingangs genannten Art der Fall war. Hierdurch lassen sich die engen Ausnehmungen sehr viel schneller von Schmelze befreien, was nicht nur zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit des Verfahrens sondern auch zur Erhöhung der Präzision der erzeugten Ausnehmungen beiträgt.

Dabei ist aus der US 59 32 121 A an und für sich ein Schweißverfahren bekannt, bei dem auf eine in einem Werkstück erzeugte Schmelze eine Lorentz-Kraft ausgeübt wird. Bei diesem Verfahren werden zwei Werkstücke mittels einer MAG-Schweißung oder einer TIG-Schweißung miteinander verbunden. Da die Schweißtiefe bei diesen Schweiß verfahren verhältnismäßig gering ist, muß eine höhere Schweißfuge durch mehrere nacheinander aufgebrachte Schichten gefüllt werden. Die erste dieser Schichten wird bei dem in der US 59 32 121 A beschriebenen Verfahren ganz oben in der Schweißfuge gelegt. Die anderen Schichten werden dann, aufeinanderfolgend, darunter angesetzt. Um zu verhindern, daß die erste aufgebrachte Schicht sich unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten bogenförmig durchbiegt und dadurch die Genauigkeit und die Winkelausrichtung zwischen den beiden Werkstücken verloren geht, wird bei der Aufbringung der ersten, obersten Schicht ein Strom längs der Schmelze geschickt, der in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld im oberen Bereich der Werkstücke tritt. Die hierdurch entstehende Lorentz-Kraft sorgt dafür, daß die Schmelze nach oben gezogen und dadurch ihre "Ausbauchung" nach unten verhindert wird. Das Problem des "Auswerfens" einer Schmelze aus einer sehr engen Ausnehmung wird dabei nicht angesprochen.

Ferner ist es an und für sich aus der DE 197 32 008 C2 bekannt, daß durch die Wechselwirkung eines durch eine Schmelze geleiteten Stromes mit einem Magnetfeld auf die Schmelze eine Volumenkraft ausgeübt werden kann, die je nach Relativorientierung von Strom und Magnetfeld nach oben oder unten gerichtet sein kann. Bei diesem bekannten Schweißverfahren geht es jedoch im wesentlichen darum, auf die die Dampfkapillare umströmende Schmelze eine beruhigende Wirkung auszuüben, um Instabilitäten des Behandlungsvorganges zu begegnen. Dabei wird primär die Wechselwirkung eines Magnetfeldes mit der fließenden Schmelze in Betracht gezogen; das zusätzliche Durchleiten eines Stromes durch die Schmelze soll die wechselwirkende Kraft zwischen Schmelzfluß und Magnetfeld nur verstärken. Außer der beruhigenden Wirkung des Magnet feldes nennt die DE 197 32 008 C2 als weitere Effekte, die mit der dort beschriebenen Anordnung erzielt werden können, die Einflußnahme auf die Querschnittsform der Schweißnaht sowie das "Pumpen" von zusätzlicher Energie innerhalb der Schmelze nach unten. Die Eignung der durch die Wechselwirkung von Stromfluß und Magnetfeld in der Schmelze erzeugten Volumenkraft als Hilfskraft beim Auswerfen der Schmelze wurde in der DE 197 32 008 C2 nicht erkannt.

In der US 005 26 16 11 A geht es darum, einen metallischen Pulverstrahl durch elektromagnetische Kräfte zu erzeugen und diesen Pulverstrahl zum Beschichten einzusetzen.

Zweckmäßig ist, wenn die Größe des an das Werkstück angelegten Magnetfeldes im Bereich zwischen 0,5 und 20 Tesla, vorzugsweise bei etwa 1 bis 10 Tesla liegt.

Die Größe der Stromdichte in der Schmelze beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 100 A/mm², stärker bevorzugt zwischen 10 und 40 A/mm².

Die Auswerfzeiten der Schmelze lassen sich durch Steigern der Größe des Magnetfeldes und der Stromdichte nicht unbeschränkt verkürzen. Vielmehr gibt es sowohl für das Magnetfeld als auch, soweit unabhängig vom Magnetfeld wählbar, für die Stromdichte einen optimalen Wert, der nicht überschritten werden sollte.

So empfiehlt sich, daß die Größe des an das Werkstück angelegten Magnetfeldes kleiner oder gleich

ist. Dabei bedeuten

B_o: extern angelegte Magnetfeldgröße
μ_o: magnetische Feldkonstante
h: Blechdicke (Tiefe der Bohrung)

Die Größe der Stromdichte in der Schmelze sollte kleiner oder gleich

sein.

