EP2694242A1 - Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit - Google Patents

Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit

Info

Publication number
EP2694242A1
EP2694242A1 EP12714675.1A EP12714675A EP2694242A1 EP 2694242 A1 EP2694242 A1 EP 2694242A1 EP 12714675 A EP12714675 A EP 12714675A EP 2694242 A1 EP2694242 A1 EP 2694242A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
notch
pulse
modulation
feed rate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12714675.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Gruhler
Willi Breithaupt
Joachim Klein
Horst SCHÖLLHAMMER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Original Assignee
Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/EP2011/055384 external-priority patent/WO2011124627A1/de
Application filed by Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH filed Critical Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Priority to US14/110,023 priority Critical patent/US20140090515A1/en
Priority to EP12714675.1A priority patent/EP2694242A1/de
Priority claimed from PCT/EP2012/056480 external-priority patent/WO2012136858A1/de
Publication of EP2694242A1 publication Critical patent/EP2694242A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C9/00—Bearings for crankshafts or connecting-rods; Attachment of connecting-rods
    • F16C9/04—Connecting-rod bearings; Attachments thereof
    • F16C9/045—Connecting-rod bearings; Attachments thereof the bearing cap of the connecting rod being split by fracturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/006—Vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/21—Elements
    • Y10T74/2142—Pitmans and connecting rods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/21—Elements
    • Y10T74/2186—Gear casings

Definitions

  • the invention relates to a method for fracture separation of workpieces according to the preamble of patent claim 1, a workpiece produced by such a method and a laser unit.
  • EP 0 808 228 B2 of the Applicant describes a generic fracture separation method in which a notch which predetermines the fracture plane is formed in a connecting rod eye to be fractured by means of laser energy.
  • This notch consists of a plurality of notch portions, the distance of which results essentially from the pulse rate of the laser and the feed rate of the laser beam with respect to the connecting rod. It has been found that the notch effect number can be increased quite considerably compared to through notches by these notch sections, so that it is possible to form a notch with comparatively low laser power. Due to this low laser power and the associated low introduced heat energy an undesirable, profound structural change in the notch area is avoided, with only certain edge zones of the notch undergo a microstructure transformation and thus improve the fracture separation behavior.
  • the object of the invention is to provide a method which enables the creation of notch sections of a fracture separation notch with little effort.
  • the object of the invention is furthermore to provide a workpiece produced by such a method and a laser unit for carrying out the method.
  • a laser notch is formed by means of laser energy, this notch having a plurality of notch sections.
  • a modulation of the feed i. the relative movement between the laser beam in operative engagement and the workpiece and / or the laser pulse.
  • the depth of a continuous region referred to as the notch base in the following, can be varied by varying the feed rate and / or the pulse parameters or less consistent geometry, an improved notch efficiency and thus improved fracture mechanics. The method is practicable with all types of lasers used in fracture cutting.
  • the coupling of the laser beam is preferably carried out obliquely to the longitudinal axis Kerbl.
  • the variation of the feed rate takes place according to a periodic function, for example a sine function or depending on the component geometry.
  • the feed rate during laser processing can vary in the range between 100mm / min and 1500mm / min.
  • the laser beam can be compared to the stationary workpiece, for example by moving the laser head or - much easier - by using a pivoting mirror (scanner) are moved, in kinematic reversal, the workpiece can be moved relative to the stationary laser, mixed forms are advantageous.
  • the laser beam may be radial, i. be coupled perpendicular to the fracture separation notch or obliquely to the fracture separation notch.
  • the notch portions are thus perpendicular to the notch axis, while they are employed at an oblique coupling obliquely to the notch axis.
  • the coupling is preferably carried out at an angle of ⁇ 45 ° (with respect to the plane perpendicular to the longitudinal axis Kerblijnsachse (in a connecting rod that is the radial plane of the connecting rod)).
  • the angle would thus be, for example, 30 ° to the horizontal and 60 ° to the vertical (see FIG. 11).
  • the pulse modulation can be done for example by varying the pulse width, the pulse rate, the pulse amplitude and / or the pulse phase. These parameters can be varied for pulse modulation alone or in any combination, so as to vary the registered pulse power / pulse energy or, for example, the pulse train at a constant pulse power and accordingly change the notch depth or notches along the course of the notch and thus further optimize the fracture behavior ,
  • the notch spacing or notch depth could be varied depending on the course of the fracture separation notch, for example in the connecting rod and along the outside of the actual connecting rod.
  • a modulation can be effected by a time-controlled pulse energy ramping, wherein the pulse frequency remains substantially constant.
  • pulse energy ramping is generally understood to mean a method in which the pulse power is increased during a pulse train to the ramp and / or reduced starting therefrom.
  • the modulation can also be carried out by a pulse train / pulse frequency modulation, in which case the pulse power can be kept approximately constant.
  • fiber laser it is preferred if a so-called fiber laser is used as the laser.
  • fiber lasers are known from the prior art, so that detailed descriptions of the structure can be dispensed with.
  • a laser having an average power of 50 watts or 100 watts and a pulse rate of substantially more than 1 kHz, preferably more than 10 kHz is used at a pulse duration of about 100-200 ns, wherein the feed more than 1000mm / can be min.
  • the pulse rate in conventional methods in about the same order of magnitude, the pulse frequency is much lower, for example, 50 to 140Hz.
  • the notch portions extend out of a continuous notch base.
  • the workpiece produced by the method may be, for example, a connecting rod or a crankcase or other workpiece in which a bearing eye or other area to be separated by a fracture separation process.
  • the workpiece produced by the method can have notch portions with different depths or different notches by varying the feed rate or the pulse of the laser. It is particularly preferred if the feed variations repeat periodically along the notch section.
  • a laser unit for carrying out the method has a laser module, a laser head for focusing the laser beam emitted via the laser module onto a workpiece to be machined and an feed axis which is effective in the feed direction. This can be controlled by a control unit such that the feed during laser processing is modulated. Alternatively or simultaneously, a pulse modulation can also be carried out via the control unit.
  • the notch spacing is determined by the period of the pulse modulation, for example by the period of the pulse energy camping or the pulse frequency modulation.
  • the Applicant reserves the right to make a claim thereon.
  • a highly dynamic feed axis is preferred, with which the feed rate changes with an acceleration of more than 0.5 g, preferably in the range of 1 to 2g can be carried out. That is, the feed rate profiles can be sinusoidally performed with high precision, in the limit, even almost rectangular.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a laser unit for producing a fracture separation notch in a large connecting rod
  • FIG. 2 shows a greatly enlarged illustration of a fracture separation notch produced by the method according to the invention
  • FIG. 3 a corresponding representation with modified laser power and / or pulse rate
  • FIG. 4 shows fracture separation notches depending on the feed
  • FIG. 5 shows fracture separation notches as a function of the mean laser power
  • Figure 6 is a diagram illustrating the dependence of a notch depth of a feed of the laser beam
  • FIG. 7 shows a diagram for illustrating feed rate modulation as a function of time
  • FIG. 8 shows a diagram and an illustration to illustrate the resulting notch depth as a function of the average feed rate in feed rate modulation
  • FIG. 9 shows fracture separation notches under comparable conditions with and without feed rate modulation
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a laser unit which can be used in a feed rate modulation laser method
  • Figure 1 1 is a schematic diagram of a laser head of the laser unit according to FIG.
  • FIG. 12 shows a diagram for clarifying a pulse amplitude modulation of the laser
  • FIG. 13 shows a diagram for illustrating a pulse train modulation of the laser
  • Figure 14 shows a variant of the embodiments according to Figures 12 and 13 and
  • FIG. 15 shows a diagram in which the effects of a modulation of the feed and the pulse frequency on the notch depth are shown.
  • Figure 1 shows a sectional view of a large connecting rod 1, which is to be separated by fracture separation in a bearing shell and a connecting rod side part.
  • the course of this fracture separation plane 2 is predetermined by two diametrical fracture separation notches 4 (only one shown in FIG. 1), which is preferably formed in the form of a perforation with a multiplicity of notch sections 6.
  • two diametrical fracture separation notches 4 (only one shown in FIG. 1), which is preferably formed in the form of a perforation with a multiplicity of notch sections 6.
  • a fiber laser is used whose laser head 8 is shown schematically in FIG.
  • Such fiber lasers may in principle be diode-pumped solid-state lasers, with a core of a glass fiber forming the active medium.
  • the radiation of the solid-state laser is introduced via a coupling into the fiber, in which then takes place the actual laser gain.
  • the beam properties and beam quality of the laser can be adjusted via the geometry of the fiber (glass fiber), so that the laser remains largely independent of external influences and shows a very simple structure.
  • the laser beam is introduced into a glass fiber, via which the radiation is then directed to the laser head 8 shown in FIG. 1 and directed onto the workpiece 1 to be machined via its focusing optics 10.
  • a laser beam 12 impinges in the radial direction, ie perpendicular to the notch axis (vertical in FIG. 1).
  • This arrangement may have the disadvantage that the focusing optics 10 is contaminated by the reflowing material, since due to the 90 ° coupling reflections and possibly residual melt directly go back the beam path. If the coupling takes place obliquely, for example at 30 ° or 45 °, any reflections and residual melt occurring under the angle of reflection (see Figure 1: "12") are eliminated so that no contamination takes place
  • a laser unit with oblique coupling is described with reference to FIGS 1 described.
  • the notch geometry can additionally be influenced by the trailing (upwards in FIG. 11) or piercing (downward in FIG. 11) beam guidance.
