DE112008002188T5

DE112008002188T5 - Laserbearbeitungsverfahren mit Verwendung eines variablen Neigungswinkels

Info

Publication number: DE112008002188T5
Application number: DE112008002188T
Authority: DE
Inventors: Chunfu Cliff Peoria Huang; Zhaoli Dunlap Hu
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-09-09
Also published as: US20090057282A1; WO2009023280A3; CN101778693B; WO2009023280A2; CN101778693A

Abstract

Verfahren zur Laserbearbeitung, welches Folgendes aufweist:
Leiten eines Laserstrahls (14), der von einer optischen Vorrichtung (12) ausgesendet wird, in einem ersten Neigungswinkel (θ) auf ein Werkstück (11), um einen Schnitt (10) im Werkstück zu erzeugen; und
Variieren des Neigungswinkels des Laserstrahls.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Laserbearbeitungsverfahren und insbesondere auf ein Verfahren zur Laserbearbeitung mit Verwendung eines variablen Neigungswinkels.
Hintergrund
Wenn ein Laserbearbeitungsvorgang ausgeführt wird, bewirkt ein Bediener typischerweise, dass sich ein Laser um eine Mittelachse einer Fokussierungslinse dreht, um die Kanten des erwünschten Loches zu definieren. Um eine Verjüngung an den Seiten des lasergebohrten Loches zu erzeugen, läuft der Laserstrahl nicht direkt durch die Mitte der Fokussierungslinse. Stattdessen tritt der Laserstrahl in die Linse parallel jedoch nicht kollinear zur Mittelachse der Linse ein. Die Linse beugt den Laserstrahl, was bewirkt, dass der Strahl das Werkstück in einem Winkel relativ zur Mittelachse der Linse erreicht. Dieser Winkel, als Neigungswinkel bekannt, hängt von der Linsengeometrie und der Distanz zwischen dem Laserstrahl und der Mittelachse der Linse ab. Das Variieren der Distanz zwischen dem Laserstrahl und der Mittelachse wird den Neigungswinkel verändern. Während der herkömmlichen Laserbearbeitung bleibt der Laserstrahl jedoch in einer konstanten Entfernung von der Mittelachse, was einen konstanten Neigungswinkel zur Folge hat.
Herkömmliche Laserbearbeitungstechniken, die einen konstanten Neigungswinkel aufrecht erhalten, haben oft unerwünschte Fehler beim Werkstück zur Folge. Aufgrund des Neigungswinkels können beispielsweise Unterschnitte in der Wand des Loches geformt werden. Diese Unterschnitte können einen unstetigen Fluss zur Folge haben, wenn das Loch als Strömungsmitteldurchlass wirken soll. Ein weiteres Problem, welches bei üblichen Laserbearbeitungstechniken angetroffen wird, ist die Bildung von Materialwolken, wenn der Laser durch das Werkstück schnei det. Diese Wolken verringern die Laserleistungsintensität und bewirken eine Plasmaabtragung, was eine unerwünschte Wärmeansammlung und Schmelzen von Material zur Folge hat, was wiederum die Materialoberflächeneigenschaften beeinflusst, die Präzision der Lochdurchmesser verringert und die Ermüdungslebensdauer verringert.
Ein Verfahren zur Verringerung der Anzahl von Defekten bei einem laserbearbeiteten Werkstück wird im US-Patent 6 070 813 (dem '813-Patent ) beschrieben, welches an Durheim erteilt wurde. Insbesondere offenbart das '813-Patent ein Verfahren zum Formen einer Düse. Das Verfahren weist auf, einen Laserstrahl zu fokussieren, so dass sein Brennpunkt für eine erste Zeitperiode auf einer Außenfläche eines Spitzenteils der Düse angeordnet ist. Während der ersten Zeitperiode wird ein Durchlassweg erzeugt und Produktabfall wird am Umfang des Durchlassweges abgelagert. Das Verfahren weist weiter den Schritt auf, den Laserstrahl neu zu fokussieren, so dass sein Brennpunkt für eine zweite Zeitperiode über der Außenfläche des Spitzenteils der Düse gelegen ist. Während der zweiten Zeitperiode löst der Laser den Produktabfall auf.
Obwohl das Verfahren der Laserbearbeitung, welches in dem '813-Patent offenbart wird, Fehler bei einer Düse verringern kann, die von Produktabfall herrühren, ist das Verfahren eventuell nicht gut für alle Anwendungen geeignet. Insbesondere kann das Verfahren des '813-Patentes nicht die Bildung von Unterschnitten in der Lochwand oder Materialwolken verringern.