Häufig sollen mit Verfahren der eingangs genannten Art Ausnehmungen im Werkstück erzeugt werden, die im Querschnitt kreisrunde Löcher sind. Hier kommt es im allgemeinen auch auf eine möglichst präzise Kreisform an. In diesen Fällen wird diejenige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgreich eingesetzt, bei welcher eine Relativverdrehung zwischen dem Magnetfeld und dem Stromlinienfeld einerseits und dem Werkstück andererseits herbeigeführt wird. Auf diese Weise lassen sich Asymmetrien und Inhomogenitäten des Stromlinienfeldes und des Magnetfeldes im Bereich der Schmelze, die zu unrunden Formen des Loches führen würden, kompensieren.

Die Relativverdrehung zwischen Magnetfeld und Stromlinienfeld einerseits und dem Werkstück andererseits läßt sich auf unterschiedliche Weise erzielen:
Bei einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine mechanische Relativverdrehung zwischen der das Magnetfeld erzeugenden Magneteinrichtung und dem Werkstück herbeigeführt.

Eleganter dagegen ist die zweite Variante, bei welcher als Magneteinrichtung mehrere Paare von einander gegenüberliegenden Magnetspulen verwendet werden, die in einem Winkelabstand zueinander um die Achse des Loches herum angeordnet sind und die mit Erregerströmen gespeist werden, die zu einander eine dem Winkelabstand entsprechende Phasenverschiebung derart aufweisen, daß ein rotierendes Magnetfeld im Bereich des Loches erzeugt wird. Auf diese Weise lassen sich sehr viel rascher rotierende Magnetfelder als bei einer mechanischen Verdrehung der Magneteinrichtung erzielen; zudem ist der mechanische Aufbau der Vorrichtung sehr viel einfacher.

Wo zur Einleitung des elektrischen Stromes in das Werkstück Kontakte verwendet und zur Erzeugung exakt kreisrunder Löcher rotierende Magnetfelder eingesetzt werden, müssen Maßnahmen getroffen werden, damit sich das Stromlinienfeld mit dem Magnetfeld mitdreht. Eine Möglichkeit ist, daß eine mechanische Relativverdrehung zwischen den an dem Werkstück anliegenden Kontakten und dem Werkstück erfolgt.

Alternativ ist es möglich, mehrere Kontakte zu verwenden, die in einem Winkelabstand zueinander um die Achse des Loches herum angeordnet sind und die mit Strömen gespeist werden, die zueinander eine dem Winkelabstand entsprechende Phasenverschiebung derart aufweisen, daß ein rotierendes Stromlinienfeld im Bereich des Loches erzeugt wird.

Um eine möglichst große Komponente des Magnetfeldes parallel zur Oberfläche des Werkstückes zu erzielen, ist es empfehlenswert, daß die Achse mindestens eines Dipols der Magneteinrichtung unter einem Winkel von etwa 71° gegenüber der Oberfläche des Werkstückes geneigt ist.

Zur Verringerung der Induktivität bzw. der gespeicherten Energie und der Blindleistung empfiehlt es sich, wenn eine Magnetspule Verwendung findet, deren Höhe etwa ihrem Durchmesser entspricht.

Aus dem gleichen Grunde ist es günstig, wenn das Zentrum der Magnetspule etwa in gleichem Abstand von der Oberfläche des Werkstückes und von der Mittelachse des Loches angeordnet wird.

Der für die Erzeugung der Lorentz-Kraft erforderliche Stromfluß durch die Schmelze läßt sich in unterschiedlicher Weise hervorrufen:
Eine erste Möglichkeit besteht darin, daß über beidseits der Schmelze an das Werkstück angelegte Kontakte ein Gleichstrom durch die Schmelze geleitet wird. Grundsätzlich, insbesondere bei Verwendung von Laserstrahlen, können konstante Magnetfelder oder nur mit geringer Impulsfrequenz arbeitende Magnetfelder eingesetzt werden. Dadurch ist die Nutzung einfacher Magnetmaterialien möglich und die benötigte aktive sowie reaktive Leistung bleibt sehr klein. Zudem ist der erzeugte elektromagnetische Druck praktisch unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Metalls des Werkstückes. Dieses "konduktiv" genannte Verfahren kann daher auch beim Behandeln niedrig leitfähiger Metalle durch einen Hochenergiestrahl benutzt werden.

Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein magnetisches Wechselfeld an die Schmelze gelegt, welches in der Schmelze Wechselströme induziert. Diese Verfahrensvariante wird "induktiv" genannt. Sie benötigt keinen externen, über äußere Kontakte zugeführten elek trischen Strom.

Im Impulsbetrieb kann, je nach dem, ob die Schmelze in einem Zeitfenster erzeugt wird, in welchem das Magnetfeld wächst oder kleiner wird, die Schmelze vom Magneten weg gedrückt oder zum Magneten hin gezogen werden.