  • the notch geometry can additionally be influenced by the air flow acting through the nozzle through the melt.
  • the spot diameter is about 30 m
  • the feed V is about 1500 mm / min.
  • a notch spacing of approximately 0.00125 mm would be calculated.
  • the notch spacing K (here at 45 ° obliquely coupled laser beam) is about 0, 1 mm.
  • FIG 2 shows a greatly enlarged view of a concretely processed by the method according to the invention with the above parameters Pleuelauges, in this embodiment, the laser beam obliquely (45 °) is coupled.
  • the average laser power is about 50 W and the pulse power at about 8 kW.
  • the distance between the perforation (notch spacing) K is about 0.1 mm, resulting in a continuous notch base (G), out of which the individual, the perforation forming notch portions 6 extend out.
  • the depth of the notch root G in the embodiment of Figure 2 is about 0.51 mm, while the depth P (seen in the radial direction) of the notch portions 6 is about 0.78 mm (measured from the peripheral wall 14 of the connecting rod 1).
  • FIG. 3 shows a similar embodiment with reduced laser power (40 W) and steeper coupling (30 °) of the laser beam 12 - it can be seen that the notch K results in no significant change, the depth G of the notch base and the depth P of the notch sections are at the steeper coupling and reduced laser power (40 W) slightly larger. With the somewhat steeper coupling, a notch improving the fracture behavior can thus be formed with even less power than in the previously described embodiment.
  • FIG. 4 shows the dependence of the fracture separation notch on the set feed rate V (see FIG. 1) with which the laser beam is moved in the kerf longitudinal direction.
  • FIG. 5 shows the dependence of the fracture separation notch on the laser power.
  • an average laser power of 50 W was set.
  • the fracture separation notch shown below results from an average laser power of 100 W, the other parameters being unchanged. It can be seen clearly that with reduced laser power a somewhat finer notch structure with longer notch sections is formed, the notch spacing, however, remaining approximately unchanged, as already indicated above. With the reduced laser power, as expected, a continuous notch bottom with a slightly smaller depth G is formed than at a higher laser power.
  • the use of a laser with comparatively low laser power (50 W and less) at an average feed rate in the range between 500 and 1500 mm / min should therefore be optimal.
  • the beam quality can be improved by a so-called Q-switch.
  • a Q-switch is an optical device which, in a pulsed laser, delays the pulse, reduces the pulse duration, and increases the pulse height (peak power) to give a very sharp laser pulse which increases rapidly and after reaching a sharp maximum quickly drops again. Without such a Q-switch, the pulse is significantly wider and flatter.
  • FIG. 6 shows the dependence of the occurring notch depth on the feed, which is varied between 100 and 3000 mm / min.
  • the dimension S2 corresponds to the described measure G (depth of the notch base) and the measure S1 of the total depth P (see Figures 2 and 3) of the notch, so that the length of the notch portions of the difference (GP) corresponds.
  • the upper curve shows the course of the total depth S1 of the notch, while the lower curve shows the course of the depth of the notch base S2. It can be clearly seen that at comparatively low feed rates in the range of up to about 800 mm / min, there is a comparatively strong dependence of the notch depth (S1, S2) on the feed rate.
  • FIG. 7 shows examples of a feed rate modulation, which takes place according to a sine function.
  • the speed modulation tion after other, preferably periodic functions.
  • Shown is the course of the feed rates within a certain feed range, which does not correspond to the entire length of the traction fracture notch to be formed as a function of time.
  • the feed range between 67.5 and 69.5 mm, that is, there are only 2mm of the entire fracture separation notch shown, the velocity modulation in the non-illustrated areas of the fracture separation notch, however, takes place accordingly.
  • the slightly wavy from top left to bottom right curves shown (overhead dashed curve / bottom continuous curve) show the actual feed in the direction of the fracture separation notch as a function of time t.
  • the feed rate is varied according to the sine functions drawn, the sine function being associated with a larger amplitude of the dashed laser path, while the sine function having a smaller amplitude is assigned to the solid laser motion path. It can be seen that the feed rate is changed relatively high frequency, so that the laser head 8 has to be greatly accelerated and decelerated within a short time in order to adjust the motion profile along the traction fracture notch to be formed.
  • FIG. 8 shows a diagram in which the self-adjusting notch depth depending on the average feed V m , that is, the average value of the above-described speed modulation adjusts.
  • a fracture separation notch adjusts with the progression shown in FIG.
  • notch sections are formed from a notch base with the dimension S2 (G) corresponding to the sine period.
  • the sections marked S3 are formed in the areas in which the feed rate is comparatively low.
  • the score marked S1 Sections are formed in the areas where the laser speed moves at a comparatively high speed.
  • the course of the characteristic quantities S1 (P), S2 (G), S3 (P) as a function of the average feed is shown in the diagram according to FIG.
  • the curve above shows the course of the total notch depth (S3) at low feed rate, the curve S1 the course of the notch depth at a comparatively high feed rate (always during the speed modulation) and the curve S2 the course of the depth of the notch base again.
  • the notch depth decreases as the average feed rate increases.
  • notch sections with varying notch depths can be formed with appropriate speed modulation. It was found that such a notch has a significantly improved fracture mechanics compared to the aforementioned notches.
  • the feed rate modulation makes it possible to form comparatively deep and sharp starting notches which significantly improve the initiation fracture toughness and the arrest fracture toughness against continuous perforation score scores without the feed rate modulation.
  • the modulation of the feed rate can also be done in dependence on the component geometry. That is, in very complex components, for example, breakthroughs in the fracture separation notch, the feed rate can be adapted to the geometry of the component, so that in unproblematic areas with a relatively high feed rate or amplitude of the feed rate modulation is driven, while in more critical areas, the speed modulation accordingly is withdrawn, so that sets a lower average feed rate or a constant feed rate.
  • a notch made according to the feed rate modulation method of the present invention is shown, with the feed rate modulated in the range of 1 17 to 1 157 mm / min. It can be clearly seen that burns in the region of the notch base can be reliably avoided by this modulation. Furthermore, one recognizes the trained by appropriate speed modulation notch portions with greater or lesser depth, the depth also depends on the angle of attack of the laser. In the illustrated exemplary embodiments, the angle of attack, that is to say the coupling-in angle, was approximately 30 ° with respect to the horizontal in FIG. 9.
  • the laser unit has a laser module 16 which contains, for example, a fiber laser and the control of this fiber laser.
  • the control of the laser unit 16 is designed so that the feed rate of the laser beam can be modulated in the manner described above.
  • the laser beam 12 generated by the laser module 16 is guided via optical fibers 18 to a recollimator 20, which is merely indicated in FIG.
  • the laser beam is converted into a parallel beam, with the beam diameter in the range of about 6mm.
  • This parallel beam is then guided via the light guide 18 to the laser head 8, via which a laser beam is then directed onto the workpiece to be machined, in the present case a connecting rod eye 1 of a connecting rod.
  • the focused laser beam is coupled at an angle of 30 ° to the horizontal in FIG.
  • the laser head 8 is designed with a Z-feed axis 22, via which the feed takes place in the longitudinal groove axis.
  • This feed axis is designed as a highly dynamic axis, with the extremely high accelerations at a high loop gain and a large jerk are feasible, so that an extremely precise control of the modulation is required.
  • the accelerations can be, for example in the range between 1 to 2 g, the loop gain in the range of 10 n / min / mm (166.71 / s) and the jerk greater than 400 m / s 3 are.
  • the laser head 8 is still designed with a pivot axis 24, via which the laser head 8 can be pivoted about the Z feed axis 22.
  • the laser unit further has an X-adjusting axis 26, via which the entire laser head 8 in the X direction (radially to the connecting rod 1) is movable. With such a device can also form sinusoidal fracture separation notches.
  • FIG. 11 shows the basic design of the beam guide in the laser head 8.
  • the light guide 18 coupled to the fiber laser (laser module 16) is converted in the recollimator 20 into a parallel beam with a diameter of approximately 6 mm and then transferred via a deflection mirror 28 90 ° in the direction of the Pleuelaugenachse deflected.
  • the deflected laser beam 12 is then focused on the Pleuelaugenwandung via an optic with a focal length of, for example, 100mm, wherein an alignment to Pleuelmayswandung via another deflecting mirror 32, which is employed in the illustrated embodiment at an angle of 60 ° to the horizontal, so that the laser beam as a result of a coupling angle of 30 ° to the horizontal or an angle of incidence of 60 ° to the incident on the deflection mirror 32 perpendicular part of the laser beam 12 (deflection 60 °) impinges on the Pleuelindividuswandung.
  • the laser beam exits via a nozzle 34 and is focused so that the laser spot is located approximately 3 mm in front of the exit plane of the nozzle 34.
  • a protective glass 34 is provided in the beam path between the nozzle 34 and deflecting mirror 32.
  • the pivot axis 24 is also recognizable, the laser head 8 being rotatably mounted via a pivot bearing 38 and can be pivoted about the Z-feed axis 22 via a motor, not shown, so that virtually every peripheral wall region of the connecting rod can be reached ,
  • a fracture separation notch 4 can be formed, in which the notch sections 6 are spaced in 1/10 mm range, preferably in the range of 0.1 to 0.3 mm. It was found that even when using a laser with a power of only 30 watts, a highly effective perforated fracture separation notch 4 can be formed.
  • feed modulation takes place.
  • feed modulation can also be a pulse modulation, for example in the manner described below.
