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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Markierung der Oberfläche einer Walzwerkwalze mit dem Ziel,
dieser Oberfläche eine isotrope und dauerhafte Rauhigkeit
zu verleihen.
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Bekanntlich wirkt sich die Rauhigkeit einer Walzwerkwalze
in sehr hohem Maße auf die Rauhigkeit der mit dieser Walze
gewalzten Metallbleche aus.
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Diese Rauhigkeit der Walze besteht in einer Vielzahl von
mikroskopischen Vertiefungen und Erhebungen, die wiederum
Erhebungen bzw. Vertiefungen auf der Blechoberfläche
einprägen. Die Gleichmäßigkeit der Abmessungen und der
Verteilung dieser Rauhigkeit beeinflußt insbesondere die
Tiefziehbarkeit und die Beschichtbarkeit dieser Bleche.
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Insbesondere auf der Grundlage der Patentschrift
LU-A-87.193 ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem mit
Hilfe einer intermittierenden energiereichen Bestrahlung
eine Vielzahl von Mikrokratern auf der Oberfläche einer
Walzwerkwalze erzeugt wird. Diese Mikrokrater sind von
einem vorstehenden Wulst umgeben, der eine hohe Härte
aufweist. Ein mit einer derartigen Walze gewalztes Blech
weist von daher auf seiner Oberfläche eine Vielzahl von
Vertiefungen, die durch die Wulste der Walze eingeprägt
werden, sowie Erhöhungen auf, welche den Mikrokratern
entsprechen.
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Auf der Grundlage des Dokuments "Die LASERTEX -Rauhigkeit
für Tiefziehbleche" VAN CAMPENHOUT C., MASSART J.,
Technic. Info, Technical News and Data, Cockerill Sambre, das
beim SITEV 84 - Genf, 22. Mai 1984, präsentiert wurde, ist
ein Verfahren für die Markierung der Oberfläche einer sich
um ihre Längsachse drehenden Walzwerkwalze mittels einer
intermittierenden energiereichen Bestrahlung bekannt, die
von einem sich drehenden, gelochten Element erzeugt wird,
bei dem die Wulste, die der Vielzahl von in der Oberfläche
der Walze gebildeten Mikrokratern entsprechen, einen
Verhältniswert L/I größer als 1 haben, wobei es sich bei L
bzw. I um die Mikrokraterdimensionen handelt, die jeweils
entlang des Walzenumfangs bzw. parallel zur
Walzenlängsachse gemessen werden. Dieses Dokument bezieht sich nicht
auf die Haftung der Wulste.
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Als energiereiche Bestrahlung gilt jede Bestrahlung, die
in der Lage ist, die vorerwähnte Reliefstruktur zu
erzeugen, vor allem ein Lichtstrahl wie etwa ein
Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl.
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Zur Veranschaulichung bezieht sich die nachfolgende
Beschreibung insbesondere auf einen Laserstrahl. Daraus
ergibt sich jedoch selbstverständlich keine Begrenzung der
Erfindung ausschließlich auf diese Art von energiereicher
Bestrahlung.
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Bei den vorgenannten Verfahren dreht sich die
Walzwerkwalze um ihre Längsachse, wobei auf ihre Oberfläche eine
Folge von Laserimpulsen auftrifft, die durch das Zerhacken
eines kontinuierlichen Laserstrahls mittels einer sich
drehenden, gelochten Scheibe erzeugt werden. Der
Laserstrahl bewegt sich entlang der Achse der Walze, so daß
sein Auftreffbereich eine spiralförmige Bahn auf der
Walzenoberfläche beschreibt.
