JP2014519982A - Method, workpiece and laser apparatus for breaking and dividing a workpiece - Google Patents

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Abstract

ワークピースを破断分割するための方法及び当該方法に従って製造されたワークピースを開示する。本発明によれば、レーザー加工時に、ワークピースの形状及び/又は周期に応じて移動速度及び/又はレーザーパルスを変調させる。  Disclosed is a method for breaking and dividing a workpiece and a workpiece manufactured according to the method. According to the present invention, at the time of laser processing, the moving speed and / or the laser pulse are modulated according to the shape and / or period of the workpiece.

Description

本発明は、請求項1の前文に係る、ワークピースを破断分割するための方法、当該方法に従って製造されたワークピース並びにレーザー装置に関する。   The present invention relates to a method for breaking and dividing a workpiece, a workpiece manufactured according to the method and a laser device according to the preamble of claim 1.

本願出願人による特許文献1は、破断分割するコネクティングロッドの上端部に、レーザーエネルギーによって破断面を定めるノッチを形成する破断分割方法を開示している。ノッチは複数のノッチ部からなり、ノッチ部の距離はレーザーのパルスレート及びコネクティングロッドの上端部に対するレーザービームの移動速度(feed rate)によって実質的に決まる。上記方法によれば、ノッチ部による連続するノッチに対して応力集中係数を非常に大きくすることができ、比較的小さなレーザー出力でノッチを形成することができる。小さなレーザー出力及びそれに伴って導入される低い熱エネルギーにより、ノッチ領域における望ましくない深い構造変化を防止することができる。構造変化はノッチの特定の周辺領域のみで生じ、破断分割挙動を改善することができる。   Patent document 1 by the present applicant discloses a fracture dividing method in which a notch for determining a fracture surface by laser energy is formed at an upper end portion of a connecting rod to be fractured and divided. The notch is composed of a plurality of notches, and the distance of the notch is substantially determined by the pulse rate of the laser and the feed rate of the laser beam with respect to the upper end of the connecting rod. According to the above method, the stress concentration coefficient can be made very large with respect to the continuous notches by the notch portions, and the notches can be formed with a relatively small laser output. The small laser power and the accompanying low thermal energy introduced can prevent undesired deep structural changes in the notch region. Structural changes occur only in certain peripheral areas of the notch, which can improve the fracture splitting behavior.

本願出願人による特許文献2は、直線的な形状ではなく、直線的に延びる端部を有する正弦形状を有するようにノッチを形成する改良された方法を開示している。予期せぬことだが、そのようにノッチを設計することによって破断分割挙動をさらに改善させることができる。   Applicant's US Pat. No. 6,057,077 discloses an improved method of forming a notch to have a sinusoidal shape with linearly extending ends rather than a linear shape. Unexpectedly, the fracture splitting behavior can be further improved by designing the notches in that way.

そのようなノッチ部を含むレーザーノッチは、その破断挙動が連続ノッチよりも優れているため、特にコネクティングロッド及びクランクケースの破断分割においては技術水準として確立されている。これらの破断分割特性は有用ではあるが、破断分割挙動をさらに改善させる試みがなされている。   A laser notch including such a notch portion is established as a state of the art, particularly in the breaking division of a connecting rod and a crankcase, because its breaking behavior is superior to that of a continuous notch. Although these break splitting properties are useful, attempts have been made to further improve the break splitting behavior.

欧州特許第0 808 228 B2号European Patent No. 0 808 228 B2 ドイツ特許出願第2005 031 335 A1号German Patent Application 2005 031 335 A1

本発明の目的は、破断分割ノッチのノッチ部を容易に形成することができる方法を提供することにある。また、本発明の目的は、前記方法に従って製造されたワークピース及び前記方法を実施するためのレーザー装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method capable of easily forming a notch portion of a fracture split notch. Another object of the present invention is to provide a workpiece manufactured according to the method and a laser apparatus for carrying out the method.

