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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks.
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Um Ummagnetisierungsverluste zu reduzieren und eine Effizienz zu erhöhen, werden kornorientierte Elektrobleche oftmals einer Laserbehandlung unterzogen. Die Behandlung beruht auf dem Einbringen thermischer und mechanischer Spannungen in das Blech. Dies kann beispielsweise mittels einer Laserbehandlung geschehen, die allerdings den Nachteil aufweist, dass der eingebrachte Spannungszustand oftmals durch eine nachfolgende Wärmebehandlung aufgehoben wird. Eine nachträgliche Wärmebehandlung ist aber immer dann notwendig, wenn das verwendete Material mechanisch beansprucht wird.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zum Lösen dieses Problems bekannt. So beschreibt die Druckschrift
DE 28 19 514 A1 ein mechanisches Ausbilden von Gräben, was aber vom Bearbeitungsaufwand sehr hoch ist und entsprechende Kosten verursacht.
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Weitere Informationen enthält beispielsweise die Druckschrift
EP 2 799 560 A1 . Darin wird ein Verfahren zum Herstellen von Elektroblech gezeigt. Das Verfahren umfasst ein Formen einer Nut mit einer ersten und einer zweiten seitlichen Fläche sowie einer unteren Fläche durch Schmelzen einer Oberfläche eines Stahlbleches durch Laserbestrahlen und Formen einer Öffnung durch Entfernen geschmolzener Nebenprodukte des Stahlblechs, die an der ersten und zweiten Fläche sowie der unteren Fläche gebildet werden, durch Blasen oder Saugen.
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Ebenfalls können der Druckschrift
US 2013/0139932 A1 Informationen entnommen werden. Darin wird ein Verfahren zur Herstellung von kornorientiertem Stahlblech offenbart, umfassend, zwischen einem Kaltwalzprozess und einem Wickelprozess, einen Nutausbildungsprozess mit mehrfachem Bestrahlen der Fläche eines Siliziumstahlblechs mit einem Laserstrahl in vorbestimmten Intervallen in einer Blechbewegungsrichtung über eine Fläche von einer Endkante bis zu einer anderen Endkante in einer Breitenrichtung des Siliziumstahlblechs, wobei eine Nut entlang des Aufsetzpunktes des Laserstrahls geformt wird.
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Mehr kann auch im Dokument JP H06- 57 335 A gefunden werden. Dessen Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung von Ummagnetisierungsverlusten in kornorientiertem Elektroblech, um thermische Spannungen abbauen zu können. Dabei werden gepulste CO2-Laserstrahlen mit definierter Leistung auf das kornorientierte Elektroblech gerichtet, um eine definierte Ausnehmung zu erzeugen.
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Auch aus dem Dokument
JP 2003-129 135 A sind Informationen verfügbar. Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Nut mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeits-Linearabtastlasers. Dabei wird Bezug genommen auf eine Verbesserung von Ummagnetisierungsverlusteigenschaften mit Hilfe des Lasers durch ein Ausbilden von periodischen Nuten in einer Richtung etwa senkrecht zur einer Rollrichtung. Der Laserfokus hat eine Ellipsenform mit einer Hauptachse in der Abtastrichtung des Laserstrahls.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der die genannten Nachteile vermieden werden können und Werkstücke effizient derart bearbeitet werden können, dass ein vorgegebener Spannungszustand innerhalb des Werkstücks erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks wird ein Laserstrahl ausgehend von einer Laserstrahlungsquelle auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet. Ein Brennfleck des Laserstrahls wird entlang einer Achse bewegt und dadurch eine erste Vertiefung in dem Werkstück ausgebildet. Das Werkstück wird in einer Vorschubachsrichtung weiterbewegt und mindestens eine weitere Vertiefung mit dem Laserstrahl ausgebildet. Der Brennfleck des Laserstrahls wird hierbei elliptisch ausgebildet und eine große Halbachse des elliptischen Brennflecks im Wesentlichen senkrecht zu der Vorschubachsrichtung der Bewegung des Werkstücks orientiert. Eine kleine Halbachse des elliptischen Brennflecks wird hingegen senkrecht zu der großen Halbachse orientiert.
