DE102013215346A1 - Verfahren zum Laserentschichten von beschichteten Blechen und zugehörige Laserentschichtungsanlage - Google Patents

Verfahren zum Laserentschichten von beschichteten Blechen und zugehörige Laserentschichtungsanlage Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Laserentschichten von beschichteten Blechen (6), insbesondere zum Entfernen einer metallischen Schutzschicht, wobei die Beschichtung (7) von dem Blech (6) mittels eines Laserstrahls (5) abgetragen wird, wird erfindungsgemäß mittels mehrerer um den Laserstrahl (5) herum angeordneter Düsen (121–123) ein Gas (8), insbesondere Druckluft oder ein Inertgas, jeweils mit einem Druck von mindestens 3 bar und unter einem bezüglich des Laserstrahls (5) spitzen Winkel (α) auf den Laserspot (14) des auf die Blechoberfläche (16) auftreffenden Laserstrahls (5) gerichtet. Die zugehörige Laserentschichtungsanlage (1) umfasst einen Laserstrahlerzeuger (2) und einen Laserbearbeitungskopf (3), aus dem ein Laserstrahl (5) austritt, wobei der Laserbearbeitungskopf (3) erfindungsgemäß mehrere um den austretenden Laserstrahl (5) herum angeordnete Düsen (121–123) aufweist, deren Düsenachsen (131–133) jeweils unter einem bezüglich des Laserstrahls (5) spitzen Winkel (α) auf den gleichen Schnittpunkt (14) mit den austretenden Laserstrahl (5) gerichtet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserentschichten von beschichteten Blechen, insbesondere zum Entfernen einer metallischen Schutzschicht, wie z. B. einer Aluminium-Silizium-Schutzschicht, wobei die Beschichtung von dem Blech mittels eines Laserstrahls abgetragen wird, sowie auch eine zum Durchführen des Laserentschichtungsverfahrens geeignete Laserentschichtungsanlage.
  • Beim Warmumformen von Stahl schützt eine Aluminium-Silizium-Beschichtung die Stahloberfläche gegen Verzunderung bzw. Korrosion. Diese Beschichtung verdampft während des Laserschweißens nicht und hinterlässt daher Schwachstellen in der Schweißnaht. Um dem entgegenzuwirken, werden beschichtete Bauteile, insbesondere maßgeschneiderte Blechplatinen (sogenannte Tailored Blanks oder Hotforming Blanks), zuvor mittels eines pulsierenden Festkörperlasers entschichtet, der entlang einer späteren Schweißnaht einen jeweils 0,5–4 mm breiten Streifen der Beschichtung abträgt. So wird die Schweißnaht stärker, und das Bauteil kann problemlos in der Warmumformung verwendet werden. Allerdings ist die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über das Blech bewegt wird, relativ langsam, damit die Beschichtung sicher abgetragen wird. Es ist auch bekannt, beim Laserentschichten zusätzlich Bürsten einzusetzen, die in Vorschubrichtung hinter dem Laserstrahl die Blechoberfläche bürsten. Insgesamt ist das Laserentschichten bisher aber nur sehr ineffizient möglich.
  • Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, bei dem Laserentschichtungsverfahren und der Laserentschichtungsanlage der jeweils eingangs genannten Art höhere Vorschubgeschwindigkeiten zu erreichen und dabei dennoch die Beschichtung sicher abzutragen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels mehrerer um den Laserstrahl herum angeordneter Düsen ein Gas, insbesondere Druckluft oder ein Inertgas, jeweils mit einem Druck von mindestens 3 bar und unter einem bezüglich des Laserstrahls spitzen Winkel auf den Laserspot des auf die Blechoberfläche auftreffenden Laserstrahls gerichtet wird.
