DE3007169C2 - Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen in Metallteilen mit Hilfe eines Leistungs-Lasers - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen in Metallteilen mit Hilfe eines Leistungs-Lasers

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen mit Hilfe eines Leistungs-Lasers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus der US-PS 35 27 198 bekannt ist.
Unter dem Ausdruck »Mikrobohrung« versteht man die Bildung von Löchern mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter. Ein Beispiel für Bohrungen, die mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellt werden sollen, sind die Kraftstoffauslaßöffnungen von Einspritzdüsen für Verbrennungskraftmaschinen. Derartige Bohrungen haben einen Durchmesser, der zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt.
Bei der Herstellung von Mikrobohrungen in Metallteilen mit Hilfe von Leistungs-Lasern wird ein Laserstrahl an der Stelle fokussiert, an der das Bohrloch entstehen soll; anschließend wird der Laser aktiviert und erzeugt Laser-Strahlungsimpulse. Die Strahlungsenergie des Lasers verursacht ein Schmelzen und Verdampfen des Metalls, so daß letzteres sowohl in den dampfförmigen als auch in den flüssigen Aggregatzustand gelangt. Das gewünschte Loch wird mithin durch Materialabtrag in den beiden genannten Aggregatzuständen hergestellt.
Solange die herzustellende bohrung noch nicht durchgehend ist, erfolgt die Entfernung des flüssigen Materials durch Zuführung eines Schutzgases, beispiels- > weise von Helium, in das Bohrloch. Ein derartiges Schutzgas wird bei Laserverfahren üblicherweise dazu verwendet, um die Absorption (»blanketing«-fcffekt) der Laserstrahlung durch das sich zwischen dem Werkstück und der Strahlung infolge der Verdampfung des
ι» Materials ausbildende sogenannte Plasmakissen zu verringern.
Falls die Leistungsdichte des Laserstrahles sehr hoch ist, kann das sich im flüssigen Aggregatzustand befindende Material durch Ausnutzung einer als
ii »Laser-Detonation« (L.S.D.) bezeichneten Erscheinung entfernt werden, die bei jedem Laser-Impuls zu einer Druckwelle führt, welche sich aus der zu bildenden Bohrung mit hoher Überschallgeschwindigkeit ausbreitet. Diese Druckwelle entfernt flüssiges Material sowie gegebenenfalls vorhandene feste Produkte, beispielsweise Oxyde und Nitride. Gleichzeitig verbessert und glättet diese Druckwelle die Wandungen der Bohrung. Es ist mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen mit Hilfe von Leisiungs-Lasern
-'"> jedoch nicht möglich, Löcher mit einer Oberflächenbeschaffenheit und einer Genauigkeit in den Abmessungen zu erhalten, wie sie für bestimmte Anwendungsfälie erforderlich sind. Derartige Anwendungsfälle sind beispielsweise die erwähnten Kraftstoffauslaßöffnun-
)« gen von Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, bei denen ein besonders hoher Feinheitsgrad erforderlich ist, um beim bestimmungsgemäßen Gebrauch sogenannte Kavitationserscheinungen zu vermeiden.
Die unzureichende Bearbeitungsfeinheit von Bohrun-
i> gen, die mit Hilfe bekannter Laser-Bearbeitungsvcrfahren herstellbar sind, ist darauf zurückzuführen, daß die Umwandlung des Materials des Werkstückes aus dem festen Aggregatzustand in und flüssigen und/oder den dampfförmigen Aggregatzustand sehr schnell stattfin-
•t'i det, so daß keine ausreichende Zeit zur Verfügung steht, um Wärme in den Körper des Werkstückes /u übertrugen. In der Praxis ist nur ein sehr schmaler Dickenbereich des Materials des Werkstückes in der Umgebung der sich bildenden Bohrung von dem
4"> Laser-Bohrverfahren betroffen. Die Stärke dieses Bereiches liegt in der Größenordnung von '/ihm mm. Infolgedessen findet nach einem Impuls der Laserstrahlung eine sehr rasche Abkühlung statt, wobei der von dem teilweise fertiggestellten Loch gebildete Hohlraum
>» als Wärmesenke wirkt.