上記目的は、請求項1に記載された特徴の組み合わせを含む方法、請求項10に記載された特徴を含むワークピース及び請求項12に記載された特徴を含むレーザー装置によって達成される。   The object is achieved by a method comprising a combination of features as claimed in claim 1, a workpiece comprising the features as claimed in claim 10 and a laser device comprising the features as claimed in claim 12.

本発明に係る方法では、従来の方法と同様に、レーザーエネルギーを使用して複数のノッチ部を有するレーザーノッチを形成する。本発明によれば、レーザーを使用するノッチの形成時に、移動(feed)の変調、つまり、効果的に関与しているレーザービームとワークピースとの間の相対的な運動及び/又はレーザーパルスが用いられる。上記変調により、ノッチ部の深さ又はノッチ間距離を異ならせることができる。ノッチ部の深さとは、レーザービームの方向におけるレーザービームの浸透深さを意味する。また、移動速度及び/又はパルスパラメータを変化させることにより、連続する領域(以下「ノッチ基部」という)の深さを変化させることができる。そのようなノッチは、ほぼ一定の形状を有する従来のノッチに対して高い応力集中係数及び改善された破断力学を有する。前記方法は、実質的に、破断分割に使用されるあらゆるレーザーを使用して実施することができる。   In the method according to the present invention, a laser notch having a plurality of notches is formed using laser energy as in the conventional method. According to the present invention, during the formation of a notch using a laser, the modulation of the feed, i.e. the relative movement between the laser beam and the workpiece being effectively involved and / or the laser pulse, Used. By the modulation, the depth of the notch portion or the distance between the notches can be varied. The depth of the notch means the penetration depth of the laser beam in the direction of the laser beam. Further, the depth of the continuous region (hereinafter referred to as “notch base”) can be changed by changing the moving speed and / or the pulse parameter. Such notches have a higher stress concentration factor and improved fracture mechanics than conventional notches having a substantially constant shape. The method can be performed using virtually any laser used for break splitting.

レーザービームは、縦方向ノッチ軸に対して斜めに照射することが好ましい。   The laser beam is preferably irradiated obliquely with respect to the longitudinal notch axis.

予期しなかったことだが、上記基準を適切に選択することにより、非常に高いパルスレート及び高い移動速度を採用する場合でも、計算上のノッチ間距離よりもノッチ間距離がかなり大きい、穿孔を有するノッチを形成することができる。上記手法には、非常に高い移動速度を有する高周波レーザーを使用でき、従来の解決手段と比較して、熱の導入量を低下させながら、より高速にレーザーノッチを形成することができるという利点がある。   Unexpectedly, with proper selection of the above criteria, even with very high pulse rates and high moving speeds, with perforations that have a significantly larger notch distance than the calculated notch distance A notch can be formed. The above method has the advantage that a high-frequency laser having a very high moving speed can be used, and a laser notch can be formed at a higher speed while reducing the amount of heat introduced compared to conventional solutions. is there.

本発明によれば、周期関数、例えば正弦関数に従って移動速度を変化させるか、部品の形状に応じて移動速度を変化させることが好ましい。   According to the present invention, it is preferable to change the moving speed according to a periodic function, for example, a sine function, or to change the moving speed according to the shape of the part.

レーザー加工時の移動速度は、100〜1500mm/分の範囲で変化させることができる。   The moving speed at the time of laser processing can be changed in the range of 100-1500 mm / min.

レーザービームは、例えば、レーザーヘッドを移動させるか、より簡単な方法としては、傾斜ミラー(スキャナー)を使用することによって静止したワークピースに対して移動させることができる。あるいは、運動学的に反転させて、ワークピースを静止したレーザービームに対して移動させるか、それらの組み合わせを使用することができる。レーザービームは、径方向、つまり破断分割ノッチに対して垂直に照射するか、破断分割ノッチに対して斜めに照射することができる。   The laser beam can be moved relative to a stationary workpiece, for example, by moving the laser head or, more simply, by using an inclined mirror (scanner). Alternatively, kinematic inversion can be used to move the workpiece relative to a stationary laser beam, or a combination thereof can be used. The laser beam can be irradiated in the radial direction, that is, perpendicularly to the fracture split notch, or obliquely with respect to the fracture split notch.