  • Im Gegensatz zu bekannten Laserentschichtungsverfahren, bei denen die Beschichtung ohne Gas entfernt wird, wird erfindungsgemäß durch die Verwendung mehrerer Düsen, die Druckluft oder ein Inertgas (z. B. Stickstoff) gezielt auf den auf der Blechoberfläche befindlichen Laserspot richten, die Effektivität des Prozesses erheblich gesteigert. Versuche haben gezeigt, dass – verglichen mit den bekannten Laserentschichtungsverfahren – durch den Einsatz des zugeströmten Gases die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls erfindungsgemäß mindestens verdoppelt werden kann. Außerdem kann die Tiefe des Schichtabtrags viel genauer reguliert werden, da, anders als beim herkömmlichen Verfahren, die Beschichtung geschmolzen und mittels der Düsen abgeblasen wird. Durch die Regulierung der eingebrachten Streckenenergie (Laserleistung geteilt durch die Vorschubgeschwindigkeit) kann die Tiefe der Aufschmelzung und somit die Dicke der entfernten Schicht genau gesteuert werden. Außerdem kann ein höherer Schmelzpunkt des Grundmaterials, wie bspw. bei AlSi Schichten auf Usibor Stahl, verhindern, dass dieses schmilzt. Beim herkömmlichen Verfahren verdampft die Beschichtung, wobei jedoch auch immer Schmelze entsteht. Grundmaterial und Beschichtung reagieren ähnlich auf diesen Prozess. Die Regulierung der Tiefe des Schichtabtrags hat den Vorteil, dass bestimmt werden kann, ob auch die intermetallische Phase zwischen Beschichtung und Trägermaterial entfernt werden soll oder nicht. Der Laserstrahl kann auf die Blechoberfläche sowohl senkrecht oder aber unter einem Winkel auftreffen. Genauso trägt die Anpassung weiterer Laserparameter an den Prozess zu einer Steigerung der Effektivität bei.
  • Erfindungsgemäß sind die Düsen alle genau auf den Laserspot mit einem Abstand von wenigen Millimetern ausgerichtet, um eine möglichst punktuelle und schnelle Strömung zu erreichen. Der Abtragsprozess kann benutzt werden, um auf einem mindestens 1 mm breiten Streifen entlang einer geplanten Schweißnaht die Aluminium-Silizium-Schutzschicht von ”Tailored Blanks” bzw. ”Hotforming Blanks” zu entfernen, die dadurch schweißbar gemacht werden. Allerdings kann dieses Abtragverfahren auch bei jedem anderen beschichteten Bauteil (z. B. verzinktes Blech etc.) eingesetzt werden.
  • Besonders bevorzugt richtet mindestens eine der Düsen das Gas ausschließlich mit Strömungskomponenten in Richtung des Laserstrahls und in Vorschubrichtung des Laserstrahls auf den Laserspot. Versuche haben gezeigt, dass drei Düsen besonders optimal sind, wobei nur die mittlere Düse das Gas ausschließlich mit Strömungskomponenten in Richtung des Laserstrahls und in Vorschubrichtung des Laserstrahls auf den Laserspot richtet. Die beiden äußeren Düsen richten das Gas vorteilhaft jeweils symmetrisch zu der durch den Laserstrahl und die Vorschubrichtung aufgespannten Ebene auf den Laserspot, vorzugsweise jeweils um ca. 45° winkelversetzt zu dem aus der mittleren Düse ausströmenden Inertgas.
  • Die Düsen sollten von der Blechoberfläche höchstens 5–8 mm beabstandet sein, um eine möglichst punktuelle und schnelle Strömung am Laserspot zu erreichen.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Laserentschichtungsanlage mit einem Laserstrahlerzeuger und mit einem Laserbearbeitungskopf, aus dem ein Laserstrahl austritt, wobei erfindungsgemäß der Laserbearbeitungskopf mehrere um den austretenden Laserstrahl herum angeordnete Düsen aufweist, deren Düsenachsen jeweils unter einem bezüglich des Laserstrahls spitzen Winkel auf den gleichen Schnittpunkt mit dem austretenden Laserstrahl gerichtet sind. Der Öffnungsdurchmesser der Düsen beträgt vorzugsweise höchstens 2,5 mm. Der Laserbearbeitungskopf bzw. der Laserstrahl kann relativ zum Blech oder aber das Blech relativ zum Laserbearbeitungskopf bzw. zum Laserstrahl bewegt werden.
  • Vorteilhaft sind die mehrere Düsen an einem gemeinsamen Düsenkörper angeordnet, der entweder für jede Düse einen eigenen Gasanschluss oder für alle Düsen einen gemeinsamen Gasanschluss aufweist.