  • a pulse-shaped carrier or basic function is modulated, wherein, for example, the pulse width, the pulse duration or the pulse phase can be varied.
  • the pulse energy (Pulsram- ping) or the pulse rate / Plus sequence are modulated.
  • the pulse amplitude modulation the aforementioned rectangular carrier pulse sequence is changed by a variation of the pulse amplitudes.
  • pulse width modulation the pulse width of the underlying carrier function is correspondingly varied.
  • the pulse position is phase-shifted relative to the respective carrier function, a fixed pulse width and pulse amplitude being used.
  • the timing is adapted to the present, preferably constant feed rate and the desired notch section grid (perforation grid).
  • the Pulhrenergyrampenform forms the perforation shape in about.
  • FIG. 12 shows such a modulation with a time-controlled pulse energy ramping.
  • the output or carrier function is represented by the course of the pulse energy E K i as a function of time, the pulse energy being, for example, 1 mJ with a pulse length of 120 ns and a frequency of 50 kHz.
  • This carrier function is superimposed with a ramp-shaped modulation of the pulse energy (PRamp), the course of which is shown in FIG.
  • PRamp ramp-shaped modulation of the pulse energy
  • FIG. 13 shows an embodiment with a pulse train or pulse frequency modulation. Similar to the previously described embodiment, it is assumed that an output or carrier pulse train with a pulse energy of 1 m J, a pulse length of 120 ns. This output function is used in pulse sequence modulation. on is modulated by the pulse frequency is varied between a maximum value of 100 kHz and a minimum value of 20 kHz, wherein the variation of Figure 13 is performed again in approximately sinusoidal. The period of this pulse sequence or frequency change then again determines the notch spacing K. It can be clearly seen that the maximum notch depth is formed in the regions with a pulse power of 1 mJ and a high frequency in the range of 100 kHz. Accordingly, the notch depth is dependent on the pulse rate (at constant pulse power).
  • the feed rate is 200 mm / min.
  • Such a modulation of the carrier function results in a pulse train modulation E K ipf, in which the pulse sequence is varied between 10 and 50 ⁇ at a modulation frequency (pulse train period of 1 1 .1 Hz).
  • the notch spacing K for such a pulse train modulation results from the period (1 1 .1 Hz), so that by appropriate selection of the frequency period (pulse train modulation) or the period of the ramp shape (pulse energy ramping) Perforation grid, ie the notch spacing K yields.
  • a notch spacing of 0.3 mm for example, a notch spacing of 0.3 mm. This type of modulation can also be called "frequency sweeping".
  • FIG. 14 shows, in a very general form, an exemplary embodiment in which the notch depth or the notch spacing is changed by varying the pulse power P, wherein this power control takes place dynamically. Both the pulse width and the pulse amplitude and possibly also the pulse frequency are varied.
  • a burst mode can be used in the pulse modulation, in which the laser pulses are output from an energy storage until a predetermined number of pulses reached or the energy storage is discharged. It is assumed that the fracture separation notch is then completely formed and the workpiece is fed to another station. The energy store is then charged during this workpiece handling and is then ready for the next laser processing. Based on the diagram in Figure 15, the findings of the invention will be summarized again. This graph shows the depth of the notch as a function of feed and pulse rate.
  • the notch depth at a high frequency is almost twice as large as at a pulse frequency of 50 kHz. It is assumed that a laser with an average power of 100 watts is used with a pulse energy of 1 mJ, a pulse duration of 130 ns and a coupling angle of 90 °.
  • both the feed rate and the laser pulse can be modulated.
  • the Applicant tends to vary the feed rate at full laser power, whereby the almost linear dependence of the notch depth on the feed rate modulation can always be used at full laser power.
  • the non-productive times can be greatly reduced, wherein the feed rate modulation is relatively easy to carry out.
  • the modulation can be further simplified if the laser is carried out with scanner technology, wherein the alignment of the laser via a pivoting mirror or an optics takes place, so that a linear axis can be largely dispensed with.
  • the feed rate and / or the laser pulse during laser processing is modulated as a function of the workpiece geometry and / or.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Offenbart sind ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück. Erfindungsgemäß wird die Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Laserpuls während der Laserbearbeitung in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie und/oder moduliert.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken, Werkstück und Lasereinheit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück sowie eine Lasereinheit.
In der EP 0 808 228 B2 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßes Bruchtrennverfahren beschrieben, bei dem in einem bruchzutrennenden Pleuelauge mittels Laserenergie eine die Bruchebene vorgebende Kerbe ausgebildet wird. Diese Kerbe besteht aus einer Vielzahl von Kerbabschnitten, deren Abstand sich im Wesentlichen aus der Impulsrate des Lasers und der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls mit Bezug zum Pleuelauge ergibt. Es zeigte sich, dass durch diese Kerbabschnitte die Kerbwir- kungszahl gegenüber durchgehenden Kerben ganz erheblich erhöht werden kann, so dass eine Ausbildung einer Kerbe mit vergleichsweise geringer Laserleistung ermöglicht ist. Durch diese geringe Laserleistung und die damit einhergehende geringe eingebrachte Wärmeenergie wird eine unerwünschte, tiefgehende Gefügeänderung im Kerbbereich vermieden, wobei lediglich gewisse Randzonen der Kerbe eine Gefügeumwandlung erfahren und somit das Bruchtrennverhalten verbessern.
In der DE 2005 031 335 A1 der Anmelderin wird ein verbessertes Verfahren beschrieben, bei dem die Kerbe nicht gerade sondern sinusförmig mit gerade verlaufenden Endabschnitten ausgebildet ist. Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch eine derartige Kerbgestaltung das Bruchtrennverhalten nochmals verbessert werden kann.
Laserkerben mit derartigen Kerbabschnitten haben sich insbesondere beim Bruchtrennen von Pleueln und Kurbelgehäusen als Stand der Technik durchgesetzt, da das Bruchverhalten derartiger Kerben demjenigen bei durchgehenden Kerben überlegen ist. Trotz dieser guten Bruchtrenneigenschaften besteht ein Bestreben, das Bruchtrennverhalten weiter zu verbessern. Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das mit geringem Aufwand eine Erstellung von Kerbabschnitten einer Bruchtrennkerbe ermöglicht. Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück und eine Lasereinheit zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 , durch ein Werkstück mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 10 und eine Lasereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird - ähnlich wie bei herkömmlichen Vorgehensweisen - eine Laserkerbe mittels Laserenergie ausgebildet, wobei diese Kerbe eine Vielzahl von Kerbabschnitten aufweist. Erfindungsgemäß erfolgt während des Laserkerbens, d.h. während des Ausbildens der Kerbe eine Modulation des Vorschubs, d.h. der Relativbewegung zwischen dem in Wirkeingriff befindlichen Laserstrahl und dem Werkstück und/oder des Laserpulses. Durch diese Modulation ist es möglich, eine Kerbe mit unterschiedlich tiefen Kerbabschnitten oder Kerbabständen auszubilden. Unter„Tiefe" des Kerbabschnittes wird dabei die Eindringtiefe in Laserstrahlrichtung verstanden. Darüber hinaus kann durch die Variation der Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Pulsparameter die Tiefe eines durchgehenden Bereiches, im Folgenden Kerbbasis genannt, variiert werden. Derartige Kerben haben gegenüber den herkömmlichen Kerben mit mehr oder weniger gleichbleibender Geometrie eine verbesserte Kerbwirkungszahl und somit eine verbesserte Bruchmechanik. Das Verfahren ist praktisch mit allen Lasertypen realisierbar, die beim Bruchtrennen eingesetzt werden.
Die Einkoppelung des Laserstrahls erfolgt vorzugsweise schräg zur Kerblängsachse.
Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch geeignete Auswahl der oben genannten Kriterien auch bei sehr hoher Impulsrate und schnellem Vorschub noch eine mit einer Perforation versehene Kerbe herstellen lässt, wobei dieser Kerbabstand dann wesentlich größer als der rechnerische Kerbabstand ist. Diese Verfahrensweise birgt den Vorteil in sich, dass ein hochfrequenter Laser mit sehr hoher Vorschubgeschwindigkeit verwendet werden kann, so dass die Ausbildung der Laserkerbe wesentlich schneller und mit geringerem Wärmeeintrag als bei herkömmlichen Lösungen erfolgen kann.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Variation der Vorschubgeschwindigkeit nach einer periodischen Funktion, beispielsweise einer Sinusfunktion oder in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie erfolgt.
Die Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung kann im Bereich zwischen 100mm/min und 1500mm/min variieren.
Der Laserstrahl kann gegenüber dem stillstehenden Werkstück beispielsweise durch Verfahren des Laserkopfes oder - wesentlich einfacher - durch Verwenden eines Schwenkspiegels (Scanners) bewegt werden, in kinematischer Umkehr kann auch das Werkstück gegenüber dem stillstehenden Laser bewegt werden, auch Mischformen sind vorteilhaft. Der Laserstrahl kann radial, d.h. senkrecht zur Bruchtrennkerbe oder schräg zur Bruchtrennkerbe eingekoppelt werden.
Bei einer radialen Einkoppelung stehen die Kerbabschnitte somit senkrecht zur Kerbachse, während sie bei einer schrägen Einkoppelung schräg zur Kerbachse angestellt sind. Die Einkoppelung erfolgt vorzugsweise mit einem Winkel von < 45° (mit Bezug zur Ebene senkrecht zur Kerblängsachse (bei einem Pleuel ist das die Radialebene des Pleuelauges)). Bei einem horizontal aufliegenden Pleuel und senkrecht dazu verlaufender Vorschubrichtung (Kerbachse) wäre der Winkel somit beispielsweise 30° zur Horizontalen und 60° zur Senkrechten (siehe Figur 1 1 ).