Durch diesen Abkühlungseffekt verfestigt sich das im flüssigen Aggregatzustand befindliche Material unverzüglich wegen des Kontaktes mit der Wandung der Bohrung und haftet an dieser Wandung, wobei sich
« Oberflächenunregelmäßigkeiten bilden. Gleichzeitig entstehen durch Kondensation der dampfförmigen Materialteile weitere flüssige Materialteile, die infolge der raschen Abkühlung nicht genug Zeit finden, um sich über die Wandungen der Bohrung auszubreiten.
μ Um die Qualität der Bohrlöcher zu verbessern, wurde bereits vorgeschlagen, das Werkstück oder den Laserstrahl um die Strahlenachse rotieren zu lassen. Es ist jedoch auch mit diesem Verfahren nicht gelungen, Bohrungen herzustellen, die eine für bestimmte
hr> Anwendungsfälle, beispielsweise für die erwähnten Einspritzdüsen, ausreichende Güte besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen mit
Hilfe von Leistungs-Lasern der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es die Bildung von Löchern mit einem verbesserten Oberflächen-Feinheitsgrad und höherer Abmessungsgenauigkeit ermöglicht, wie sie bisher nur durch konventionelle ohne Laseranwendung arbeitende und extrem kostenaufwendige Verfahrenstechniken erreichbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Merkmalen gelöst.
Dieses Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen mit Hilfe eines Leistungs-Lasers ermöglichen es. Bohrungen mit einer Oberflächenbeschaffenheit und einer Dimensionsgenauigkeit herzustellen, die wesentlich besser sind als diejenigen, die sich mit entsprechenden bekannten Laserverfahren herstellen lassen. Außerdem lassen sich bei den Verfahren gemäß der Erfindung die Leistungspegel des Laserstrahles und die Impulsformen in weitem Bereich frei wählen, wobei die Wahl dieser Parameter für spezielle Anwendungsfälle weniger kriiisch ist. Infolgedessen können weniger leistungsstarke Laser verwendet werden, die sich leichter und besser steuern lassen.
Es ist zwar an sich bereits bekannt (US-PS 35 27 198 und 33 83 491), dem Werkstück bei der Bearbeitung mittels eines Laserstrahles durch eine weitere Wärmequelle extern Wärme zuzuführen. Im Falle der US-PS 35 27 198, die ein Verfahren zur Bearbeitung von Diamanten betrifft, dient diese externe Erwärmung dazu, eine bei der Bearbeitung auftretende Schwärzung des Diamanten, welche durch Graphitbildung entsteht, zu verringern. Bei dem in der US-PS 33 83 491 beschriebenen Verfahren befindet sich das Werkstück auf einer heizbaren Platte. Durch die Vorerwärmung des Werkstückes durch diese Platte soll ein übermäßiger Wärmeabfluß bei der Laserbearbeitung vermieden werden.
Eine Erwärmung des Werkstückes durch eine zusätzliche Wärmequelle in der Weise, daß der sich unmittelbar durch die Wirkung des Laserstrahles ergebende und der sich durch Kondensation aus dem gasförmigen Aggregatzustand ergebende flüssige Aggregatzustand an der Wandung der durch den Laserstrahl geschaffenen Bohrung so lange aufrechterhalten werden, daß sich die flüssigen Aggregatzustände gleichförmig über die Wandung ausbreiten, um auf diese Weise den angestrebten verbesserten Oberflächen-Feinheitsgrad und die gewünschte Abmessungsgenauigkeit zu erreichen, ist in den genannten Patentdokumenten weder beschrieben noch auf irgendeine Weise angeregt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Auf sie wird hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels einer dazu verwendbaren Vorrichtung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, die sich für die Herstellung von Bohrungen in plattenförmigen Körpern eignet,
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von Bohrungen für Kraftstoff-Auslaß-Öffnungen von Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen,
Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt längs der Linie III-III von Fig. 2.