Das offenbarte Laserbearbeitungsverfahren ist darauf gerichtet, einen oder mehrere der oben dargestellten Nachteile zu überwinden.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Laserbearbeitung gerichtet. Das Verfahren kann aufweisen, einen Laserstrahl, der von einer optischen Vorrichtung ausgestrahlt wurde, in einem Neigungswinkel auf ein Werkstück zu leiten, um einen Schnitt im Werkstück zu erzeugen und den Neigungswinkel des Laserstrahls zu variieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein anderes Verfahren zur Laserbearbeitung gerichtet. Das Verfahren kann aufweisen, einen Laserstrahl in einem Neigungswinkel auf ein Werkstück zu richten, eine Plasmaabtragung beim Werkstück einzuleiten und die Bildung von geschmolzenem Material am Werkstück einzuleiten. Das Verfahren kann weiter aufweisen, den Neigungswinkel zu variieren, um eine Menge einer Materialwolke zu verringern, die durch das geschmolzene Material gebildet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Formen eines verjüngten Lochs gerichtet. Das Verfahren kann aufweisen, ein Vorloch in einem Werkstück zu formen, einen Laserstrahl in einem Neigungswinkel auf das Werkstück zu leiten, um einen Schnitt im Werkstück zu erzeugen und den Neigungswinkel des Laserstrahls zu variieren, während fortgefahren wird, den Schnitt im Werkstück zu erzeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine bildliche Darstellung des offenbarten Laserbearbeitungsverfahrens.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zur Laserbearbeitung eines verjüngten Lochs 10 in einem Werkstück 11. Das Verfahren kann die Verwendung einer optischen Vorrichtung 12 aufweisen, die einen Laser und eine Linse aufweisen kann (nicht gezeigt). Die optische Vorrichtung kann einen Laserstrahl 14 erzeugen, der auf das Werkstück 11 gerichtet wird.
Vor der Laserbearbeitung eines verjüngten Lochs 10 kann ein Vorloch 18 im Werkstück 11 geformt werden. Das Vorloch 18 kann innerhalb der Grenzen des erwünschten verjüngten Lochs 10 geformt werden. Beispielsweise kann der Durchmesser des Vorlochs 18 ungefähr 10% des Durchmessers des erwünschten verjüngten Lochs 10 sein. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Durchmesser des Vorlochs 18 basierend auf der erwünschten Tiefe des verjüngten Lochs 10 bestimmt werden kann.
Um das verjüngte Loch 10 in dem Werkstück 11 zu erzeugen, kann der Laserstrahl 14 auf das Werkstück 11 in einer Richtung geleitet werden, die nicht kollinear mit einer Mittelachse 20 der optischen Vorrichtung 12 ist. Die optische Vorrichtung 12 kann den Laserstrahl 14 beugen, was bewirkt, dass der Laserstrahl 14 das Werkstück 11 in einem Winkel θ relativ zur Mittelachse 20 und zum Werkstück 11 erreicht. Dieser Winkel ist als Neigungswinkel bekannt. Der Neigungswinkel kann eine Funktion der Geometrie der Linse sein, die in der optischen Vorrichtung 12 enthalten ist. Die optische Vorrichtung 12 kann den Neigungswinkel θ des ausgesandten Strahls variieren. Beispielsweise zeigt 1 Strahlen 14a und 14b, die jeweils in zwei unterschiedlichen Neigungswinkeln θ₁ und θ₂ geleitet werden, wobei gilt θ₂ > θ₁. Der Strahl 14 kann um die Mittelachse 20 gedreht werden, wie durch den Pfeil 22 gezeigt.
Industrielle Anwendbarkeit
Das offenbarte Verfahren zur Laserbearbeitung, welches einen variablen Neigungswinkel verwendet, kann auf eine große Vielzahl von Komponenten anwendbar sein, die beispielsweise Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüsen mit einbeziehen. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass das offenbarte Verfahren auch auf die Laserbearbeitung von anderen Merkmalen als verjüngten Löchern angewendet werden kann, beispielsweise auf gerade Schnitte entlang einer Werkstückkante. Ein beispielhaftes Verfahren zur Laserbearbeitung unter Verwendung eines variablen Neigungswinkels wird nun im Detail beschrieben.