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Durch das Einbringen mehrerer Vertiefungen in das Werkstück werden thermische bzw. mechanische Spannungen induziert. Indem diese Vertiefungen durch einen Laserstrahl eingebracht werden, kann das Werkstück schnell und effizient wie gewünscht strukturiert werden. Dadurch, dass entgegen einer konventionellen Laser-Remote-Bearbeitung der Brennfleck nicht möglichst klein gewählt wird, sondern durch seine Ellipsenform in einer Richtung langgezogen wird, ergeben sich neue Einstellmöglichkeiten der Bearbeitung: Die Wahl der großen Halbachse im Wesentlichen senkrecht (was auch als lotrecht oder rechtwinklig bezeichnet wird) zu der Vorschubachsrichtung ermöglicht einerseits die benötigte
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Intensität aufzubringen und andererseits hohe Geschwindigkeiten der Strukturierung zu ermöglichen. Unter „im Wesentlichen senkrecht“ soll hierbei eine Anordnung verstanden werden, bei der die große Halbachse in einem Winkel im Bereich zwischen 80° und 100°, vorzugsweise zwischen 85° und 95°, insbesondere unter einem Winkel von 90° zu der Vorschubachsrichtung orientiert ist. Die kleine Halbachse hingegen dient zur Umsetzung der notwendigen minimalen Intensität beim Materialabtrag und bestimmt maßgeblich eine Breite der ausgebildeten Vertiefung. Es ergibt sich somit eine angepasste Remote-Bearbeitung des Werkstücks mit einem linearen Materialabtrag. Die weitere Vertiefung wird hierbei vorzugsweise parallel zu der ersten Vertiefung verlaufend ausgebildet. Die Vorschubachsrichtung ist bevorzugt in Walzrichtung orientiert. Das zu bearbeitende Werkstück sollte ein metallisches Werkstück sein, vorzugsweise ein ferromagnetisches Werkstück.
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Typischerweise wird die elliptische Form des Brennflecks durch ein im Strahlengang des Laserstrahls angeordnetes optisches Element, wie einen zylindrischen, sphärischen, parabolischen oder torischen Spiegel, einen parabolischen Zylinderspiegel, einen torischen Zylinderspiegel, eine Parabolrinne, eine Zylinderlinse oder ein Anamorphote bzw. Kombinationen der genannten Bauteile ausgebildet. Hierdurch kann die Form des Brennflecks vor dem Auftreffen auf die Oberfläche wie gewünscht eingestellt werden.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Achse, entlang derer der Brennfleck des Laserstrahls bewegt wird, lotsenkrecht zu einer Walzrichtung des Werkstücks verlaufend ausgerichtet wird, um besonders bevorzugte Spannungsverhältnisse innerhalb des Werkstücks zu schaffen.
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Die elliptische Form des Brennflecks wird derart ausgebildet, dass ein Verhältnis einer Länge der großen Halbachse zu einer Länge der kleinen Halbachse zwischen 15 und 90, vorzugsweise zwischen 30 und 80 beträgt, um hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine lineare Exzentrizität, d. h. ein Abstand eines Brennpunkts der Ellipse von einem Mittelpunkt der Ellipse, zwischen 0,24 mm und 0,5 mm betragen.
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Typischerweise weist die kleine Halbachse eine Länge zwischen 5 µm und 30 µm, vorzugsweise zwischen 8 µm und 20 µm auf. Hierdurch wird eine ausreichende Breite der Vertiefung erreicht, die gleichzeitig schnell ausgebildet werden kann. Die Breite der Vertiefung beträgt dementsprechend zwischen 20 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 30 µm und 80 µm.
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Der Laserstrahl kann mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s bis 100 m/s, vorzugsweise 40 m/s bis 90 m/s, besonders bevorzugt mit 45 m/s bis 80 m/s zum Ausbilden der Vertiefung über das Werkstück bewegt werden, was eine ausreichend schnelle Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht.
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Die Länge der kleinen Halbachse sollte derart gewählt werden, dass eine Breite der durch den elliptischen Brennfleck des Laserstrahls ausgebildeten Vertiefung zwischen 20 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 30 µm und 80 µm beträgt.
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Mindestens eine der Vertiefungen wird typischerweise mit einer Tiefe von maximal 40 µm ausgebildet, um einen ausreichend tiefen Einschnitt zu generieren und gleichzeitig eine Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen. Typischerweise liegt eine Tiefe mindestens einer der Vertiefungen in einem Bereich von 5 µm bis 40 µm, vorzugsweise 14 µm bis 30 µm.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei der Weiterbewegung des Werkstücks in der translatorischen Vorschubachsrichtung der Laserstrahl nicht auf das Werkstück auftrifft, beispielsweise indem er geblockt wird oder neben das Werkstück gerichtet ist und anschließend wieder auf das Werkstück zum Ausbilden der weiteren Vertiefung gerichtet wird.
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Die Vertiefungen können mit einem Abstand von 1 mm bis 8 mm, vorzugsweise 2 mm bis 6 mm zueinander ausgebildet werden.
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Das Werkstück ist vorzugsweise ein kornorientiertes Elektroblech bzw. Stahlblech, das beispielsweise für Leistungstransformatoren eingesetzt wird. Typischerweise ist das Werkstück aus einem ferromagnetischen Werkstoff.