  • Besonders bevorzugt weist der Laserbearbeitungskopf mindestens drei Düsen auf, wobei die beiden äußeren Düsen jeweils symmetrisch zu der durch den Laserstrahl und die Düsenachse der mittleren Düse aufgespannten Ebene, insbesondere jeweils um ca. 45° winkelversetzt zur mittleren Düse, angeordnet sind. Die Anzahl und Anordnung der Düsen bestimmen dabei die Richtung der abgeblasenen Schmelze.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Laserentschichtungsanlage zum Durchführen des erfindungsgemäße Laserentschichtungsverfahrens; und
  • 2a, 2b drei an einem Laserbearbeitungskopf befestigte Düsen in einer Seitenansicht (2a) und in einer Draufsicht (2b).
  • Die in 1 perspektivisch gezeigte Laserentschichtungsanlage 1 weist beispielsweise einen CO2-Laser, Faserlaser, Diodenlaser oder Festkörperlaser als Laserstrahlerzeuger 2, einen verfahrbaren Laserbearbeitungskopf 3 und eine Werkstückauflage 4 auf. Im Laser 2 wird ein Laserstrahl 5 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laser 2 zum Bearbeitungskopf 3 geführt wird. Auf der Werkstückauflage 4 ist als Werkstück ein Blech (Tailored Blank bzw. Hotforming Blank) 6 angeordnet, das beidseitig mit einer Aluminium-Silizium-Schicht 7 beschichtet ist. Der Laserstrahl 5 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussieroptik auf das Blech 6 gerichtet. Die Laserentschichtungsanlage 1 wird darüber hinaus mit Druckluft oder Inertgas 8, beispielsweise Stickstoff, versorgt. Es können alternativ oder zusätzlich auch Druckluft oder anwendungsspezifische Gase vorgesehen sein. Die Verwendung der einzelnen Gase ist von dem Material des zu bearbeitenden Blechs 6, von der zu entfernenden Beschichtung und von Qualitätsanforderungen abhängig. Weiterhin ist eine Absaugeinrichtung 9 vorhanden, die mit einem Absaugkanal 10, der sich unter der Werkstückauflage 4 befindet, verbunden ist.
  • Wie in 2a, 2b gezeigt, sind am Bearbeitungskopf 3 über eine Halterung 11 drei Düsen 12 1–12 3 mit einem Öffnungsdurchmesser von höchstens 2,5 mm befestigt, aus denen das Inertgas 8 unter einem hohen Druck von mindestens 3 bar austritt. Die Düsen 12 1–12 3 sind um den austretenden Laserstrahl 5 herum, insbesondere ¼-kreisförmig in gleichen Winkelabständen von 45°, angeordnet, wobei ihre Düsenachsen 13 1–13 3 alle unter einem bezüglich des Laserstrahls 5 spitzen Winkel α ausgerichtet sind und den austretenden Laserstrahl 5 im gleichen Schnittpunkt 14 schneiden. Die beiden äußeren Düsen 12 1, 12 3 sind bezüglich der durch den Laserstrahl 5 und die Düsenachse 13 2 der mittleren Düse 12 2 aufgespannten Ebene zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbespiel sind die Düsen 12 1–12 3 in einem gemeinsamen Düsenkörper 15, aber mit jeweils eigenem Gasanschluss ausgebildet, können aber auch voneinander getrennte eigene Düsenkörper aufweisen.