Die Pulsmodulation kann beispielsweise durch Variation der Pulsbreite, der Pulsfrequenz, der Pulsamplitude und/oder der Pulsphase erfolgen. Diese Parameter können zur Pulsmodulation alleine oder in beliebiger Kombination variiert werden, um so die eingetragene Pulsleistung/Pulsenergie oder beispielsweise die Pulsfolge bei konstanter Pulsleistung zu variieren und entsprechend die Kerbtiefe oder die Kerbabstände entlang des Verlaufes der Kerbe zu ändern und somit das Bruchverhalten weiter zu optimieren. So werden beispielsweise bei zähen Materialien umlaufende Bruchtrennkerben ausgebildet - bei derartigen Werkstücken könnte dann der Kerbabstand oder die Kerbtiefe in Abhängigkeit vom Verlauf der Bruchtrennkerbe, beispielsweise im Pleuelauge und entlang der außerhalb des eigentlichen Pleuelauges verlaufenden Abschnitte variiert werden.
Durch geeignete Wahl der Parameter kann beispielsweise eine Modulation durch ein zeitgesteuertes Pulsenergie-Ramping erfolgen, wobei die Impulsfrequenz im Wesentlichen konstant bleibt. Unter dem Begriff„Ramping" versteht man allgemein ein Verfahren, bei dem die Pulsleistung während einer Pulsfolge zu der Rampe hin gesteigert und/oder von dieser ausgehend verringert wird.
Alternativ kann die Modulation auch durch eine Pulsfolge-/Pulsfrequenzmodulation erfolgen, wobei dann die Impulsleistung in etwa konstant gehalten werden kann.
Wie bereits erwähnt, können auch andere Parameter verändert werden.
Vorstellbar ist es auch, sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch den Puls zu modulieren, wobei diese Modulation auf einander folgend oder aber auch überlappend oder gleichzeitig erfolgen kann.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn als Laser ein sogenannter Faserlaser verwendet wird. Derartige Faserlaser sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass auf detaillierte Beschreibungen des Aufbaus verzichtet werden kann.
Bei einer Variante der Erfindung wird ein Laser mit einer mittleren Leistung von 50 Watt oder 100 Watt und einer Impulsrate von wesentlich mehr als 1 kHz, vorzugsweise mehr als 10KHz bei einer Impulsdauer von etwa 100 - 200 ns verwendet, wobei der Vorschub mehr als 1000mm/min betragen kann. Dem gegenüber liegt die Impulsrate bei herkömmlichen Verfahren in etwa der gleichen Größenordnung, wobei die Impulsfrequenz deutlich niedriger, beispielsweise 50 bis 140Hz beträgt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstrecken sich die Kerbabschnitte aus einer durchgehenden Kerbbasis heraus.
Das nach dem Verfahren hergestellte Werkstück kann beispielsweise ein Pleuel oder ein Kurbelwellengehäuse oder ein sonstiges Werkstück sein, bei dem ein Lagerauge oder ein sonstiger Bereich mittels eines Bruchtrennverfahrens getrennt werden soll.
Das nach dem Verfahren hergestellte Werkstück kann durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit oder des Pulses des Lasers Kerbabschnitte mit unterschiedlicher Tiefe oder unterschiedlichen Kerbabständen aufweisen. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn die Vorschubvariationen sich periodisch entlang des Kerbabschnittes wiederholen.
Eine Lasereinheit zur Durchführung des Verfahrens hat ein Lasermodul, einen Laserkopf zum Fokussieren des über das Lasermodul abgegebenen Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück und eine in Vorschubrichtung wirksame Vorschubachse. Diese ist über eine Steuereinheit derart ansteuerbar, dass der Vorschub während der Laserbearbeitung modulierbar ist. Alternativ oder gleichzeitig kann über die Steuereinheit auch eine Pulsmodulation durchgeführt werden.
Der Kerbabstand wird durch die Periode der Pulsmodulation, beispielsweise durch die Periode des Pulsenergierampings oder der Pulsfrequenzmodulation bestimmt. Die Anmelderin behält sich vor, hierauf einen Anspruch zu richten.
Dabei wird eine hochdynamische Vorschubachse bevorzugt, mit der die Vorschubgeschwindigkeitsänderungen mit einer Beschleunigung mit mehr als 0,5g vorzugsweise im Bereich von 1 bis 2g durchführbar sind. Das heißt, die Vorschubgeschwindigkeitsprofile können sinusartig mit hoher Präzision, im Grenzfall sogar nahezu rechteckförmig durchgeführt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer Lasereinheit zur Herstellung einer Bruchtrennkerbe in einem großen Pleuelauge;
Figur 2 eine stark vergrößerte Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bruchtrennkerbe;
Figur 3 eine entsprechende Darstellung mit veränderter Laserleistung und/oder Impulsrate;
Figur 4 Darstellung von Bruchtrennkerben in Abhängigkeit vom Vorschub;
Figur 5 Darstellungen von Bruchtrennkerben in Abhängigkeit von der mittleren Laserleistung;
Figur 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit einer Kerbtiefe von einem Vorschub des Laserstrahls;
Figur 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Vorschubgeschwindigkeitsmodulation in Abhängigkeit von der Zeit;
Figur 8 ein Diagramm und eine Abbildung zur Verdeutlichung der sich einstellenden Kerbtiefe in Abhängigkeit von der mittleren Vorschubgeschwindigkeit bei einer Vorschubgeschwindigkeitsmodulation;
Figur 9 Abbildungen von Bruchtrennkerben bei vergleichbaren Bedingungen mit und ohne Vorschubgeschwindigkeitsmodulation;
Figur 10 eine schematische Darstellung einer Lasereinheit, die bei einem Laserverfahren mit Vorschubgeschwindigkeitsmodulation verwendbar ist,
Figur 1 1 eine Prinzipdarstellung eines Laserkopfs der Lasereinheit gemäß Figur
10, Figur 12 ein Diagramm zur Verdeutlichtung einer Pulsamplitudenmodulation des Lasers;
Figur 13 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Pulsfolgemodulation des Lasers; Figur 14 eine Variante der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 12 und 13 und
Figur 15 ein Diagramm, in dem die Auswirkungen einer Modulation des Vorschubs und der Pulsfrequenz auf die Kerbtiefe dargestellt ist.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines großen Pleuelauges 1 , das durch Bruchtrennen in eine Lagerschale und einem pleuelstangenseitigen Teil getrennt werden soll. Der Verlauf dieser Bruchtrennebene 2 wird durch zwei diametrale Bruchtrennkerben 4 vorgegeben (nur eine gezeigt in Figur 1 ), die vorzugsweise in Form einer Perforation mit einer Vielzahl von Kerbabschnitten 6 ausgebildet ist. Wie im eingangs beschriebenen Stand der Technik erläutert, wird nach Ausbilden der Bruchtrennkerben 4 in der Figur 1 linken und rechten Wandung des Pleuelauges 1 ein Spreizdorn in das Pleuelauge eingesetzt und dann durch geeignetes Spreizen des Spreizdorns und Abstützen des Pleuelauges die Lagerschale von dem stangenseitigen Teil des Pleuels getrennt, wobei die entstehende Bruchtrennebenengeometrie aufgrund der Gefügestruktur das passgenaue Zusammensetzen der beiden Teile vereinfacht.
Zur Ausgestaltung der Bruchtrennkerbe 4 wird ein Faserlaser verwendet, dessen Laserkopf 8 in Figur 1 schematisch dargestellt ist. Derartige Faserlaser können im Prinzip diodengepumpte Festkörperlaser sein, wobei ein Kern einer Glasfaser das aktive Medium ausbildet. Dabei wird die Strahlung des Festkörperlasers über eine Koppelung in die Faser eingeleitet, in der dann die eigentliche Laserverstärkung stattfindet. Die Strahleigenschaften und die Strahlqualität des Lasers kann über die Geometrie der Faser (Glasfaser) eingestellt werden, so dass der Laser weitestgehend unabhängig von äußeren Einflüssen bleibt und einen sehr einfachen Aufbau zeigt. Nach dem Austritt aus der genannten aktiven Faser wird der Laserstrahl in eine Glasfaser eingeleitet, über die die Strahlung dann zu dem in Figur 1 abgebildeten Laserkopf 8 geleitet und über dessen Fokussieroptik 10 auf das zu bearbeitende Werkstück 1 gerichtet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel trifft ein Laserstrahl 12 in Radialrichtung, d.h. senkrecht zur Kerbachse (Vertikale in Figur 1 ) auf. Diese Anordnung kann den Nachteil haben, dass die Fokussieroptik 10 durch das aufschmelzende Material verschmutzt wird, da aufgrund der 90° Einkoppelung Reflexionen und gegebenenfalls Restschmelze direkt den Strahlengang zurückgehen. Wenn die Einkoppelung schräg, z.B. mit 30° oder 45° erfolgt, gehen eventuell auftretende Reflexionen und Restschmelze unter dem Ausfallwinkel (siehe Figur 1 :„12") ab, so dass keine Verschmutzung erfolgt. Eine Lasereinheit mit Schrägeinkoppelung wird anhand Figuren 10 und 1 1 beschrieben.