Während bei dem "induktiven" Verfahren keine externen elektrischen Stromquellen benötigt werden, läßt sich bei einer anderen Verfahrensvariante der externe Magnet erübrigen. In diesem Falle wird direkt durch den durch das Werkstück geleiteten Stromfluß das Magnetfeld erzeugt.

Wie bereits erwähnt, kommen als Hochenergiestrahlen insbesondere Laser- oder Elektronenstrahlen in Frage.

Bei Verwendung von Elektronenstrahlen muß drauf geachtet werden, daß durch das Magnetfeld keine Defokussierung oder Ablenkung des Elektronenstrahls stattfindet. In diesem Falle empfiehlt sich daher eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem das Magnetfeld nur innerhalb der Impulspausen der Elektronenstrahl-Impulse eingeschaltet wird.

Um den Einfluß von Restmagnetisierungen auszuschalten, kann das Magnetfeld bereits kurz vor dem Ende der Impulspausen des Elektronenstrahls abgeschaltet werden.

Aus dem gleichen Grunde ist es bei der induktiven Verfahrensvariante günstig, wenn das magnetische Wechselfeld zu Beginn der Impulspausen des Elektronenstrahls seine maximale Amplitude besitzt und die Amplitude während der Impulspausen des Elektronenstrahles so reduziert wird, daß sie spätestens am Ende der Impulspausen auf annähernd Null gesunken ist.