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Der Mechanismus für die Bildung eines derartigen
Mikrokraters ist mittlerweile hinreichend bekannt. In diesem
Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß jeder Laserimpuls
in seinem Auftreffbereich auf der Walzenoberfläche die
Erhitzung eines bestimmten Metallvolumens und innerhalb
dieses Volumens das Schmelzen eines Tropfen des Metalls
der Walze bewirkt. Das Volumen des erhitzten Metalls sowie
das Volumen des geschmolzenen Metalls sind von der
Leistung und von der Dauer des Laserimpulses abhängig. Die
Wirkung des Laserimpulses wird in der Regel durch einen zu
dem vorgenannten Auftreffbereich hin ausgerichteten
Gasstrahl verstärkt. Der plötzliche lokale Temperaturanstieg
bewirkt durch Verbrennung des Metalls die Bildung eines
Plasmas um den Auftreffbereich herum. Dieses Plasma übt
auf das geschmolzene Metall einen Druck aus, der in
Verbindung mit der mechanischen Wirkung des Gasstrahls das
geschmolzene Metall radial zum Umfang des erhitzten
Bereichs hin verdrängt. Das auf diese Weise - zuweilen auch
über den erhitzten Bereich hinaus - verdrängte
geschmolzene Metall bildet einen Wulst, der sich sehr schnell
verfestigt. Die durch die Verdrängung des geschmolzenen
Metalls geschaffene Vertiefung bildet den Mikrokrater.
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Die Gesamtheit dieser Wulste und dieser Mikrokrater
bestimmt die Rauhigkeit der Walzenoberfläche und folglich
auch der Bleche, die mit dieser Walze gewalzt werden. Die
Haltbarkeitsdauer der Wulste beeinflußt von daher nicht
nur die Lebensdauer der Walze und die Konstanz der
Rauhigkeit der hergestellten Bleche, sondern indirekt auch die
Gleichmäßigkeit der Eigenschaften dieser Bleche, vor allem
im Zusammenhang mit ihrer Lackierbarkeit und ihrer
Freßsicherheit.
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Die Lebensdauer der Wulste ist in hohem Maße von ihrer
Haftung an der Walzenoberfläche abhängig. Diese Haftung
ist wiederum das Ergebnis eines Schweißvorganges: Wenn der
Tropfen des geschmolzenen Metalls zu weit über den durch
den Laserimpuls erhitzten Bereich hinaus verdrängt wird,
haftet der dabei gebildete Wulst nicht korrekt an der
Walzenoberfläche, deren Temperatur lokal zu niedrig ist.
Daraus folgt dann eine Rißbildung an der Übergangsfläche
zwischen der Walzenoberfläche und dem Wulst, was wiederum
ein schnelles Abreißes des Wulstes unter der Einwirkung
der Walzkräfte zur Folge hat. Dadurch wird die Qualität
der gewalzten Bleche beeinträchtigt, und der Walzvorgang
muß unterbrochen werden, um die Walze nachzubearbeiten.
Dies kann eine nachhaltige Beeinträchtigung der
Produktivität des Walzwerks zur Folge haben.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Markierung der Oberfläche einer Walzwerkwalze, mit dem
sich diese Nachteile beheben lassen, wobei Mikrokrater mit
Wulsten gebildet werden, die eine deutlich verbesserte
Haftung und damit eine wesentlich längere Lebensdauer
aufweisen.
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Der Patentanmelder hat im Zuge seiner Arbeiten
festgestellt, daß die Haftung der Wulste in beträchtlichem Maße
je nach der Form der Mikrokater variieren kann. In diesem
Zusammenhang stellte sich heraus, daß in Richtung des
Walzenumfangs länglich ausgeführte Mikrokrater zu
interessanten Ergebnissen führen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bin Verfahren zur
Verbesserung der Haftung von mit der einer Vielzahl von
Mikrokratern in Verbindung stehenden Wulsten
vorgeschlagen, wobei die Mikrokrater mittels intermittierender
energiereicher Bestrahlung, die von einem sich drehenden,
gelochten Element ergzeugt wird, in der Oberfläche einer
sich um ihre Längsachse drehenden Walzwerkwalze gebildet
werden, demzufolge man mindestens eine Dimension der
Öffnungen jenes sich drehenden, gelochten Elements
modifiziert, so daß das Verhältnis L/I einen Wert größer als 1
und kleiner als 5 annimmt, wobei es sich bei L bzw. I um
die Mikrokraterdimensionen handelt, die entlang des
Walzenumfangs bzw. parallel zur Walzenlängsachse gemessen
werden.