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Eine Vorrichtung zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens, die mit anderen Worten also dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen, weist eine Laserstrahlungsquelle zum Emittieren des Laserstrahls mit elliptischem Brennfleck, eine optische Verfahreinheit zum Bewegen des Laserstrahls über das Werkstück und eine Transportvorrichtung zum Bewegen des Werkstücks entlang der Vorschubachsrichtung, wobei die Laserstrahlungsquelle ein im Strahlengang des Laserstrahls angeordnetes optisches Element zur Ausbildung des elliptischen Brennflecks aus mindestens einem zylindrischen, sphärischen, parabolischen oder torischen Spiegel, einem parabolischen Zylinderspiegel, einem torischen Zylinderspiegel, einer Parabolrinne oder einer Kombination dieser Bauteile umfasst.
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Die Laserstrahlungsquelle ist typischerweise als ein Single-Mode-Faserlaser ausgebildet, um eine hohe Brillanz sowie hohe Strahlgüte zu erreichen.
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Der von der Laserstrahlungsquelle emittierte Laserstrahl kann eine Intensität von mindestens 1 ·107 W/cm2 aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Strukturierung eines Werkstücks durch einen Laserstrahl und
- 2 eine Draufsicht auf das Werkstück sowie einen elliptischen Brennfleck des Laserstrahls.
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In 1 ist in einer schematischen Ansicht ein Werkstück 1 dargestellt, das auf einem Band 13 transportiert wird und hierbei durch einen Laserstrahl 2 strukturiert wird.
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Der Laserstrahl 2 wird von einer Laserstrahlungsquelle 3 emittiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Laserstrahlungsquelle 3 ein Single-Mode-Faserlaser zum Remote-Laserstrahlschneiden metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe oder Laserstrahlschweißen. Der Laserstrahl 2 trifft ausgehend von der Laserstrahlungsquelle 3 auf einen rotierbaren Spiegel 12, der als optisches Element im Strahlengang des Laserstrahls 2 diesen in Richtung des Werkstücks 1 leitet. Da der Spiegel 12 rotierbar ist, kann der Laserstrahl 2 linienförmig über das Werkstück 1 gefahren werden und das Werkstück 1 hierdurch strukturieren. Zwischen dem Spiegel 12 und dem Werkstück 1 ist im Strahlengang des Laserstrahls 2 noch eine Linse 11 vorgesehen, durch die eine Fokussierung des Laserstrahls 2 auf eine Oberfläche des Werkstücks 1 erfolgt. In weiteren Ausführungsformen kann das beschriebene System aber auch nur aus Spiegeln bestehen und auf den Einsatz von Linsen entsprechend verzichtet werden.
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Die Laserstrahlungsquelle 3, der rotierbare Spiegel 12 und die Linse 11 sind typischerweise innerhalb eines einzigen Gehäuses angeordnet, um eine kompakte Vorrichtung zu erhalten. Außerdem ist es auch möglich, eine zweite Laserstrahlungsquelle mit einem zweiten Strahlengang samt optischen Elementen zur Strahlumlenkung bzw. -formung in diesem Gehäuse vorzusehen, um parallel mehrere Strukturierungen einbringen zu können.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein Brennfleck 4 des Laserstrahls 2 eine elliptische Form auf, die durch die Linse 11 ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsformen kann die Laserstrahlungsquelle 3 jedoch auch einen Laserstrahl 2 mit runden Brennfleck 4 emittieren, der erst durch ein oder mehrere im Strahlengang des Laserstrahls 2 angeordnete weitere optische Elemente in eine elliptische Form gebracht wird. Dies kann beispielsweise über einen Toroidspiegel erfolgen.
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Das Werkstück 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem metallischen und ferromagnetischen Werkstoff, der für einen elektrischen Transformator verwendet werden soll. Der Brennfleck 4 des Laserstrahls 2 wird mittels des rotierbaren Spiegels 12 über die Oberfläche des Werkstücks 1 bewegt. Dies erfolgt entlang einer lotsenkrecht zu einer Walzrichtung des Werkstücks 1 verlaufenden Achse mit einer Geschwindigkeit von 60 m/s, in vorteilhafter Weise beträgt die Geschwindigkeit mehr als 45 m/s. Der Laserstrahl 2 weist hierbei eine Intensität von mehr als 1·107 W/cm2 auf. Dadurch wird eine erste Vertiefung 5 in dem metallischen Werkstück 1 ausgebildet, die eine Tiefe von 25 µm und eine Breite von 70 µm aufweist.