Zur Erzeugung länglicher Ausnehmungen, also zum Beispiel von Nuten oder Schnitten, kann eine Relativbewegung zwischen Hochenergiestrahl und Werkstück bewirkt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen
1: die schematische Draufsicht auf eine erste Anordnung zum konduktiven Auswerfen einer Schmelze aus einer Bohrung;
2: die schematische Draufsicht auf eine zweite Anordnung zum konduktiven Auswerfen einer Schmelze aus einer Bohrung mit rotierendem Magnet- und Stromlinienfeld;
3: die schematische Seitenansicht einer Anordnung zum konduktiven Auswerfen einer Schmelze aus einer Bohrung ohne externem Magneten;
4: perspektivisch und teilweise im Schnitt eine schematische Anordnung zum induktiven Auswerfen einer Schmelze aus einer Bohrung;
5: die Draufsicht auf ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum induktiven Auswerfen einer Schmelze aus einer Bohrung;
6: einen vertikalen Schnitt durch die Vorrichtung von 5;
7: schematisch die Draufsicht auf eine mit einem magnetischen Drehfeld arbeitende Vorrichtung zum induktiven Auswerfen einer Schmelze aus einer Bohrung;
8: schematisch die geometrische Anordnung einer Magnetspule, die in der Vorrichtung der 7 verwendet wird;
9: den idealisierten zeitlichen Verlauf eines Elektronenstrahles und des Magnetfeldes bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10: den realen zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes bei der konduktiven und der induktiven Verfahrensvariante.
In 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Werkstück bezeichnet, das mit einer im Querschnitt kreisrunden Durchgangsbohrung 2 versehen werden soll. Hierzu wird ein nicht dargestellter Laserstrahl eingesetzt, der senkrecht zur Zeichenebene auf das Werkstück 1 fällt und mit Hilfe einer Abbildungsoptik in einem der Durchgangsbohrung 2 entsprechenden Bearbeitungsfleck abgebildet wird. Durch die Wirkung des Laserstrahls entsteht im Bereich des Bearbeitungsfleckes eine Schmelze, die entgegen der Wirkung der Oberflächenspannung, die zwischen der Schmelze und dem starren Material des Werkstückes 1 existiert, ausgetrieben werden muß.
Zu diesem Zwecke sind beidseits der entstehenden Durchgangsbohrung 2 zwei Kontakte 3, 4 aus Graphit vorgesehen, welche auf der Oberfläche des Werkstückes 1 anliegen. Die Kontakte 3, 4 sind mit dem Minus- bzw. dem Pluspol einer Gleichspannungsquelle verbunden, so daß durch das Werkstück 1 zwischen den Kontakten 3 und 4 entlang des gestrichelt dargestellten Stromlinienfeldes ein Strom fließt. Dieser Strom durchsetzt auch die inner halb der sich bildenden Durchgangsbohrung 2 vorhandene Schmelze.
Oberhalb der Durchgangsbohrung 2 ist der Südpol 5 und unterhalb der Durchgangsbohrung 2 der Nordpol 6 eines Elektromagneten in geringer Entfernung von der Oberfläche des Werkstückes 1 angeordnet. Die Magnetfeldlinien, die in 1 durchgezogen dargestellt sind, dringen dabei in das Werkstück 1 ein und verlaufen, wie dies der 1 zu entnehmen ist, im wesentlichen senkrecht zu den Stromlinien durch die starren Bereiche des Werkstückes 1, insbesondere aber auch durch die in der Durchgangsbohrung 2 befindliche Schmelze. Durch Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem zwischen den Elektroden 3 und 4 fließenden Strom entsteht in der Schmelze eine Volumenkraft, unter deren Einfluß die Schmelze aus der Durchgangsbohrung 2 herausgeschleudert wird. Die Richtung, in welcher dieses Auswerfen erfolgt, kann je nach geometrischer Relativlage des Magnetfeldes und des Stromes entweder so gewählt werden, daß die Schmelze in 1 nach hinten aus der Durchgangsbohrung 2 herausgedrückt oder nach vorne aus der Durchgangsbohrung 2 herausgehoben wird.
Wenn Löcher mit besonders gut kreisrundem Querschnitt erzeugt werden sollen, findet bevorzugt die in 2 dargestellte Anordnung Verwendung. Sie weist drei Elektromagneten, 5a, 5b, 5c auf, die in einem Winkelabstand von 120° zueinander radial auf die Achse der in dem Werkstück 1 zu erzeugenden Bohrung 2 ausgerichtet sind. Drei auf der Oberfläche des Werkstückes 1 aufliegende Kontakte 3a, 3b, 3c umgeben die Achse ebenfalls in einem Winkelabstand von 120° und sind zwischen den Magneten 5a, 5b, 5c vorgesehen. Die Spulen der Magneten 5a, 5b, 5c werden nunmehr so phasenverschoben bestromt, daß ein sich mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit drehendes Magnetfeld erzeugt wird. In ähnlicher Weise wird an die Kontakte 3a, 3b, 3c derart phasenverschoben eine Spannung angelegt, daß sich ein Stromlinienfeld zwischen diesen Kontakten und insbesondere im Bereich der Bohrung 2 ergibt, das mit derselben Winkelgeschwindigkeit wandert wie das von den Magneten 5a, 5b, 5c erzeugte Magnetfeld, dabei aber immer im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes verläuft. Die physikalischen Vorgänge stimmen mit denjenigen überein, die oben für die Anordnung der 1 beschrieben wurden. Der einzige Unterschied besteht darin, daß das Magnetfeld und das Stromlinienfeld eine gemeinsame Drehung um die Achse der Bohrung 2 durchführen. Ein leicht ovaler Bohrungsquerschnitt mit Hauptachsen parallel zur Richtung des Magnetfeldes, der bei der Anordnung von 1 auftreten kann und auf MHD-Instabilitäten im flüssigen Metall zurückzuführen ist, läßt sich auf diese Weise vermeiden.
Selbstverständlich ist es möglich, statt der durch phasenverschobene Bestromung erzeugten rotierenden Felder der Anordnung von 2 bei der Anordnung von 1 die Kontakte 3, 4 sowie die Magnetpole 5, 6 auch physisch gegenüber dem Werkstück 1 rotieren zu lassen. Die Anordnung der 2 ist jedoch eleganter, da eine mechanische Drehbewegung überhaupt nicht erforderlich ist.
Die in 3 dargestellte Anordnung zum Auswerfen der Schmelze kommt vollständig ohne externen Magneten aus. Sie ist daher apparativ besonders einfach und eignet sich besonders überall dort, wo die Anbringung eines Magneten aus Zugänglichkeitsgründen schwierig ist.
Die Anordnung der 3 umfaßt einen Transformator 10, dessen Primärwicklung mit der normalen Netzspannung verbunden ist und dessen Sekundärwicklung über zwei Leitungen 11, 12 mit Kontakten 13, 14 am Werkstück 1 verbunden ist. Zur Anbringung der Bohrungen ist ein schematisch dargestellter CO₂-Schweißkopf 15 vorgesehen. Das zur Erzeugung einer Lorentz-Kraft erforderliche, mit dem Stromlinienfeld wechselwirkende Magnetfeld wird bei dieser Anordnung durch den Stromfluß selbst induziert.
Die Auswurfzeit der Schmelze aus der Durchgangsbohrung 2 läßt sich durch Vergrößerung des Magnetfeldes B und der mit diesem im Bereich der Schmelze welchselwirkende Stromdichte j nicht beliebig verkürzen. Tatsächlich gibt es sowohl für das Magnetfeld B als auch für die Stromdichte j einen idealen Wert, bei dem die Auswurf zeit minimal ist und eine weitere Steigerung des Magnetfeldes bzw. der Stromdichte kontraproduktiv wirkt.
Für die Stromdichte ist dies dadurch zu erklären, daß bei einer Erhöhung über den Idealwert hinaus die Magnetfeldverteilung innerhalb des Werkstückes verändert wird. Es entsteht ein dem ursprünglichen Magnetfeld entgegengerichtetes induziertes Magnetfeld, welches das ursprüngliche Magnetfeld abschwächt. Die theoretisch ideale Stromdichte genügt folgender Gleichung:
In dieser Gleichung bedeuten:

B_o: extern angelegte Magnetfeldgröße,
μ_o: magnetische Feldkonstante,
h: Blechdicke (Tiefe der Bohrung).