■Γ)
Die in f- i g. 1 darges.eilte Vorrichtung umfaßt einen Laser-Generator 2. Dieser ist .so ungeordnet, daß der von ihm erzeugte Impuls-Laserstrahl 3 sich zur Bildung einer Bohrung 4 auf einem (plattenförmigen) metallischen Werkstück 1 fokussieren läßt.
Eine Düse 5 dient /ur Zuführung eines Schutzgases, beispielsweise von Helium, in den Bereich der Bearbeitungszone.
An zwei einander gegenüberliegenden Kanten des Werkstückes 1 sind zwei Klemmen 6 und 7 aus elektrisch leitfähigem Material befestigt. Sie stehen über einer Leitung 8 mit einer Spannungsquelle 9 in Verbindung. Der entsprechende Stromkreis dient zur Widerstandsheizung des Werkstückes 1.
Diese Heizung ist so gesteuert, daß das Werkstück 1 auf eine Temperatur gebracht wird, die hinreichend groß ist, daß diejenigen Materialieile in der Bohrung 4, die direkt oder indirekt durch die Einwirkung des Laserstrahles 3 in den flüssigen Aggregatzustand gebracht iind, genügend lange in diesem Zustand verbleiben, um sich — wie ein Film — gleichförmig über die Wandunger der Bohrung 4 auszubreiten. Diese Ausbreitung des im flüssigen Aggregatzustand befit.dlichen Metalls erfolgt aufgrund von Druckimpulsen, die von jedem Laserstrahl-Impuls erzeugt werden und werden nötigenfalls durch eine Schutzgasströmung unterstützt, die der Bearbeitungszone zugeführt wird.
Die Widerstandshe.zung des Werkstückes 1 verhindert, daß die Wandung der Bohrung 4 als Wärmesenke wirkt und verhindert damit gleichzeitig, daß die im flüssigen Aggregatzustand befindlichen Metallteile sich verfestigen und an der Wandung der Bohrung 4 in unregelmäßiger Weise anhaften. Ein solches unregelmäßiges Anhaften findet andernfalls (d.h. ohne Wärmung des Werkstückes) infolge der sehr raschen Abkühlung nach der Beendigung jedes Laserstrahl-Impulses unvermeidlich statt.
Das Werkstück 1 und der Laserstrahl 3 sind relativ zueinander um die Achse des Laserstrahles 3 rolierbar. Dadurch wird die Gleichförmigkeit der Oberfläche der Wandung der Bohrung 4 weiter verbessert. Die Rotation kompensiert irgendwelche Unregelmäßigkeiten des Laserstrahles und erleichtert die Ausbreitung der in flüssigem Aggregatzustand befindlichen Materialteile über die Wandung der Bohrung 4 infolge der Zentrifugalkräfte.
Mit 10 ist ein mit neutralem Gas arbeitender Plasmabrenner bezeichnet, der in Achsenrichtung des Laserstrahles 3 auf diejenige Oberfläche des Werkstükkcs 1 gerichtet ist, die der von dem Laserstrahl 3 bearbeiteten Oberfläche gegenüberliegt.
Der Brenner 10 trägt zur Erwärmung des Werkstükkes 1 bei. Außerdem erfüllt er jedoch noch andere weiter unten beschriebene Funktionen:
Nach der Herstellung der Mikrobohrung bewirkt der Brenner 10 eine weitere Erhitzung der Wandungen der Bohrung 4 und damit eine »Flammenpolierung« bzw. eine weitere Ausbreitung der in flüssigem Aggregatzustand befindlichen Materialteüe. Damit wird die Bildung von Mikrorissen vermieden, die bei schneller Abkühlung entstehen könnten.