Ein weiterer Nachteil der 90°-Einkoppelung besteht darin, dass keine schleppende oder stechende Strahlführung möglich ist. Bei einer Schrägstellung kann die Kerbgeometrie zusätzlich noch durch die schleppende (nach oben in Figur 1 1 ) oder stechende (nach unten in Figur 1 1 ) Strahlführung beeinflusst werden. Die Kerbgeometrie kann zusätzlich durch den die Schmelze beaufschlagenden Luftstrom durch die Düse beeinflusst werden. Auch auf die beiden vorgenannten Aspekte kann ein Unteranspruch gerichtet werden.
Diese Faserlaser zeichnen sich durch sehr gute elektrisch-optische Wirkungsgrade und eine herausragende Strahlqualität mit großer Tiefenschärfe bei einem sehr kompakten Aufbau aus, so dass bei geringem Bauraum kostengünstigere Lösungen als mit herkömmlichen Lasern geschaffen werden können. Aufgrund der hohen Spitzenleistung und der guten Fokussierbarkeit von Faserlasern ist die Leistungsdichte relativ hoch, so dass verdampfter Materialanteil überwiegt. Da ein Teil der Energie aber in Wärme umgewandelt wird, gibt es trotzdem noch Schmelze und Wärmebeeinflussung der Umgebung. Dabei kann die Restwärme kumulieren, sodass man ausgeprägte Schmelzphänomene erhält, die dazu führen könnten, dass der rechnerische Kerbabstand deutlich geringer als der sich tatsächlich einstellende Kerbabstand ist und dieser Kerbabstand auch vergleichsweise stabil bei Variation der sonstigen Parameter ist. Nach der Bearbeitung der in Figur 1 links liegenden Pleuelwandung wird der Laserkopf um 180° gedreht und die rechte Pleuelwandung bearbeitet. Prinzipiell können jedoch auch Kreuzköpfe verwendet werden, bei denen beide Wandungsabschnitte gleichzeitig bearbeitet werden.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Werkstück, d. h., das Pleuel fest eingespannt und der Laserkopf 8 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit V in Axialrichtung oder Achsparallel bewegt, wobei die Laserleistung bei etwa 50 W und die Impulsfrequenz des Lasers beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa bei 20 kHz liegt. Der Spotdurchmesser liegt bei etwa 30 m, der Vorschub V beträgt dabei etwa 1500 mm/min. Bei diesen Parametern würde sich rechnerisch ein Kerbabstand von etwa 0,00125 mm ergeben. Tatsächlich liegt der Kerbabstand K (hier bei mit 45° schräg eingekoppeltem Laserstrahl) bei etwa 0, 1 mm.
Figur 2 zeigt eine stark vergrößerte Darstellung eines konkret nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den oben genannten Parametern bearbeiteten Pleuelauges, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel der Laserstrahl schräg (45°) eingekoppelt ist. Die mittlere Laserleistung beträgt etwa 50 W und die Pulsleistung bei etwa 8 kW. Der Abstand der Perforation (Kerbabstand) K beträgt dabei etwa 0,1 mm, wobei sich ein durchgehender Kerbgrund (G) ergibt, aus dem heraus sich die einzelnen, die Perforation ausbildenden Kerbabschnitte 6 heraus erstrecken. Die Tiefe des Kerbgrunds G beträgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 etwa 0,51 mm, während die Tiefe P (in Radialrichtung gesehen) der Kerbabschnitte 6 etwa 0,78 mm (gemessen von der Umfangswandung 14 des Pleuelauges 1 ) beträgt.
Figur 3 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel mit verringerter Laserleistung (40 W) und steilerer Einkoppelung (30°) des Laserstrahls 12 - man erkennt, dass sich am Kerbabstand K keine wesentliche Änderung ergibt, die Tiefe G des Kerbgrundes und die Tiefe P der Kerbabschnitte sind bei der steileren Einkoppelung und verringerten Laserleistung (40 W) geringfügig größer. Bei der etwas steileren Einkoppelung lässt sich somit mit noch weniger Leistung als beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eine das Bruchverhalten verbessernde Kerbe ausbilden. Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Bruchtrennkerbe von der eingestellten Vorschubgeschwindigkeit V (siehe Figur 1 ) mit der der Laserstrahl in Kerblängsrichtung bewegt wird.
Man erkennt deutlich, dass bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten (500 mm/min; 1000 mm/min, 1500 mm/min) der Kerbabstand nahezu unverändert bleibt. Deutlich ist jedoch, dass bei geringeren Vorschubgeschwindigkeiten zum Einen die Tiefe G des Kerbgrundes größer ist und auch die Axiallänge der Kerbabschnitte (P-G) sich umgekehrt proportional zum Vorschub verhält, wobei die Unterschiede zwischen den 500 mm/min und 1000 mm/min vergleichsweise gering sind.
Figur 5 zeigt die Abhängigkeit der Bruchtrennkerbe von der Laserleistung. In der in Figur 5 oben liegenden Abbildung wurde eine mittlere Laserleistung von 50 W eingestellt. Die darunter abgebildete Bruchtrennkerbe resultiert aus einer mittleren Laserleistung von 100 W, wobei die sonstigen Parameter unverändert sind. Man erkennt deutlich, dass sich bei verringerter Laserleistung eine etwas feinere Kerbstruktur mit längeren Kerbabschnitten ausbildet, wobei der Kerbabstand jedoch - wie bereits oben angedeutet - in etwa unverändert bleibt. Mit der verringerten Laserleistung bildet sich darüber hinaus - erwartungsgemäß - ein durchgehender Kerbgrund mit einer etwas geringeren Tiefe G als bei einer höheren Laserleistung aus. Im Hinblick auf die Bruchmechanik dürfte somit die Verwendung eines Lasers mit vergleichsweise geringer Laserleistung (50 W und weniger) bei einer mittleren Vorschubgeschwindigkeit im Bereich zwischen 500 und 1500 mm/min optimal sein.
Die Strahlqualität kann dabei durch einen sogenannten Q-Switch verbessert werden. Ein derartiger Q-Switch ist ein optisches Bauelement, mit dem bei einem gepulsten Laser der Impuls verzögert, die Impulsdauer verringert und die Impulshöhe (Spitzenleistung) vergrößert wird, so dass ein sehr scharfer Laserimpuls erhalten wird, der rasch ansteigt und nach Erreichen eines scharfen Maximums rasch wieder abfällt. Ohne einen derartigen Q-Switch ist der Impuls deutlich breiter und flacher ausgebildet.
Figur 6 zeigt die Abhängigkeit der sich einstellenden Kerbtiefe von dem Vorschub, der zwischen 100 und 3000 mm/min variiert ist. Dabei entspricht das Maß S2 dem vor- beschriebenen Maß G (Tiefe der Kerbbasis) und das Maß S1 der Gesamttiefe P (siehe Figuren 2 und 3) der Kerbe, so dass die Länge der Kerbabschnitte der Differenz (G-P) entspricht. Die obere Kurve zeigt den Verlauf der Gesamttiefe S1 der Kerbe, während die untere Kurve den Verlauf der Tiefe der Kerbbasis S2 wiedergibt. Man erkennt deutlich, dass bei vergleichsweise niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich bis zu etwa 800 mm/min eine vergleichsweise starke Abhängigkeit der Kerbtiefe (S1 , S2) von der Vorschubgeschwindigkeit vorliegt. Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten (etwa 800 - 3000 mm/min) ist die Abhängigkeit deutlich weniger ausgeprägt. Diese Versuche wurden bei einer Impulsfrequenz von 50 kHz und einer mittleren Impulsleistung von 50 W durchgeführt. Die anhand der vorbeschriebenen Figuren erläuterte Abhängigkeit der Kerbgeometrie von der Vorschubgeschwindigkeit wurde somit durch die in Figur 6 wiedergegebenen Versuche bestätigt.
Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, konnte man bei sehr niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten (kleiner als 200 mm/min) feststellen, dass die Kerbqualität aufgrund von thermischen Überhitzungen im Bereich des Kerbgrundes unzureichend war. Es entstanden verkohlte Bereiche, die das laserbearbeitete Werkstück praktisch unbrauchbar machten. Diese verkohlten Bereiche sind beispielsweise in der Figur 9 oben dargestellt, auf die später näher eingegangen wird.
Bei der Laserbearbeitung sollte daher darauf geachtet werden, dass die Vorschubgeschwindigkeit so gesteuert wird, dass derartige Qualitätseinbußen bei der Ausbildung der Bruchtrennkerbe vermieden werden.
Es zeigte sich, dass sich derartige Erscheinungen durch eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung vermeiden lassen, wobei dann eine Bruchtrennkerbe hergestellt wird, die zum Einen eine hinreichende Kerbtiefe aufweist, und zum Anderen mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten und somit in kurzer Zeit ausgebildet werden kann, wobei keinerlei Qualitätseinbußen zu erwarten sind, die in einer Verschlechterung der Bruchmechanik resultieren.