Die Existenz eines Optimums für die extern angelegte Magnetfeldstärke beruht auf folgenden physikalischen Gegebenheiten: Die vom extern angelegten Magnetfeld B_o herrührende Lorentz-Kraft wirkt auf die ganze Schmelze entlang der Bohrtiefe und treibt die Schmelze mit einer charakteristischen Austriebsgeschwindigkeit aus. Jede bewegte Schmelze erfährt jedoch wiederum im Magnetfeld selbst eine Lorentz-Kraft, die ihrer Ursache entgegengerichtet ist. Diese bremsende Lorentz-Kraft ist proportional zur Geschwindigkeit der Schmelze, überwiegt daher bei hohen Austriebsgeschwindigkeiten und die Schmelze wird nicht weiter beschleunigt. Die theoretisch ideale Magnetfeldstärke genügt folgender Gleichung:
In dieser Gleichung sind:

v_m: = 1/(u_oσ_c) magnetische Viskosität,
h: Blechdicke (Tiefe der Bohrung),
μ_o: magnetische Feldkonstante,
ρ₁: Dichte der flüssigen Metallschmelze,
g: Korrekturfaktor für die wirksame Lorentz-Kraft, der aus der Tatsache resultiert, daß die Leitfähigkeit zwischen dem kalten festen Metall _c und dem heißen flüssigen Metall _f unterschiedlich ist.