  • Zum Abtragen der Aluminium-Silizium-Schicht 7 wird der Laserstrahls 5 in Vorschubrichtung v über das Blech 6 bewegt, wobei sich der Bearbeitungskopf 3 in einem derartigen Abstand zum Blech 6 befindet, dass der Schnittpunkt 14 auf der Blechoberfläche 16 liegt. Es versteht sich, dass genauso auch das Blech 6 relativ zum Laserstrahl 5 bewegt werden kann. Mittels der um den Laserstrahl 5 herum angeordneten Düsen 12 1–12 3 wird das Inertgas 8 jeweils mit einem Druck von mindestens 3 bar und unter dem spitzen Winkel α auf den Schnittpunkt 14, d. h. auf den Laserspot 14 auf der Blechoberfläche 16, gerichtet. Die mittlere Düse 12 2 richtet das Inertgas 8 ausschließlich mit Strömungskomponenten in Richtung des Laserstrahls 5 und in Vorschubrichtung v auf den Laserspot 14. Die beiden äußeren Düsen 12 1, 12 3 richten das Inertgas 8 jeweils symmetrisch zu der durch den Laserstrahl 5 und die Vorschubrichtung v aufgespannten Ebene auf den Laserspot 14. Die Düsen 12 1–12 3 sind also alle genau auf den Laserspot 14 mit einem Abstand von wenigen Millimetern ausgerichtet, um eine möglichst punktuelle und schnelle Strömung des Inertgases 8 am Laserspot 14 zu erreichen. Im Bereich der abgetragenen Aluminium-Silizium-Schicht 7 ist das Blech 6 nun schweißbar gemacht.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Laserentschichten von beschichteten Blechen (6), insbesondere zum Entfernen einer metallischen Schutzschicht, wobei die Beschichtung (7) von dem Blech (6) mittels eines Laserstrahls (5) abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mehrerer um den Laserstrahl (5) herum angeordneter Düsen (12 1–12 3) ein Gas (8), insbesondere Druckluft oder ein Inertgas, jeweils mit einem Druck von mindestens 3 bar und unter einem bezüglich des Laserstrahls (5) spitzen Winkel (α) auf den Laserspot (14) des auf die Blechoberfläche (16) auftreffenden Laserstrahls (5) gerichtet wird.
  2. Laserentschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Düsen (12 1–12 3) das Gas (8) ausschließlich mit Strömungskomponenten in Richtung des Laserstrahls (5) und in Vorschubrichtung (v) des Laserstrahls (5) auf den Laserspot (14) richtet.
  3. Laserentschichtungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (8) mittels mindestens dreier Düsen (12 1–12 3) jeweils mit einem Druck von mindestens 3 bar und unter einem bezüglich des Laserstrahls (5) spitzen Winkel (α) auf den Laserspot (14) gerichtet wird, wobei nur die mittlere Düse (12 2) das Gas (8) ausschließlich mit Strömungskomponenten in Richtung des Laserstrahls (5) und in Vorschubrichtung (v) des Laserstrahls (5) auf den Laserspot (14) richtet.
  4. Laserentschichtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Düsen (12 1, 12 3) das Gas (8) jeweils symmetrisch zu der durch den Laserstrahl (5) und die Vorschubrichtung (v) aufgespannten Ebene auf den Laserspot (14) richten.
  5. Laserentschichtungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Düsen (12 1, 12 3) das Gas (8) jeweils um ca. 45° winkelversetzt zu dem aus der mittleren Düse (12 2) ausströmenden Inertgas (8) auf den Laserspot (14) richten.
  6. Laserentschichtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (12 1–12 3) von der Blechoberfläche (16) höchstens 5–8 mm beabstandet sind.
  7. Laserentschichtungsanlage (1) zum Durchführen des Laserentschichtungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Laserstrahlerzeuger (2) und mit einem Laserbearbeitungskopf (3), aus dem ein Laserstrahl (5) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungskopf (3) mehrere um den austretenden Laserstrahl (5) herum angeordnete Düsen (12 1–12 3) aufweist, deren Düsenachsen (13 1–13 3) jeweils unter einem bezüglich des Laserstrahls (5) spitzen Winkel (α) auf den gleichen Schnittpunkt (14) mit den austretenden Laserstrahl (5) gerichtet sind.
  8. Laserentschichtungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrere Düsen (12 1–12 3) an einem gemeinsamen Düsenkörper (15) angeordnet sind.
  9. Laserentschichtungsanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungskopf (3) mindestens drei Düsen (12 1–12 3) aufweist, wobei die beiden äußeren Düsen (12 1, 12 3) bezüglich der durch den Laserstrahl (5) und die Düsenachse (13 2) der mittleren Düse (12 1) aufgespannten Ebene zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
  10. Laserentschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Düsen (12 1, 12 3) jeweils um ca. 45° winkelversetzt zur mittleren Düse (11 2) angeordnet sind.
  11. Laserentschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdurchmesser der Düsen (12 1–12 3) höchstens 2,5 mm beträgt.
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