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Die Längung der Mikrokrater in der gewünschten Richtung
wird hier durch den Formfaktor ausgedrückt, der sich aus
dem Verhältnis L/I ergibt. In diesem Zusammenhang ist
darauf hinzuweisen, daß die Dimensionen L und I in bezug
auf das Volumen des Metalls gemessen werden, das durch
einen Impuls der besagten energiereichen Bestrahlung,
insbesondere durch einen Laserimpuls, geschmolzen wird.
Dieses Volumen ist größer als das Volumen der Vertiefung,
die nach der Verfestigung des Wulstes bestehen bleibt. Der
Einfachheit halber werden die Dimensionen L und I im
folgenden als Länge bzw. Breite der Mikrokrater bezeichnet.
Das Verhältnis L/I liegt erfindungsgemäß vorzugsweise
zwischen 1,1 und 2,5.
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Die Haftung des Wulstes, die durch die erforderliche Kraft
für das Abreißen des Wulstes ausgedrückt wird, erhöht sich
bereits spürbar, wenn das Verhältnis L/I größer als 1 ist.
Diese Erhöhung wird praktisch wirklich interessant, wenn
das Verhältnis L/I 1,1 übersteigt. Die Erhöhung setzt sich
jedoch nicht unbegrenzt fort. Sobald das Verhältnis L/I
größer als etwa 2,5 wird, treten an dem Wulst Verformungen
auf, die inakzeptabel werden, wenn das Verhältnis L/I 5
erreicht.
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Die Längung eines Mikrokraters in der gewünschten Richtung
kann in unterschiedlicher Form ausgeführt werden, was
grundsätzlich über eine Verlängerung der Dauer der
Einwirkung des Energieimpulses auf der Walzenoberfläche im
Verhältnis zu der Impulsdauer erfolgt, die zur Bildung von
kreisförmigen Mikrokratern führt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu
markierende Walze mit konstanter Geschwindigkeit um ihre Längsachse
gedreht, während die intermittierende energiereiche
Bestrahlung durch das Zerhacken einer kontinuierlichen
Bestrahlung anhand geeigneter Vorrichtungen erzielt wird.
Im Falle eines Laserstrahls erfolgt das Zerhacken unter
Verwendung einer sich drehenden, gelochten Scheibe. Bei
dieser Technik werden die Umfangsbreite der in der Scheibe
vorgesehenen Öffnungen sowie die Drehgeschwindigkeiten der
Walze und der Scheibe so aufeinander abgestimmt, daß
möglichst kreisförmige Mikrokrater entstehen.
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Um die erfindungsgemäß empfohlene Längung der Mikrokrater
herbeizuführen, kann insbesondere die Drehgeschwindigkeit
der Zerhackerscheibe verringert oder die Umfangsbreite der
Öffnungen der Zerhackerscheibe vergrößert werden, wobei
die Drehgeschwindigkeit der Walze unverändert bleibt.
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Außerdem könnte die Drehgeschwindigkeit der Walze ohne
Veränderung der Drehgeschwindigkeit oder der geometrischen
Eigenschaften der Zerhackerscheibe erhöht werden.
Desweiteren besteht die Möglichkeit, mehrere der vorgenannten
Änderungen miteinander zu kombinieren.
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Es ist besonders einfach, die Drehgeschwindigkeit der
Zerhackerscheibe zu verändern. Dies hat jedoch zur Folge,
daß sich auch der Abstand zwischen zwei aufeinander
folgenden Mikrokratern erhöht, was zu einer Verringerung der
Mikrokraterdichte entlang des Walzenumfangs führt. Eine
derartige Veränderung kann sich in bestimmten Fällen
ungünstig auf die Rauhigkeit der Walze sowie auf die
Rauhigkeit des mit dieser Walze gewalzten Bleches
auswirken.