Figur 7 zeigt Beispiele für eine Vorschubgeschwindigkeitsmodulation, wobei diese nach einer Sinusfunktion erfolgt. Selbstverständlich kann die Geschwindigkeitsmodula- tion auch nach anderen, vorzugsweise periodischen Funktionen erfolgen. Gezeigt ist der Verlauf der Vorschubgeschwindigkeiten innerhalb eines bestimmten Vorschubbereichs, der nicht der gesamten Länge der auszubildenden Bruchtrennkerbe entspricht in Abhängigkeit von der Zeit. Konkret gezeigt ist hier der Vorschubbereich zwischen 67.5 und 69.5 mm, das heißt, es sind lediglich 2mm der gesamten Bruchtrennkerbe dargestellt, die Geschwindigkeitsmodulation in den nicht dargestellten Bereichen der Bruchtrennkerbe erfolgt jedoch entsprechend. Die sich leicht wellenförmig von links oben nach rechts unten dargestellten Kurven (oben liegende gestrichelte Kurve / unten liegende durchgezogene Kurve) zeigen den eigentlichen Vorschub in Richtung der Bruchtrennkerbe in Abhängigkeit von der Zeit t. Während dieses leicht wellenförmigen Vorschubs wird die Vorschubgeschwindigkeit nach den eingezeichneten Sinusfunktionen variiert, wobei die Sinusfunktion mit einer größeren Amplitude der gestrichelten Laserbahn zugeordnet ist, während die Sinusfunktion mit kleinerer Amplitude der durchgezogenen Laserbewegungsbahn zugeordnet ist. Man erkennt, dass die Vorschubgeschwindigkeit relativ hochfrequent geändert wird, so dass der Laserkopf 8 innerhalb kurzer Zeit stark beschleunigt und abgebremst werden muss, um das Bewegungsprofil entlang der auszubildenden Bruchtrennkerbe einzustellen.
In der Grafik gemäß Figur 7 sind rechts die jeweils eingestellten Vorschub- geschwindigkeits-lst-Werte dargestellt. Dementsprechend wurde bei der oben liegenden Geschwidnigkeitsmodulation die Geschwindigkeit im Bereich zwischen 1 17 und 1 157 mm/min variiert. Bei der Ausbildung der Bruchtrennkerbe mit einer derartigen Geschwindigkeitsmodulation ergibt sich eine Bruchtrennkerbengeometrie, wie sie beispielhaft in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist. Figur 8 zeigt ein Diagramm, bei dem die sich einstellende Kerbtiefe in Abhängigkeit von dem mittleren Vorschub Vm, das heißt dem Mittelwert der vorbeschriebenen Geschwindigkeitsmodulation einstellt. In Figur 8 erkennt man, dass beispielsweise bei einer mittleren Vorschubgeschwindigkeit von 800 mm/min (tatsächlich variiert die Vorschubgeschwindigkeit nach der Sinusfunktion gemäß Figur 7) sich eine Bruchtrennkerbe mit dem in Figur 8 eingeblendeten Verlauf einstellt. Man sieht deutlich, dass sich aus einer Kerbbasis mit dem Maß S2 (G) entsprechend der Sinusperiode unterschiedliche Kerbabschnitte ausbilden. Die mit S3 gekennzeichneten Abschnitte werden dabei in den Bereichen ausgebildet, in denen die Vorschubgeschwindigkeit vergleichsweise gering ist. Die mit S1 gekennzeichneten Kerbab- schnitte bilden sich in den Bereichen aus, in denen sich der Lasergeschwindigkeit mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit bewegt.
Der Verlauf der kennzeichnenden Größen S1 (P), S2 (G), S3 (P) in Abhängigkeit vom mittleren Vorschub ist im Diagramm gemäß Figur 8 dargestellt. Die oben liegende Kurve gibt dabei den Verlauf der gesamten Kerbtiefe (S3) bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit, die Kurve S1 den Verlauf der Kerbtiefe bei vergleichsweise hoher Vorschubgeschwindigkeit (immer während der Geschwindigkeitsmodulation) und die Kurve S2 den Verlauf der Tiefe der Kerbbasis wieder. Man erkennt, dass sich die Kerbtiefe mit Erhöhung der mittleren Vorschubgeschwindigkeit verringert. Deutlich sichtbar ist jedoch, dass mit entsprechender Geschwindigkeitsmodulation Kerbabschnitte mit variierenden Kerbtiefen ausgebildet werden können. Es zeigte sich, dass eine derartige Kerbe eine deutlich verbesserte Bruchmechanik gegenüber dem eingangs genannten Kerben aufweist. Mit anderen Worten gesagt, durch die Vorschubgeschwindigkeitsmodulation lassen sich vergleichsweise tiefe, und scharfe Startkerben ausbilden, die die Initiierungs- Risszähigkeit und die Arrest-Risszähigkeit gegenüber Bruchtrennkerben mit durchgehender Perforation ohne die Vorschubgeschwindigkeitsmodulation deutlich verbessern.
Es wird dadurch möglich, auch komplexe Bauteile zu cracken, wobei die Modulation der Vorschubgeschwindigkeit auch in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie erfolgen kann. Das heißt, bei sehr komplexen Bauteilen, mit beispielsweise Durchbrüchen im Bereich der Bruchtrennkerbe kann die Vorschubgeschwindigkeit an die Geometrie des Bauteils angepasst werden, so dass in unproblematischen Bereichen mit einer vergleichsweise hohen Vorschubgeschwindigkeit oder Amplitude der Vorschubgeschwindigkeitsmodulation gefahren wird, während in kritischeren Bereichen die Geschwindigkeitsmodulation entsprechend zurückgenommen wird, so dass sich eine geringere mittlere Vorschubgeschwindigkeit oder auch eine konstante Vorschubgeschwindigkeit einstellt.
Der Vorteil der beschriebenen Vorschubgeschwindigkeitsmodulation wird anhand Figur 9 verdeutlicht. Diese zeigt oben eine Bruchtrennkerbe, wie sie sich bei einer vergleichsweise geringen konstanten Vorschubgeschwindigkeit von 200 mm/min einstellen würde. Man erkennt deutlich die vergleichsweise große Kerbtiefe und die Verbren- nungen/Verkohlungen, die aufgrund des hohen Wärmeeintrags bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit entstehen können. Eine derartige Bruchtrennkerbe ist praktisch unbrauchbar.
In der darunter liegenden Abbildung ist dagegen eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Vorschubgeschwindigkeitsmodulation hergestellte Kerbe dargestellt, wobei die Geschwindigkeitsmodulation des Vorschubs im Bereich zwischen 1 17 und 1 157 mm/min erfolgte. Man erkennt deutlich, dass durch diese Modulation Verbrennungen im Bereich der Kerbbasis zuverlässig vermieden werden können. Weiterhin erkennt man die durch entsprechende Geschwindigkeitsmodulation ausgebildeten Kerbabschnitte mit größerer oder geringerer Tiefe, wobei die Tiefe auch vom Anstellwinkel des Lasers abhängt. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen lag der Anstellwinkel, das heißt der Einkoppelwinkel, etwa bei 30° mit Bezug zur Horizontalen in Figur 9.
Anhand der Figuren 10 und 1 1 wird eine Lasereinheit beschrieben, die besonders gut zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens mit Vorschubgeschwindigkeitsmodulation geeignet ist. Gemäß Figur 10 hat die Lasereinheit ein Lasermodul 16, das beispielsweise einen Faserlaser und die Steuerung dieses Faserlasers enthält. Die Steuerung der Lasereinheit 16 ist so ausgelegt, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls in der vorbeschriebenen Weise moduliert werden kann.
Der vom Lasermodul 16 erzeugte Laserstrahl 12 wird über Lichtleiter 18 zu einem in Figur 10 lediglich angedeuteten Rekollimator 20 geführt. In diesem wird der Laserstrahl zu einem Parallelstrahl umgewandelt, wobei der Strahldurchmesser im Bereich von etwa 6mm liegt. Dieser Parallelstrahl wird dann über die Lichtleiter 18 zum Laserkopf 8 geführt, über den dann ein Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück, im vorliegenden Fall ein Pleuelauge 1 eines Pleuels gerichtet wird. Der fokussierte Laserstrahl wird dabei mit einem Winkel von 30° zur Horizontalen in Figur 10 eingekoppelt. Der Laserkopf 8 ist mit einer Z-Vorschubachse 22 ausgeführt, über die der Vorschub in der Kerblängsachse erfolgt. Diese Vorschubachse ist als hochdynamische Achse ausgeführt, mit der äußerst hohe Beschleunigungen bei einer hohen Kreisverstärkung und einem großen Ruck durchführbar sind, so dass eine äußerst präzise Steuerung der Modulation erforderlich ist. Die Beschleunigungen können beispielsweise im Bereich zwischen 1 bis 2 g, die Kreisverstärkung im Bereich von 10 n/min/mm (166,71 /s) und der Ruck größer als 400 m/s3 liegen. Zur beidseitigen Bearbeitung des Pleuelauges 1 ist der Laserkopf 8 noch mit einer Schwenkachse 24 ausgeführt, über die der Laserkopf 8 um die Z-Vorschubachse 22 verschwenkbar ist. Die Lasereinheit hat des Weiteren noch eine X-Stellachse 26, über die der gesamte Laserkopf 8 in X- Richtung (radial zum Pleuelauge 1 ) verfahrbar ist. Mit einer derartigen Einrichtung lassen sich auch sinusförmige Bruchtrennkerben ausbilden.