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Das Werkstück 1 wird nach dem Ausbilden der ersten Vertiefung 5 entlang einer Vorschubachsrichtung 8 auf dem Band 13 mit linearem Vorschub bewegt und durch den Laserstrahl 2 mit dem elliptischen Brennfleck 4 eine weitere, zweite Vertiefung 6 in das Werkstück 1 eingebracht, die parallel zu der ersten Vertiefung 5 verläuft und senkrecht zu der Vorschubachsrichtung 8 ausgerichtet ist. Bei einer Bearbeitung im industriellen Maßstab wird vorzugsweise auf das Band 13 verzichtet und das Werkstück 1 als bandförmiges Elektroblech an der Laserstrahlungsquelle 3 vorbeigeführt und hierbei strukturiert. Die erste Vertiefung 5 und die zweite Vertiefung 6 können hierbei gleiche Abmessungen haben, es kann aber auch zumindest die Breite und bzw. oder die Tiefe verschieden sein. Während des Bewegens des Werkstücks 1 entlang der Vorschubachsrichtung 8 trifft der Laserstrahl 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht auf das Werkstück 1, sondern wird beispielsweise entsprechend moduliert oder durch eine Blende geblockt. Anschließend wird eine dritte Vertiefung 7 durch den Laserstrahl 2 in dem Werkstück 1 ausgebildet, die ebenfalls parallel zu der ersten Vertiefung 5 und der zweiten Vertiefung 6 verläuft. Die Intensität des Laserstrahls 2 kann auch für jede der Vertiefungen 5, 6, 7 unterschiedlich gewählt werden, es können aber auch alle der Vertiefungen 5, 6, 7 mit der gleichen Intensität hergestellt werden. In weiteren Ausführungsbeispielen können mit entsprechend gestalteten Systemen und drehbaren optischen Elementen aber auch beliebige Konturen der Vertiefungen 5, 6, 7 erzeugt werden, z. B. sternförmig.
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Durch das Einbringen der Vertiefungen 5, 6, 7, die auch als Gräben bezeichnet werden, kann eine wärmebeständige Optimierung im Bereich von ca. 8 Prozent durchgeführt werden. Eine resultierende Tiefe der Vertiefungen 5, 6, 7 liegt im Bereich zwischen 5 µm und 40 um.
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Die Vertiefungen 5, 6, 7 werden hierbei weitestgehend durch eine Sublimation des Werkstoffs des Werkstücks 1 erzielt, d. h. ein Großteil wird verdampft. Insbesondere ist es nicht notwendig, einen schmelzflüssigen Anteil in der sich ausbildenden Vertiefung 5, 6, 7 zu erzeugen.
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In 2 ist ein Ausschnitt des Werkstücks 1 in einer Draufsicht abgebildet. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen wie zuvor versehen. Der Brennfleck 4 des Laserstrahls 2 erzeugt die Vertiefung 7, indem der Laserstrahl 2 im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zu der Vorschubachsrichtung 8 über das Werkstück 1 bewegt wird. Eine große Halbachse 9 des elliptischen Strahlflecks 4 ist senkrecht zu der Vorschubachsrichtung 8 orientiert, während eine auf der großen Halbachse 9 senkrecht stehende kleine Halbachse 10 auch parallel zu der Vorschubachsrichtung 8 ausgerichtet ist. Die Länge der kleinen Halbachse 10, die im dargestellten Ausführungsbeispiel typischerweise zwischen 10 µm und 50 µm liegt, definiert hierbei die Breite der Vertiefung 7. Eine Länge der großen Halbachse 9 beträgt mindestens ein fünfzehnfaches der Länge der kleinen Halbachse 10. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge der kleinen Halbachse 10 10 µm, während die große Halbachse 9 300 µm lang ist.
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Der elliptische Brennfleck 4 bzw. eine elliptische Spotgeometrie kann dazu verwendet werden, Prozessparameter und wirtschaftliche Anforderungen optimal umzusetzen. Die große Halbachse 9 und die kleine Halbachse 10 können unabhängige voneinander in ihrer Länge beeinflusst werden. Die große Halbachse 9 wird hierbei so abgestimmt, dass Prozessstabilität und Produktivität optimiert sind. Unter dem Begriff „Prozessstabilität“ soll hierbei verstanden werden, dass eine minimale Intensität bereitgestellt wird durch Wahl entsprechender Längen der großen Halbachse 9 und der kleinen Halbachse 10 in Kombination mit der Leistung der Laserstrahlungsquelle 3 sowie der notwendigen Tiefenschärfe bzw. Rayleighlänge. Zusätzlich kann durch die Wahl der Länge der großen Halbachse 9 eine Wechselwirkungszeit in Kombination mit der Geschwindigkeit des Brennflecks 4 optimiert werden.
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Ein durch die kleine Halbachse 10 sich ausbildender hoher Gradient der Intensitätsverteilung führt zu sehr steilen Kanten der Vertiefungen 5, 6, 7. Mit dem beschriebenen Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung können sowohl thermisch induzierte Spannungen erzeugt als auch eine wärmefeste Laserbehandlung von kornorientierten Elektroblechen durchgeführt werden. Hierzu erfolgt ein kontaktloser Abtrag von Werkstoff ohne weitere Hilfsmittel wie beispielsweise Schneidgasdüsen.