レーザービームを径方向に照射する場合には、ノッチ部はノッチ軸に対して法線方向に形成され、レーザービームを斜めに照射する場合には、ノッチ部はノッチ軸に対して傾斜して形成される。レーザービームは、縦方向ノッチ軸に対して垂直な平面(コネクティングロッドの場合には、コネクティングロッドの上端部の径方向の面)に対して45°以下の角度で照射することが好ましい。コネクティングロッドが水平に保持され、移動方向がコネクティングロッドに対して垂直である(ノッチ軸)場合には、角度は水平方向に対して30°であって、垂直方向に対して60°とすることができる(図11を参照)。   When the laser beam is irradiated in the radial direction, the notch portion is formed in the normal direction with respect to the notch axis, and when the laser beam is irradiated obliquely, the notch portion is formed inclined with respect to the notch axis. Is done. The laser beam is preferably irradiated at an angle of 45 ° or less with respect to a plane perpendicular to the longitudinal notch axis (in the case of a connecting rod, the radial surface of the upper end portion of the connecting rod). If the connecting rod is held horizontally and the direction of movement is perpendicular to the connecting rod (notch axis), the angle should be 30 ° to the horizontal direction and 60 ° to the vertical direction. (See FIG. 11).

パルス変調は、例えば、パルス幅、パルス周波数、パルス振幅及び/又はパルス位相を変化させることによって行うことができる。これらのパラメータはパルス変調のみにより、あるいは記録されたパルス出力/パルスエネルギー又は例えば一定のパルス出力におけるパルスシーケンスを組み合わせることにより、ノッチの深さ又はノッチ間距離を変化させ、破断挙動を最適化するためにも変化させることができる。例えば、粘性材料の場合には、周辺破断分割ノッチが形成される。それらのワークピースでは、ノッチ間距離又はノッチの深さを破断分割ノッチに応じて変化させることができ、例えば、コネクティングロッドの上端部及び実際のコネクティングロッドの上端部の外側に延びる部分に沿って変化させることができる。   Pulse modulation can be performed, for example, by changing the pulse width, pulse frequency, pulse amplitude, and / or pulse phase. These parameters change notch depth or inter-notch distance and optimize fracture behavior by pulse modulation alone or by combining recorded pulse output / pulse energy or pulse sequence at constant pulse output, for example Can also be changed. For example, in the case of a viscous material, a peripheral fracture split notch is formed. In those workpieces, the distance between notches or the depth of the notches can be varied depending on the breaking split notch, for example along the upper end of the connecting rod and the part extending outside the upper end of the actual connecting rod. Can be changed.

これらのパラメータを適切に選択することにより、例えば、前記変調を実質的に一定のパルス周波数における時間制御パルスエネルギーランピングによって行うことができる。「ランピング」という用語は、パルスシーケンス時にパルス出力を勾配(ramp)に向けて増加及び/又は勾配から減少させる方法を意味する。   By appropriately selecting these parameters, for example, the modulation can be performed by time-controlled pulse energy ramping at a substantially constant pulse frequency. The term “ramping” means a method of increasing and / or decreasing the pulse power towards a ramp during a pulse sequence.

前記変調は、パルスシーケンス/パルス周波数変調によっても行うことができ、そのような場合には、パルス出力をほぼ一定に保つことができる。   The modulation can also be performed by pulse sequence / pulse frequency modulation. In such a case, the pulse output can be kept substantially constant.

上述したように、その他のパラメータも変化させることができる。   As described above, other parameters can also be varied.

また、移動速度とパルスの両方を変調させることもでき、そのような変調は連続的又は重複するように又は同時に行うことができる。   It is also possible to modulate both the speed of movement and the pulses, and such modulation can be performed sequentially or overlapping or simultaneously.

本発明によれば、ファイバーレーザーをレーザーとして使用することが好ましい。ファイバーレーザーは公知であり、ファイバーレーザーの構造の詳細な説明は省略する。   According to the invention, it is preferred to use a fiber laser as the laser. Fiber lasers are known, and detailed description of the fiber laser structure is omitted.