Figur 1 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Strahlführung im Laserkopf 8. Dargestellt ist der an den Faserlaser (Lasermodul 16) angekoppelte Lichtleiter 18. Der Laserstrahl wird im Rekollimator 20 in einen Parallelstrahl mit einem Durchmesser von etwa 6mm umgewandelt und dann über einen Umlenkspiegel 28 um 90° in Richtung der Pleuelaugenachse umgelenkt. Der umgelenkte Laserstrahl 12 wird dann über eine Optik mit einer Brennweite von beispielsweise 100mm auf die Pleuelaugenwandung fokus- siert, wobei eine Ausrichtung zur Pleuelumfangswandung über einen weiteren Umlenkspiegel 32 erfolgt, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 60° zur Horizontalen angestellt ist, so dass der Laserstrahl resultierend in einem Einkoppelwinkel von 30° zur Horizontalen oder in einen Anstellwinkel von 60° zu dem auf den Umlenkspiegel 32 auftreffenden senkrechten Teil des Laserstrahls 12 (Umlenkung 60°) auf die Pleuelumfangswandung auftrifft. Der Laserstrahl tritt über eine Düse 34 aus und ist dabei so fokussiert, dass der Laserspot in etwa 3mm vor der Austrittsebene der Düse 34 liegt. Zur Vermeidung einer Verschmutzung der Optik 30 und der Spiegel 28, 32 ist im Strahlengang zwischen Düse 34 und Umlenkspiegel 32 ein Schutzglas 34 vorgesehen. In der Darstellung gemäß Figur 1 1 erkennt man auch die Schwenkachse 24, dabei ist der Laserkopf 8 über ein Drehlager 38 drehbar gelagert und kann über einen nicht dargestellten Motor um die Z-Vorschubachse 22 verschwenkt werden, so dass praktisch jeder Umfangswandungsbereich des Pleuels erreichbar ist.
Bei Verwendung eines Faserlasers und durch geeignete Wahl einer Vorschubgeschwindigkeitsmodulation und einer vergleichsweise (gegenüber herkömmlichen Lösungen) hohen Impulsrate kann somit eine Perforation ausgebildet werden, die eine optimale Kerbwirkungszahl hat, jedoch mit wesentlich geringerem Energieeintrag und mit erheblich schnelleren Vorschubgeschwindigkeiten ausgebildet werden kann, als dies bei herkömmlichen Systemen der Fall ist.
Die durchgeführten Versuche zeigen, dass sich beispielsweise bei einem Faserlaser mit einer Leistung von 50 Watt bei einer Impulsfrequenz von 20 kHz eine Bruchtrennkerbe 4 ausbilden lässt, bei der die Kerbabschnitte 6 einen Abstand in 1/10 mm- Bereich, vorzugsweise im Bereich von 0.1 bis 0.3 mm haben. Es zeigte sich, dass auch bei Verwendung eines Lasers mit einer Leistung von nur 30 Watt eine hochwirksame perforierte Bruchtrennkerbe 4 ausgebildet werden kann.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt eine Vorschubmodulation. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine Pulsmodulation, beispielsweise in der nachfolgend beschriebenen Weise erfolgen.
Im Prinzip wird bei einer derartigen Pulsmodulation eine impulsförmige Trägeroder Grundfunktion moduliert, wobei beispielsweise die Pulsbreite, die Pulsdauer oder die Pulsphase variiert werden kann. Vorzugsweise werden die Pulsenergie (Pulsram- ping) oder die Pulsfrequenz/Plusfolge moduliert. Bei einer Pulsamplitudenmodulation wird die vorgenannte rechteckförmige Trägerimpulsfolge durch eine Variation der Impulsamplituden verändert. Bei einer Pulsdauermodulation wird entsprechend die Pulsbreite der zugrunde liegenden Trägerfunktion variiert. In entsprechender Weise wird bei einer Pulsphase die Pulslage gegenüber der jeweiligen Trägerfunktion phasenverschoben, wobei eine feste Impulsbreite und Impulsamplitude verwendet wird.
Im Folgenden erläutert wird ein zeitgesteuertes Pulsenergie-Ramping mit konstanter Impulsfrequenz und eine Pulsfolgemodulation mit in etwa konstanter Impulsleistung.
Beim zeitgesteuerten Pulsenergie-Ramping ist die Zeitsteuerung an die vorliegende, vorzugsweise konstante Vorschubgeschwindigkeit und das gewünschte Kerb- abschnittsraster (Perforationsraster) angepasst. Die Pulsenergierampenform bildet dabei die Perforationsform in etwa ab. Anhand Figur 12 wird eine derartige Modulation mit einem zeitgesteuerten Puls- energie-Ramping dargestellt. Als Ausgangs- oder Trägerfunktion ist dargestellt der Verlauf der Pulsenergie EKi in Abhängigkeit von der Zeit, wobei die Pulsenergie beispielsweise 1 mJ bei einer Impulslänge von 120 ns und einer Frequenz von 50 kHz beträgt. Diese Trägerfunktion wird überlagert mit einer rampenförmigen Modulation der Pulsenergie (PRamp), deren Verlauf in Figur 12 dargestellt ist. Die Puls-Rampenform ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa sinusförmig ohne Nulldurchgang ausgeführt. Prinzipiell können jedoch auch andere Rampenformen mit ansteigender und absteigender Flanke und einem Plateau mit gleichbleibender Leistung/Energie verwendet werden. Die Modulation der Ausgangs- oder Trägerfunktion erfolgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die vorgegebene maximale Pulsenergie (1 mJ) periodisch verringert wird, wobei diese Verringerung und der sich daran anschließende Anstieg auf die maximale Impulsenergie (Ramping) in etwa sinusförmig verläuft.
Die entsprechende Modulation der Trägerfunktion EKi führt dann zu der dargestellten Pulsenergievariation mit einer Rampenform (ERamp)- Man erkennt deutlich, dass die zeitliche Aufeinanderfolge der Rampen, d.h. die Pulsenergierampenform den Kerbabstand K bestimmt, so dass die Pulsenergierampenform die Perforationsform abbildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine konstante Vorschubgeschwindigkeit vorausgesetzt, wobei diese in etwa 200 mm/min beträgt und die lmpulsfrequenz/-periode der Funktion PRamp beim dargestellten Ausführungsbeispiel konstant 1 1.1 Hz beträgt. Die Pulsenergie (ERamp) des Lasers variiert entsprechend der Rampenfunktion mit der gleichen Frequenz, wobei sich entsprechend dieser Frequenz und der gewählten Vorschubgeschwindigkeit der Kerbabschnitt K einstellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel stellt sich somit ein Kerbabstand K ein, der deutlich größer ist, als er sich rechnerisch aus der eigentlichen Impulsfrequenz (50 kHz (siehe Funktion EKi)) und der gewählten Vorschubgeschwindigkeit ergibt, da dieser Kerbabstand K im wesentlichen von der gewählten Frequenz/Periode der Rampenfunktion (1 1.1 Hz) abhängt.
Figur 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Pulsfolge- oder Pulsfrequenzmodulation. Ähnlich wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ausgegangen von einer Ausgangs- oder Trägerimpulsfolge mit einer Pulsenergie von 1 m J, einer Impulslänge von 120 ns. Diese Ausgangsfunktion wird bei der Pulsfolgemodulati- on moduliert, indem die Pulsfrequenz zwischen einem Maximalwert von 100 kHz und einem Minimalwert von 20 kHz variiert wird, wobei die Variation gemäß Figur 13 wieder in etwa sinusförmig durchgeführt wird. Die Periode dieser Impulsfolge- oder Frequenzänderung bestimmt dann wieder den Kerbabstand K. Man erkennt deutlich, dass in den Bereichen miti einer Impulsleistung von 1 mJ und einer hohen Frequenz im Bereich von 100 kHz die maximale Kerbtiefe ausgebildet wird. Dementsprechend ist die Kerbtiefe abhängig von der Pulsfrequenz (bei konstanter Pulsleistung). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Periode der Pulsmodulation 1 1 .1 Hz. Die Vorschubgeschwindigkeit liegt bei 200 mm/min. Durch eine derartige Modulation der Trägerfunktion ergibt sich eine Pulsfolgemodulation EKipf, bei der die Impulsfolge zwischen 10 und 50 με bei einer Modulationsfrequenz (Pulszug-Periode von 1 1 .1 Hz) variiert ist.
Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12 ergibt sich der Kerbabstand K bei einer derartigen Pulsfolgemodulation aus der Periode (1 1 .1 Hz), so dass durch entsprechende Wahl der Frequenz-Periode (Pulsfolgemodulation) oder der Periode der Rampenform (Pulsenergie-Ramping) das Perforationsraster, d.h. der Kerbabstand K ergibt. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen stellt sich beispielsweise ein Kerbabstand von 0.3 mm ein. Diese Art der Modulation kann man auch als„Fre- quenzwobbeln" bezeichnen.
Figur 14 zeigt in sehr allgemeiner Form ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kerbtiefe oder der Kerbabstand durch Variation der Pulsleistung P verändert wird, wobei diese Leistungsregelung dynamisch erfolgt. Dabei werden sowohl die Pulsbreite als auch die Pulsamplitude und ggf. auch die Pulsfrequenz variiert.
Im Prinzip kann bei der Pulsmodulation auch ein Burst-Mode verwendet werden, bei denen die Laserpulse aus einem Energiespeicher ausgegeben werden, bis eine festgelegte Anzahl von Pulsen erreicht oder der Energiespeicher entladen ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Bruchtrennkerbe dann vollständig ausgebildet ist und das Werkstück einer weiteren Station zugeführt wird. Der Energiespeicher wird dann während dieses Werkstückshandlings aufgeladen und ist dann bereit zur nächsten Laserbearbeitung. Anhand des Diagramms in Figur 15 sollen die Erkenntnisse aus der Erfindung nochmals zusammengefasst werden. Dieses Diagramm zeigt die Tiefe der Kerbe in Abhängigkeit vom Vorschub und von der Pulsfrequenz.