Der Strahl des Plasmabrenners dient ferner dazu, aus d<r Bohrung 4 feste Teilchen, beispielsweise Metalloxyde oder Nitride auszuwerfen, die in der hochaktiven Umgebung entstehen, welche durch die gleichzeitige Anwesenheit des Laserstrahles und der überhitzten Metalldämpfe erzeugt wird. Durch den Strahl des Plasmabrenners wird außerdem eine Verunreinigung
durch die Umgcbungslufl vermieden, die durch unvollständige Abschirmung durch die Sehutzgasströmung entstehen könnte.
Obwohl F:ig. I die Verbindung des Plasmabrenners 10 zusammen mit der Vorrichtung zur Widerstandshei- ■·, zung darstellt, ist es auch möglich, den Plasmabrenner 10 als einzige Wärmequelle zur Aufhetzung des Werkstückes 1 zu verwenden.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung beinhaltet einen Laser-Generator 22 zur Herstellung m von Bohrungen indem Düsenkopf 11a eine F.inspritzdüse 11 für mit Kraftstoffeinspritzung arbeitende Verbrennungsmotoren. Die Bohrstellc ist mit 44 bezeichnet.
Zur Erwärmung des Düsenkopfes 11a dient ein glockenförmiges Metallteil 12, das über den Düsenkopf r, lla gelegt ist. Dieses glockenförmige Element 12 besitzt Öffnungen 12a für den Durchtritt des Laserstrahles 3. Es ist von einer Wicklung 13 umgeben, die über eine Leitung 14 mit einer Wcchsclstromquclle 15 von vorzugsweise hoher Erequenz verbunden ist.
Bei der Erregung der Wicklung 13 mit Wechselstrom fließen induzierte Ströme durch den Düsenkopf lla. da dieser sich in dem magnetischen Polstück befindet, das von dem glockenförmigen Element 12 gebildet wird. Diese induzierten Ströme erhitzen den Düsenkopf lla hinreichend stark, so daß sich die flüssigen Metallteile während des Lascr-Bcarbeitungsvorganges ausbreiten können. Das glockenförmige Element 12 besitzt einen Schenkel 16, der an einer Halterung 17 befestigt ist. Letztere trägt auch die Einspritzdüse 11. Die Halterung 17 besitzt eine Welle 18, mittels derer sie um die Achse des Laserstrahles 3 rotierbar ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen mit Hilfe eines Leistungs-Lasers, bei dem während der Bearbeitung durch die Einwirkung des Laserstrahles festes Werkstückmaterial in flüssigen und dampfförmigen Aggregatzustand umgewandelt wird und bei dem das Werkstück während der Bearbeitung durch eine zusätzliche Wärmequelle aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Metall bestehende Werkstück (1, 11) durch die zusätzliche Wärmequelle (IC, 13) auf eine so hohe Temperatur erwärmt wird, daß sowohl der unmittelbar durch die Wirkung des Laserstrahles (3) bewirkte als auch der sich durch Kondensation aus dem gasförmigen Aggregatzustand ergebende flüssige Aggregatzustand an der Wandung der Bohrung (4,44) während einer hinreichend langen Zeitspanne aufrechterhalten werden, um eine gleichförmige Ausbreitung dieser flüssigen Aggregatzustände über die Wandung der Bohrung (4,44) zu ermöglichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) durch elektromagnetische Induktion erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) durch elektrische Widerstandsheizung erwärmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mittels eines mit neutralem Gas arbeitenden Plasmabrenners (10) erwärmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Achsenrichtung des Laserstrahles (3) ein Plasmastrahl eines neutralen Gases auf diejenige Oberfläche des Werkstückes (1) gerichtet wird, die der dem Laserstrahl (3) ausgesetzten Oberfläche gegenüberliegt, derart, daß in einer durch die Wirkung des Laserstrahles (3) in dem Werkstück (1) erzeugten durchgehenden Bohrung (4) eine weitere Erwärmung stattfindet, durch die sich der Nüssige Aggregatzustand über die Wandung der Bohrung (4) weiter ausbreitet.
DE3007169A 1979-03-05 1980-02-26 Verfahren zur Herstellung von Mikrobohrungen in Metallteilen mit Hilfe eines Leistungs-Lasers Expired DE3007169C2 (de)

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