Die ideale Magnetfeldstärke liegt oft bei 100 T, was technisch kaum zu realisieren ist. Sie ist daher häufig keine reale Grenze; vielmehr kann die konkret eingesetzte Magnetfeldstärke B_o entsprechend der apparativen Ausrü stung so groß wie möglich gewählt werden, solange keine Plastifizierung des Materials des Werkstückes oder der Magnetspulen eintritt.
Das vorstehend beschriebene "konduktiv" genannte elektromagnetische Auswurfsystem erzeugt einen elektromagnetischen Druck in der Schmelze, der praktisch unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials des Werkstückes 1 ist. Ein solches System kann somit auch beim Bohren niedrig leitfähiger Metalle verwendet werden. Die erforderliche elektrische Leistung ist gering. Jedoch benötigt das konduktive elektromagnetische Auswurfsystem als wesentliche Voraussetzung die an den Werkstücken 1 anliegenden Kontakte 14, was bei Werkstücken mit unregelmäßig geformter oder rauher Oberfläche Schwierigkeiten bereiten kann. Dies gilt insgesondere dann, wenn das Werkstück 1 gegenüber den Kontakten 3, 4 bewegt werden soll.
Daher kann es für viele Anwendungsfälle nützlich sein, anstelle der in den 1 bis 3 dargestellten und oben beschriebenen konduktiven elektromagnetischen Auswurfsysteme ein kontaktfrei arbeitendes induktives Auswurfsystem zu verwenden, wie es schematisch in 4 dargestellt ist. Hier wird der erforderliche elektrische Strom durch ein magnetisches Wechselfeld auf induktivem Wege erzeugt.
In 4 ist das Werkstück wiederum mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet; die in ihm mit Hilfe eines Laserstrahles erzeugte Bohrung trägt erneut das Bezugszeichen 2. Kontakte, mit denen ein externer Strom durch das Werkstück 1 geleitet werden könnte, sind nicht vorgesehen.
Unterhalb der unteren Fläche des Werkstückes 1, dieser und der Durchgangsbohrung 2 benachbart, befindet sich eine Magnetspule 7, durch welche ein Wechselstrom I₀ geleitet wird. Die Magnetspule 7 erzeugt in der Durchgangsbohrung 2 ein magnetisches Wechselfeld B, das seinerseits in dem Werkstück 1 bzw. in der in der Durchgangsbohrung 2 befindlichen Schmelze ein elektrisches Stromlinienfeld j induziert. Das magnetische Wechselfeld B hat in dem Werkstück 1 nur eine beschränkte Eindringtiefe ("Skineffekt"), wie dies in der schematischen Skizze links neben dem Werkstück dargestellt ist: sowohl das magnetische Wechselfeld B als auch die von diesem induzierte Stromdichte j nehmen innerhalb des Werkstückes nach oben ab.
Bei dünnen Blechen von nur wenigen Millimetern Dicke, wie sie als Werkstücke 1 vor allem in Betracht kommen, ist dieser Skineffekt nicht von praktischer Bedeutung.
Bei dem in 4 dargestellten induktiven Auswurfsystem kann die geometrische Relativanordnung zwischen Magnetfeld B und Stromdichte j nicht frei gewählt werden. Beim Einschalten des Magnetfeldes entsteht immer eine Kraft F_L auf die in der Durchgangsbohrung 2 befindliche Schmelze, die von der Magnetspule 7 wegweist, so daß also die Schmelze aus der Durchgangsbohrung 2 stets herausgedrückt wird.
Soll die Schmelze aus der Durchgangsbohrung 2 herausgehoben, also in Richtung auf die Magnetspule 7 bewegt werden, kann folgendermaßen vorgegangen werden: Noch vor der Erzeugung des Hochenergiestrahl-Impulses wird an das Werkstück 1 ein langsam ansteigendes Magnetfeld gelegt. Diesem folgt eine entsprechende Lorentz-Kraft, bis das Magnetfeld das ganze Werkstück 1 erfaßt hat. Nun erfolgt die Schmelzerzeugung durch einen kurzen Hochenergiestrahl-Impuls. Wird jetzt das Magnetfeld schlagartig ausgeschaltet (negativer Gradient), kehrt sich die Richtung der Lorentz-Kraft um und die Schmelze wird in Richtung auf die Magnetspule 7 ausgeworfen. Diese Verfahrensvariante ist insbesondere dann von Interesse, wenn hinter dem Werkstück 1 befindliche Bauteile nicht verschmutzt oder beschädigt werden dürfen oder die Ausnehmung 2 nicht vollständig durch das Werkstück 1 hindurchgeht und so die Schmelze nur in Richtung des Hochenergiestrahles ausgetrieben werden kann.
In den 5 und 6 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum induktiven Auswerfen der Schmelze aus einer Bohrung dargestellt. Das zu bearbeitende Werkstück ist erneut mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Die in diesem Werkstück 1 erzeugte Bohrung ist in diesem Falle ein Langloch und trägt das Bezugszeichen 2. Das zum Austreiben der Schmelze aus der Durchgangsbohrung 2 erforderliche Magnetfeld wird von zwei Magnetspulen 7a, 7b erzeugt, die parallel zur oberen Fläche des Werkstückes 1, dieser eng benachbart, auf gegenüberliegenden Seiten der Durchgangsbohrung 2 angeordnet sind. Die beiden Magnetspulen 7a, 7b sind, wie der 5 zu entnehmen ist, in Serie geschaltet. Als Stromquelle dient ein Kondensator 8, der durch Schließen eines Schalters 9 entladen werden kann.
Bei dieser Vorrichtung wird also zunächst mit Hilfe eines Laserimpulses das Material innerhalb der Durchgangsbohrung 2 aufgeschmolzen. Sodann wird durch Schliefen des Schalters 9 der Kondensator 8 über die Magnetspulen 7a, 7b entladen. Der bei diesem Entladevorgang sich zeitlich verändernde, nämlich abklingende Strom induziert in der Schmelze einen entsprechend abklingenden Stromimpuls, wechselwirkt mit diesem und wirft die Schmelze aus der Durchgangsbohrung 2 nach unten aus.