Mit Bezug auf 1 kann ein Vorloch 18 in das Werkstück 11 entlang der Achse eines erwünschten verjüngten Lochs 10 gebohrt werden. Der Durchmesser des Lochs 18 kann abhängig von der Tiefe und vom Durchmesser des erwünschten verjüngten Lochs 10 sein. Beispielsweise kann der Durchmesser des Vorlochs 18 ungefähr zehn Prozent des erwünschten Enddurchmessers des erwünschten Lochs 10 sein. Das Vorloch 18 kann durch Laserbohren oder durch andere Bohrmittel geformt werden.
Die optische Vorrichtung 12 kann einen Strahl 14 auf das Werkstück 11 mit einem Neigungswinkel θ₁ leiten. Die optische Vorrichtung 12 kann den Strahl 14 um die Achse 20 drehen, wie vom Pfeil 22 gezeigt. Der sich drehende Strahl 14 kann eine Plasmaablation bzw. Plasmaabtragung hervorrufen, was ein Loch im Werkstück 11 zur Folge hat. Der Strahl 14 kann auch die Bildung von Materialwolken mit sich bringen, die durch das geschmolzene Material des Werkstücks 11 gebildet werden. Dieses Material kann durch das Vorloch 18 fließen.
Wenn die Tiefe des durch den Strahl 14 geformten Loches zunimmt, kann es wünschenswert sein, den Neigungswinkel des durch die optische Vorrichtung 12 ausgesendeten Strahls zu verändern, um die Bildung von Unterschnitten in der Seitenwand des verjüngten Lochs zu vermeiden. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung 12 gesteuert werden, um einen Strahl 14 mit einem Neigungswinkel θ₂ zu leiten, wobei der Neigungswinkel θ₂ größer als der Neigungswinkel θ₁ ist.
Die Bestimmung der Art und Weise, in der der Neigungswinkel θ variieren kann, erfordert einen iterativen Prozess und kann abhängig von der Geometrie und den Materialeigenschaften des Werkstücks 11, abhängig von der Konfiguration der optischen Vorrichtung 12, abhängig von der Position der optischen Vorrichtung 12 relativ zum Werkstück 11 und abhängig von der erwünschten Geometrie des verjüngten Lochs 10 sein. Es wird in Betracht gezogen, dass Löcher mit einer variierenden Verjüngung durch Variieren des Neigungswinkels θ erreicht werden können, und dass das Variieren des Neigungswinkels θ sowohl das Vergrößern als auch das Verringern von θ aufweisen kann. Sobald der optimale Satz von Variationen des Neigungswinkels für eine spezielle Konfiguration bestimmt worden ist, kann der gleiche Satz von Variationen des Neigungswinkels auf ähnliche Werkstücke angewendet werden. Beispielsweise können alle Werkstücke, die in einer Montagelinie laserbearbeitet werden, einen Standardsatz von Variationen des Einstellwinkels erfordern.
Das offenbarte Verfahren kann laserbearbeitete Merkmale mit gesteigerter Präzision der Abmessung und ohne unerwünschte Unterschnitte zur Folge haben. Weiterhin kann das Vorloch des offenbarten Verfahrens ermöglichen, dass Plasma und andere unerwünschte Materialwolkenansammlungen entweichen, ohne die Geometrie des verjüngten Lochs zu beeinträchtigen und unerwünschte Veränderungen der Materialeigenschaften der Werkstückoberfläche mit sich zu bringen.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Verfahren zur Laserbearbeitung unter Verwendung eines variablen Neigungswinkels vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des offenbarten Verfahrens offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
Zusammenfassung
LASERBEARBEITUNGSVERFAHREN MIT VERWENDUNG EINES VARIABLEN NEIGUNGSWINKELS
Ein Verfahren zur Laserbearbeitung wird offenbart. Das Verfahren zur Laserbearbeitung kann aufweisen, einen von einer optischen Vorrichtung ausgesendeten Laserstrahl in einem ersten Neigungswinkel auf ein Werkstück zu leiten, um einen Schnitt im Werkstück zu erzeugen, und den Neigungswinkel des Laserstrahls zu variieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6070813 [0004, 0004, 0004, 0005, 0005]