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Die Verbreiterung der Öffnungen der Zerhackerscheibe
ermöglicht eine Längung der Mikrokrater ohne Verringerung
ihrer Dichte. Dieser Vorgang führt zu einer Verdichtung
der Mikrokrater, d.h. zu einer Verringerung des Abstands
zwischen zwei aufeinander folgenden Mikrokratern ohne
Veränderung des Abstands, der zwischen dem Anfang von zwei
aufeinander folgenden Mikrokratern liegt.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachstehend angeführten Beschreibung, die
sich auf verschiedene Anwendungsformen dieses Verahrens im
Falle der Verwendung eines Laserstrahls bezieht. Diese
Beschreibung wird durch die beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht, auf denen folgendes dargestellt ist:
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Fig. 1 veranschaulicht das Prinzip des Verfahrens zur
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Markierung einer Walzwerkwalze anhand eines
intermittierenden Laserstrahls.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung der Mikrokrater, die sich bei
einer Verringerung der Drehgeschwindigkeit der
Zerhackerscheibe ergibt.
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Fig. 3 zeigt die Anordnung der Mikrokrater, die sich bei
einer Verbreiterung der Öffnungen der
Zerhackerscheibe ergibt.
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In diesen Abbildungen werden identische oder entsprechende
Elemente, wie etwa die Abstände zwischen den Mikrokratern
oder die Mikrokraterdimensionen, jeweils mit den gleichen
Symbolen bezeichnet.
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Fig. 1 beinhaltet eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung nach dem Stand der Technik, um das Prinzip des
Verfahrens zur Markierung einer Walzwerkwalze anhand eines
intermittierenden Laserstrahls zu veranschaulichen.
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Ein kontinuierlicher Laserstrahl 32, der von einem
geeigneten Sender 33 kommt, wird durch Zerhacken anhand einer
gelochten Scheibe 35 in einen intermittierenden Strahl
umgewandelt. Der intermittierende Laserstrahl 36, 37 wird
zu einem Markierungskopf 42 weitergeleitet, der ihn zur
Oberfläche einer zwischen Spitzen 43 gehalterten
Walzwerkwalze 40 umlenkt. Der Markierungskopf 42 wird bei seiner
Verschiebung entlang der Walze 40 über eine Leitspindel 45
angetrieben. Der Drehantrieb der Zerhackerscheibe 35, der
Walze 40 und der Leitspindel 45 erfolgt durch einen Motor
46 über Steuerungsmechanismen, welche die gewünschte
Synchronisierung der verschiedenen Bewegungen bewirken.
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In einer üblichen Zerhackerscheibe wie 35 ist die Breite
der Öffnungen gleich dem Abstand zwischen zwei
benachbarten
Öffnungen. Auf diese Weise erhält man eine Rauhigkeit
in Form von in etwa kreisförmigen Mikiokratern mit
gleichmäßiger Anordnung, wie aus Fig. 1a zu entnehmen ist, bei
der es sich um eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereichs
der Oberfläche der Walze 40 nach einer herkömmlichen
Markierung handelt.
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In Fig. 2 sieht man die Anordnung von zwei aufeinander
folgenden Mikrokratern in der Richtung des Walzenumfangs
bei vier verschiedenen Drehgeschwindigkeiten der
Zerhackerscheibe. Diese mit V&sub1;, V&sub2;, V&sub3; und V&sub4; bezeichneten
Geschwindigkeiten waren gleich 2500, 2200, 1900 bzw. 1600
U/min. Sie bewirken nicht nur eine zunehmende Längung der
Mikrokrater, sondern auch einen größer werdenden Abstand
zwischen den Mikrokratern. Die Dichte der Mikrokrater
entlang des Umfangs KL, ausgedrückt als Anzahl Mikrokrater
pro Zoll, wird erheblich verringert. Die Breite der
Mikrokrater ist in allen Fällen gleich 120 um. Aus der
nachstehenden Tabelle 1 sind die Werte für die Länge (L), den
Abstand (d), die Dichte (KL) und das Verhältnis (L/I) der
Mikrokrater zu entnehmen, die bei den verschiedenen
vorgenannten Geschwindigkeiten entstehen.
TABELLE 1
Versuch Nr.