Auch in den 7 und 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung dargestellt, welches dem induktiven Auswerfen der Schmelze aus einer Durchgangsbohrung dient. Das Werkstück trägt in den 7 und 8 erneut das Bezugszeichen 1, die im Querschnitt kreisrunde Durchgangsbohrung das Bezugszeichen 2. In der Nähe der oberen Fläche des Werkstückes 1 sind in einem Winkelabstand voneinander von 120° um die Achse der Durchgangsbohrung 2 herum drei Paare von Magnetspulen 7a, 7b, 7'a, 7'b und 7''a, 7''b angeordnet. Jeweils gegenüber liegende Paare von Magnetfeldspulen 7a, 7b, 7'a, 7'b, 7''a, 7''b sind ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der 6 in Serie geschaltet und werden aus einer Stromquelle mit einem sich zeitlich verändernden Strom gespeist. Die Ströme, welche durch die verschiedenen Paare von Magnetspulen 7a, 7b, 7'a, 7'b, und 7''a, 7''b geleitet werden, sind jedoch gegeneinander um 120° phasenversetzt, so daß insgesamt von den Magnetspulen 7a, 7b, 7'a, 7'b, 7''a, 7''b ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird. Dieses dringt von oben her in das Werkstück 1 und auch in die Schmelze innerhalb der Durchgangsbohrung 2 ein. Das drehende Magnetfeld B erzeugt innerhalb des Werkstückes 1 ein sich mit gleicher Geschwindigkeit drehendes Stromlinienfeld j. Erneut entsteht durch Wechselwirkung des Magnetfeldes B mit dem Stromlinienfeld j eine Volumenkraft, die auf die Schmelze in der Durchgangsbohrung 2 wirkt und diese aus der Durchgangsbohrung 2 in 6 nach unten auswirft. Durch das sich drehende Magnetfeld B wird die Rotationssymmetrie der entstehenden Durchgangsbohrung 2 verbessert.
Zur Erzielung einer maximalen Lorentz-Kraft muß die tangentiale Komponente des Magnetfeldes B_x an der Oberfläche der Schmelze möglichst groß sein. Dies wird bei einem magnetischen Dipol bei einem Neigungswinkel von α = 71° erreicht.
Dies ist die in 6 dargestellte geometrische Anordnung.
Zur Minimierung der Induktivität bzw. der gespeicherten Energie und der Blindleistung befinden sich die Zentren der Magnetspulen 7 in etwa gleicher Entfernung von der Oberfläche des Werkstückes 1 und von der Achse der Durchgangsbohrung 2. Eine weitere Reduzierung der gespeicherten Energie und der Blindleistung läßt sich dann erreichen, wenn abweichend von 8 die Höhe der Magnetspulen 7 etwa gleich deren Durchmesser ist.
Für die Größe des von der oder den Magnetspulen 7 erzeugten Magnetfeldes gilt das oben zum "konduktiven" System Gesagte entsprechend: Auch hier muß berücksichtigt werden, daß die vom externen Magnetfeld bewegte Schmelze bremsenden Lorentz-Kräften ausgesetzt ist. Die resultierende Bremskomponente der Lorentz-Kraft, welche der Antriebsgeschwindigkeit entgegengesetzt ist, wächst proportional zum Quadrat des Magnetfeldes, also schneller als die eigentliche (gewollte) Austriebskomponente. Mit steigendem Magnetfeld kann die bloße Magnetfeldverstärkung sogar negative Auswirkungen hinsichtlich des Bohrens haben. Deshalb ist eine spezielle Optimierung für einen möglichst schnellen Bohrprozeß mit Berücksichtigung dieser Bremskomponente unbedingt notwendig.
Unterschieden wird beim induktiven System dabei zwischen einen "slow" und einem "rapid" Schmelzaustrieb. Falls das vorhandene externe Magnetfeld B_o kleiner als das ideale Magnetfeld ist, dessen Formel oben bei der Diskussion des konduktiven Systems angegeben wurde, liegt ein "slow"-Verfahren vor. In diesem Falle ist eine Anordnung mit rotierendem Magnetfeld am günstigsten. Die optimale Rotationsfrequenz des Magnetfeldes wird dabei so gewählt, daß die entsprechende Skinschichttiefe etwa das 0,9-fache der Bohrlochtiefe beträgt.
Wo die erreichbaren Werte des Magnetfeldes B_o größer als das ideale Magnetfeld sind, wird das Verfahren "rapid" gewählt. Hier werden zum Austreiben der Schmelze einzelne Magnetpulse eingesetzt, was zu einer größeren Effektivität führt.
Bei der Beschreibung der obigen Ausführungsbeispiele wurde angenommen, daß als Hochenergiestrahl, welcher die Schmelze in der jeweiligen Durchgangsbohrung 2 erzeugt, ein Laserstrahl eingesetzt wird. Verwendet man statt dessen als Hochenergiestrahl einen Elektronenstrahl, muß darauf geachtet werden, daß dieser durch das angelegte Magnetfeld nicht defokussiert wird. Wie dies vermieden wird, sei nachfolgend anhand der 9 und 10 nächer erläutert.
In 9a ist der zeitliche Verlauf des Elektronenstrahles dargestellt. Dieser wird in der Form gepulst, daß er jeweils 5 Millisekunden angeschaltet und während weiterer 5 Millisekunden ausgeschaltet wird. 9b zeigt das idealisierte zeitliche Verhalten des Magnetfeldes. Auch dieses wird jeweils 5 Millisekungen eingeschaltet und 5 Millisekunden ausgeschaltet, jedoch derart phasenverschoben, daß das Magnetfeld B immer nur in den Impulspausen des Elektronenstrahles anliegt und daher eine Ablenkung des Elektronenstrahles durch das Magnetfeld B nicht möglich ist.
Der in 9b dargestellte zeitliche Verlauf des Magnetfeldes ist idealisiert. Tatsächlich benötigt sowohl der Aufbau als auch das Abklingen des Magnetfeldes B im Werkstück 1 bzw. in der Schmelze eine gewisse Zeit, wie dies in 10a dargestellt ist. Um sicherzugehen, daß bei Beginn des Elektronenstrahlimpulses das Magnetfeld B vollständig abgeklungen ist, wird es entsprechend früher abgeschaltet.