Wie vorstehend detailliert dargelegt, wird bei vergleichsweise geringen Vorschubgeschwindigkeiten eine größere Kerbtiefe erzielt, während bei einer Modulation der Pulsfrequenz die Kerbtiefe mit höherer Frequenz zunimmt. Dementsprechend ist bei einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit die Kerbtiefe bei einer hohen Frequenz (100 kHz) nahezu doppelt so große wie bei einer Pulsfrequenz von 50 kHz. Dabei wird vorausgesetzt, dass ein Laser mit einer mittleren Leistung von 100 Watt bei einer Pulsenergie von 1 mJ, einer Pulsdauer von 130 ns und einem Einkoppelwinkel von 90° verwendet wird.
Wie bereits mehrfach erwähnt, können sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch der Laserpuls moduliert werden. Die Anmelderin tendiert dazu, die Vorschubgeschwindigkeit bei voller Laserleistung zu variieren, wobei durch die nahezu lineare Abhängigkeit der Kerbtiefe von der Modulation der Vorschubgeschwindigkeit immer bei voller Laserleistung gearbeitet werden kann. Mit dem Einsatz der Linearmotortechnik können die Nebenzeiten stark reduziert werden, wobei die Vorschubgeschwindigkeitsmodulation relativ einfach durchführbar ist. Die Modulation lässt sich noch weiter vereinfachen, wenn der Laser mit Scannertechnik ausgeführt wird, wobei die Ausrichtung des Lasers über einen Schwenkspiegel oder eine Optik erfolgt, so dass auf eine Linearachse weitestgehend verzichtet werden kann.
Offenbart sind ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück. Erfindungsgemäß wird die Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Laserpuls während der Laserbearbeitung in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie und/oder moduliert. Bezugszeichenliste:
1 Pleuelauge
2 Bruchebene
4 Bruchtrennkerbe
6 Kerbabschnitte
8 Laserkopf
10 Fokussieroptik
12 Laserstrahl
14 Umfangswandung
16 Lasermodul
18 Lichtleiter
20 Rekollimator
22 Vorschubachse
24 Schwenkachse
26 Stellachse
28 Umlenkspiegel
30 Optik
32 Umlenkspiegel
34 Düse
36 Schutzglas
38 Drehlager

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken (1 ) mittels Laserenergie, wobei durch Relativverschiebung zwischen einem Laserstrahl (12) und dem Werkstück (1 ) eine eine Bruchtrennebene vorgebende Bruchtrennkerbe (4) ausgebildet wird, wobei diese in Form einer Perforation mit Kerbabschnitten (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit (V) und/oder die Pulsparameter des Lasers während der Bearbeitung variiert werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei der Laserstrahl (12) schräg zur Kerblängsachse eingekoppelt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die Vorschubgeschwindigkeit (V) nach einer periodischen Funktion, beispielsweise einer Sinusfunktion, variiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Vorschubgeschwindigkeit zwischen 100mm/min und 1500mm/min variiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Pulsmodulation durch Variation der Pulsbreite, der Pulsfrequenz, der Pulsamplitude und/oder der Pulsphase erfolgt, wobei Parameter einzeln oder in beliebiger Kombination moduliert werden.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, wobei die Modulation durch zeitgesteuertes Pulsenergie-Ramping bei konstanter Impulsfrequenz erfolgt.
7. Verfahren nach Patentanspruch 5 oder 6, wobei die Modulation durch Pulsfolge-/Pulsfrequenzmodulation, vorzugsweise im Bereich zwischen 100 kHz und 20 kHz, mit konstanter Impulsleistung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei als Laser ein Faserlaser verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bruchtrennkerbe (4) eine durchgehende Kerbbasis hat, aus der heraus sich die Kerbabschnitte (6) erstrecken.
10. Werkstück, insbesondere ein Pleuel oder ein Kurbelwellengehäuse, hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 9.
1 1 . Werkstück nach Patentanspruch 10, wobei dieses sich etwa periodisch wiederholende Folgen von einem oder mehreren Kerbabschnitten (6) mit geringer Tiefe und einem oder mehreren Kerbabschnitten (6) mit größerer Tiefe oder in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie unterschiedliche Kerbtiefen (P) hat.
12. Lasereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Laser, einem Laserkopf (8) zum Fokussieren eines Laserstrahls (12) auf ein zu bearbeitendes Werkstück, mit zumindest einer in Vorschubrichtung wirkenden Vorschubachse (22) und mit einer Steuereinheit (16) zum Variieren der Vorschubgeschwindigkeit und/oder von Pulsparametern des Lasers während der Laserbearbeitung.
13. Lasereinheit nach Patentanspruch 12, wobei die Vorschubachse (22) derart ausgelegt ist, dass Vorschubgeschwindigkeitsänderungen mit einer Beschleunigung von > 0,5g, vorzugsweise bis zu 2g möglich sind.
14. Lasereinheit nach Patentanspruch 12 oder 13, wobei die mittlere Leistung des Lasers 100 Watt und weniger, bei einer maximalen Impulsrate von mehr als 20kHz, vorzugsweise etwa 100 kHz beträgt.
15. Lasereinheit nach einem der Patentansprüche 12 bis 14, wobei eine Periode der Modulation derart gewählt ist, dass sich ein vorbestimmter Kerbabstand (K) einstellt.
EP12714675.1A 2011-04-06 2012-04-10 Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit Withdrawn EP2694242A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/110,023 US20140090515A1 (en) 2011-04-06 2012-04-10 Method for Fracture Splitting Workpieces, Workpiece, and Laser Unit
EP12714675.1A EP2694242A1 (de) 2011-04-06 2012-04-10 Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2011/055384 WO2011124627A1 (de) 2010-04-06 2011-04-06 Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit
PCT/EP2012/056480 WO2012136858A1 (de) 2011-04-06 2012-04-10 Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit
EP12714675.1A EP2694242A1 (de) 2011-04-06 2012-04-10 Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2694242A1 true EP2694242A1 (de) 2014-02-12

Family

ID=49884339

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP12714675.1A Withdrawn EP2694242A1 (de) 2011-04-06 2012-04-10 Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20140090515A1 (de)
EP (1) EP2694242A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6958340B2 (ja) 2017-12-25 2021-11-02 トヨタ自動車株式会社 コンロッドの製造方法及びコンロッド
EP4008474B1 (de) * 2019-08-01 2024-07-17 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. Verfahren zur herstellung eines schneidwerkzeugs, und das schneidwerkzeug

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5208979A (en) * 1991-09-19 1993-05-11 Howard Schmidt Prefracture laser formation of a stress riser groove
JP2004308779A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Daido Metal Co Ltd 摺動部材及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20140090515A1 (en) 2014-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2310163B1 (de) Verfahren zum exzentrischen ausrichten eines laserschneidstrahls zu einer düsenachse und zum schrägschneiden; entsprechende laserbearbeitungskopf und laserbearbeitungsmaschine
WO2022037797A1 (de) Verfahren zur herstellung mindestens eines werkstückteils und eines restwerkstücks aus einem werkstück
EP4017674B1 (de) Verfahren zum brennschneiden mittels eines laserstrahls
EP3914418B1 (de) Prozess zur strahlbearbeitung eines platten- oder rohrförmigen werkstücks
EP2489458A1 (de) Laserbearbeitungsvorrichtung mit umschaltbarer Laseranordnung und Laserbearbeitungsverfahren
WO2012136858A1 (de) Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit
DE102012003202A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere von Schneiden oder mit Schneiden versehenen Werkstücken, mit einem Nasslaser
DE10340931A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bohren feinster Löcher
DE102023104504A1 (de) Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und Werkstück
DE19534360A1 (de) Verfahren und Einrichtung zum Bruchtrennen von Werkstücken
EP4238687A1 (de) Verfahren zur bearbeitung eines platten- oder rohrförmigen werkstücks
WO2014048539A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum dampfdruck-abtragschneiden eines metallischen werkstücks
DE3801068A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum abtragen mittels gebuendelter energiestrahlen
DE102009047995B3 (de) Verfahren zur gratfreien trennenden Bearbeitung von Werkstücken
EP2694242A1 (de) Verfahren zum bruchtrennen von werkstücken, werkstück und lasereinheit
EP2468445B1 (de) Laserbearbeitungsmaschine mit einem Diodenlaser, dessen Strahl um seine Strahlachse drehbar ist, und Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks
DE102005017294A1 (de) Laserstrahlbearbeitungseinrichtung und Verfahren zum Bearbeiten mittels Laserstrahl
DE102015212284A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum pulverbasierten Laser-Auftragsschweißen
EP2470940B1 (de) Brille, vorrichtung mit einem brillenelement und einem scharnierteil, und verfahren zum befestigen eines scharnierteils auf einem brillenelement
DE102005034106A1 (de) Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken mit einem Faserlaser
WO2023072568A1 (de) Verfahren zur herstellung von werkstückteilen mit angefasten schnittkanten
DE29519126U1 (de) Einrichtung zum Bruchtrennen eines Werkstücks
DE102004041502B4 (de) Überlappschweißverfahren mittels Strahlschweißung, insbesondere mittels Laserstrahlschweißung, an beschichteten Blechen, insbesondere an verzinkten Stahlblechen
EP4415919A1 (de) Verfahren zum laserschweissen eines werkstücks mit schnellem wechsel zwischen schweisszonen mit unterschiedlichen zu schweissenden materialien
EP4238690A1 (de) Verfahren zur bearbeitung eines platten- oder rohrförmigen werkstücks

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20131106

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20161025

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20181101