Claims

Verfahren zur Laserbearbeitung, welches Folgendes aufweist: Leiten eines Laserstrahls (14), der von einer optischen Vorrichtung (12) ausgesendet wird, in einem ersten Neigungswinkel (θ) auf ein Werkstück (11), um einen Schnitt (10) im Werkstück zu erzeugen; und Variieren des Neigungswinkels des Laserstrahls.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter aufweist, den Laserstrahl um eine Mittelachse (20) der optischen Vorrichtung zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Leiten des Laserstrahls aufweist, den Laserstrahl durch die optische Vorrichtung mit einer Winkelversetzung von einer Mittelachse der optischen Vorrichtung zu leiten, und wobei das Variieren des Neigungswinkels des Laserstrahls aufweist, den Winkel des Laserstrahls zur Mittelachse der optischen Vorrichtung zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Variieren des Neigungswinkels aufweist, den Neigungswinkel zu vergrößern, wenn die Tiefe des Schnittes zunimmt, und wobei das Variieren des Neigungswinkels auf einer Geometrie des Werkstückes und/oder einer Materialeigenschaft des Werkstückes und/oder einer Konfiguration der optischen Vorrichtung und/oder einer Position der optischen Vorrichtung relativ zum Werkstück und/oder einer erwünschten Geometrie des Schnittes im Werkstück basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter aufweist, ein Vorloch (20) im Werkstück zu formen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Leiten des Laserstrahls auf das Werkstück aufweist, zu bewirken, dass zumindest ein Teil des Werkstücks geschmolzenes Material bildet und wobei das Verfahren weiter aufweist, zu gestatten, dass das geschmolzene Material durch das Vorloch fließt.
Verfahren zur Laserbearbeitung, welches Folgendes aufweist: Leiten eines Laserstrahls (14) in einem ersten Neigungswinkel (θ) auf ein Werkstück (11); Einleiten einer Plasmaabtragung am Werkstück; Einleiten der Bildung von geschmolzenem Material am Werkstück; und Variieren des Neigungswinkels, um ein Ausmaß einer Materialwolke zu verringern, die durch das geschmolzene Material gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter aufweist, ein Vorloch (18) zu bohren und zu gestatten, dass das geschmolzene Material durch das Vorloch fließt.
Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter aufweist, den Laserstrahl zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter aufweist, den Laserstrahl zu drehen, und wobei das Variieren des Neigungswinkels aufweist, den Neigungswinkel zu vergrößern, wenn eine Schnitttiefe im Werkstück zunimmt.