9 und 10a zeigen die Verhältnisse bei der "konduktiven" Verfahrensvariante der 1, bei welcher mit externen Kontakten 3, 4 gearbeitet wird. Die gleichen Überlegungen gelten jedoch im Grundsatz auch für die induktive Verfahrensvariante der 2 bis 6. Auch hier wird, wie die 10b zeigt, das magnetische Wechselfeld B nur in den Impulspausen des Elektronenstrahles eingeschaltet. Um Restmagnetisierungen während der Elektronenstrahlimpulse zu vermeiden, klingt die Amplitude des Magnetfeldes B vom Beginn der Elektronenstrahl-Pause bis zum Ende der Elektronenstrahl-Pause ab.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer engen Ausnehmung in einem metallischen Werkstück, bei dem ein Hochenergiestrahl in das Werkstück eindringt und dort eine Schmelze erzeugt, die mit Unterstützung einer externen Hilfskraft aus der Ausnehmung ausgeworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfskraft eine auf die Schmelze wirkende Lorentz-Kraft eingesetzt wird, wozu ein die Schmelze durchquerender Stromfluß und ein mit diesem wechelwirkendes Magnetfeld, das eine zum Stromfluß senkrecht gerichtete Komponente aufweist, erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des an das Werkstück (1) angelegten Magnetfeldes im Bereich zwischen 0,5 und 20 Tesla liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des an das Werkstück (1) angelegten Magnetfeldes etwa 1 bis 10 Tesla beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des an das Werkstück (1) angelegten Magnetfeldes kleiner oder gleich
ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Stromdichte in der Schmelze zwischen 5 und 100 A/mm² liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Stromdichte in der Schmelze zwischen 10 und 40 A/mm² liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Stromdichte in der Schmelze kleiner oder gleich
ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ausnehmung ein im Querschnitt kreisrundes Loch ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativverdrehung zwischen dem Magnetfeld und dem Stromlinienfeld einerseits und dem Werkstück (1) andererseits herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Relativverdrehung zwischen der das Magnetfeld erzeugenden Magneteinrichtung und dem Werkstück herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Magneteinrichtung mehrere Paare einander gegenüber liegender Magnetspulen (7a, 7b, 7'a, 7'b, 7''a, 7''b) verwendet werden, die in einem Winkelabstand zueinander um die Achse des Loches (2) herum an geordnet sind und die mit Erregerströmen gespeist werden, die zu einander eine dem Winkelabstand entsprechende Phasenverschiebung derart aufweisen, daß ein rotierendes Magnetfeld im Bereich des Loches (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Relativverdrehung zwischen an dem Werkstück (1) anliegenden Kontakten (3, 4) und dem Werkstück (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere an dem Werkstück (1) anliegende Kontakte (3a, 3b, 3c) verwendet werden, die in einem Winkelabstand zueinander um die Achse des Loches (2) herum angeordnet sind und die mit Strömen gespeist werden, die zueinander eine dem Winkelabstand entsprechende Phasenverschiebung derart aufweisen, daß ein rotierendes Stromlinienfeld im Bereich des Loches (2) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse mindestens eines Dipols (7a, 7b, 7'a, 7'b, 7''a, 7''b) der Magneteinrichtung unter einem Winkel von etwa 71° gegenüber der Oberfläche des Werkstücks (1) geneigt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetspule (7a, 7b, 7'a, 7'b, 7''a, 7''b) verwendet wird, deren Höhe etwa ihrem Durchmesser entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum einer Magnetspule (7a, 7b, 7'a, 7'b, 7''a, 7''b) etwa in gleichem Abstand von der Oberfläche des Werkstückes (1) und von der Mittelachse des Loches (2) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über beidseits der Schmelze an das Werkstück (1) angelegte Kontakte (3, 4) ein Gleichstrom durch die Schmelze geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Wechselfeld an die Schmelze gelegt wird, welches in der Schmelze Wechselströme induziert.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in einem Zeitfenster erzeugt wird, in welchem das Magnetfeld wächst, insbesondere eingeschaltet wird, wodurch die Schmelze vom Magneten weg gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in einem Zeitfenster erzeugt wird, in welchem das Magnetfeld kleiner wird, insbesondere ausgeschaltet wird, und auf diese Weise die Schmelze zum Magneten hin gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch den durch das Werkstück (1) geführten Stromfluß ohne externen Magnet erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Hochenergiestrahl ein gepulster Elektronenstrahl ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld nur innerhalb der Impulspausen der Elektronenstrahlimpulse eingeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld kurz vor dem Ende der Impulspausen des Elektronenstrahls abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld zu Beginn der Impulspausen des Elektronenstrahles seine maximale Amplitude besitzt und die Amplitude während der Impulspausen des Elektronenstrahles so reduziert wird, daß sie spätestens am Ende der Impulspausen auf annähernd Null gesunken ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung länglicher Ausnehmungen eine Relativbewegung zwischen Hochenergiestrahl und Werkstück bewirkt wird.