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Fig. 3 veranschaulicht den Einfluß der Verbreiterung der
Öffnungen der Zerhackerscheibe. Im vorliegenden Falle
erfolgt diese Verbreiterung durch eine Verringerung des
Abstands zwischen zwei benachbarten Öffnungen, was zur
Folge hat, daß die Anzahl dieser Öffnungen nicht verändert
werden muß.
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Aus der nachstehenden Tabelle 2 ist der Einfluß der
Veränderung dieses Abstands e auf die Länge L und das
Verhältnis L/I der Mikrokrater zu entnehmen. Die Breite I ist
in allen Fällen ebenfalls gleich 120
4m.
TABELLE 2
Versuch Nr.
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Es ist festzustellen, daß die Verringerung des Abstands e
eine Verdichtung der Mikrokrater zur Folge hat, die ihre
Längung ausgleicht und die Beibehaltung einer konstanten
Mikrokraterdichte ermöglicht, die im vorliegenden Falle
gleich 90 ist. Diese Konstanz der Mikrokraterdichte wirkt
sich günstig auf eine gleichmäßige Rauhigkeit der Walze
aus.
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Um den Einfluß der länglichen Form der Mikrokrater auf die
Haftung der Wulste zu veranschaulichen, wurden
verschiedene Vorgänge zur Markierung einer Walze anhand eines Lasers
mit einer Stärke von 800 W und in Anwesenheit eines
Sauerstoffstrahls mit einem Durchsatz von 12 l/min.
durchgeführt. Um die Längung der Mikrokrater herbeizuführen,
wurde die Drehgeschwindigkeit der Zerhackerscheibe
verändert, was wiederum zu einer Veränderung der Dichte KL der
Mikrokrater in deren Längsrichtung geführt hat. Die Dichte
Kd in Querrichtung, d.h. parallel zur Längsachse der Walze,
blieb hingegen konstant.
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Neben der Länge L der Mikrokrater gemäß der vor stehend
angeführten Definition wurden außerdem die Höhe HB und die
Breite IB der Wulste sowie die Tiefe Pc und die Breite Ic
der Krater nach der Bildung der Wulste gemessen.
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Schließlich wurden auch noch die Rauhigkeit Ra sowie die
Haftung der Wulste gemessen. Für diese zuletzt genannte
Messung wurde das in der Patentanmeldung LU-A-87.193
beschriebene Verfahren verwendet. Die ermittelten
Ergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle 3
zusammengestellt.
TABELLE 3
Versuch Nr.
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Diese Ergebnisse zeigen, daß sowohl die Dimensionen der
Wulste als auch die der Krater praktisch nicht verändert
werden. Die Rauhigkeit Ra verringert sich, wenn die
Drehgeschwindigkeit der Zerhackerscheibe verringert wird, weil
sich die Mikrokraterdichte (KL) verringert. Diese
Veränderung der Rauhigkeit wirkt sich jedoch nicht auf die
Haftung der Wulste aus.
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Die Vergrößerung der Länge L der Mikrokrater führt zu
einer Vergrößerung des Verhältnisses L/Ic in Verbindung mit
einer deutlichen Erhöhung der Abreißkraft F in Newton,
d.h. der Haftung der Wulste.
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Da die Wulste praktisch unverändert bleiben, ist die
Verbesserung der Haftung auf die Tatsache zurückzuführen, daß
sich diese Wulste in dem erhitzten Bereich der
Walzenoberfläche bilden. Diese Wirkung ist um so ausgeprägter, je
stärker die Längung des Mikrokraters ausfällt.
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Die Mikrokrater können jedoch nicht unbegrenzt verlängert
werden, da, wenn das Verhältnis L/I etwa 5 erreicht, ein
Teil des geschmolzenen Metalls des Wulstes nach hinten
zurückfließt und den Mikrokrater teilweise ausfüllt.
Dadurch entsteht ein ungleichmäßig verformter Wulst.
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Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht auf die
vorstehend beschriebenen und veranschaulichten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Es können unterschiedliche
Veränderungen daran vorgenommen werden, insbesondere in
bezug auf das Verfahren für die Ausführung der Längung der
Mikrokrater je nach Art der benutzten energiereichen
Bestrahlung.