本発明の一実施形態においては、約100〜200nsのパルス持続期間において50W又は100Wの平均出力及び1kHz、好ましくは10kHzを超えるパルスレートを有するレーザーを使用し、1000mm/分を超える移動速度とすることができる。従来の方法におけるパルスレートはほぼ上記範囲内であり、パルス周波数はより低い(例えば50〜140Hz)。   In one embodiment of the present invention, a laser having a 50 W or 100 W average power and a pulse rate of greater than 1 kHz, preferably greater than 10 kHz, with a pulse duration of about 100-200 ns is used, with a moving speed exceeding 1000 mm / min. be able to. The pulse rate in the conventional method is approximately within the above range, and the pulse frequency is lower (for example, 50 to 140 Hz).

本発明の好適な実施形態においては、ノッチ部は連続ノッチ基部から延びている。   In a preferred embodiment of the invention, the notch extends from the continuous notch base.

前記方法に従って製造されたワークピースは、例えば、コネクティングロッド又はクランクケース、若しくは開口部(bearing eye)又はその他の領域を破断分割法によって分割するあらゆるワークピースであってもよい。   The workpiece manufactured according to the method may be, for example, a connecting rod or crankcase, or any workpiece that divides an opening or other region by a fracture splitting method.

前記方法に従って製造されたワークピースは、レーザーの移動速度又はパルスを変化させることによって形成された異なる深さ又は異なるノッチ間距離のノッチ部を有することができる。移動速度の変化はノッチ部に沿って周期的に繰り返されることが特に好ましい。   Workpieces manufactured according to the method can have notches with different depths or different notch distances formed by changing the moving speed or pulse of the laser. It is particularly preferable that the change in the moving speed is repeated periodically along the notch portion.

前記方法を実施するためのレーザー装置は、レーザーモジュールと、レーザーモジュールから放射されたレーザービームを加工されるワークピースに集光するためのレーザーヘッドと、移動方向に可動である移動軸と、を含む。移動軸は制御装置によって制御することができ、レーザー加工時に移動距離を調節することができる。また、制御装置によってパルス変調を行うこともできる。   A laser apparatus for carrying out the method includes a laser module, a laser head for condensing a laser beam emitted from the laser module onto a workpiece to be processed, and a moving axis movable in a moving direction. Including. The moving axis can be controlled by a control device, and the moving distance can be adjusted during laser processing. Also, pulse modulation can be performed by the control device.

ノッチ間距離は、パルス変調の周期、例えば、パルスエネルギーランピング又はパルス周波数変調の周期によって決まる。出願人は上記特徴に関する請求については権利を保留する。   The distance between notches is determined by the period of pulse modulation, for example, the period of pulse energy ramping or pulse frequency modulation. Applicant reserves the right to claim for the above features.

0.5gを超え、好ましくは1〜2gの加速度で移動速度を変化させることができる非常にダイナミックな移動軸が好ましい。すなわち、正弦形状(矩形であってもよい)を有するように移動速度プロファイルを高精度で変化させることができる。   A very dynamic movement axis is preferred that can change the movement speed with an acceleration of over 0.5 g, preferably 1-2 g. That is, the moving speed profile can be changed with high accuracy so as to have a sinusoidal shape (which may be rectangular).

図1は、大型のコネクティングロッドの上端部に破断分割ノッチを形成するためのレーザー装置の概略図を示す。FIG. 1 shows a schematic view of a laser device for forming a fracture split notch at the upper end of a large connecting rod. 図2は、本発明の方法に従って形成された破断分割ノッチの拡大図を示す。FIG. 2 shows an enlarged view of a fracture split notch formed in accordance with the method of the present invention. 図3は、レーザー出力及び/又はパルスレートを変化させた場合の破断分割ノッチの拡大図を示す。FIG. 3 shows an enlarged view of the split split notch when the laser power and / or pulse rate is changed. 図4は、移動速度に依存する破断分割ノッチを示す。FIG. 4 shows a broken split notch depending on the moving speed. 図5は、平均レーザー出力に依存する破断分割ノッチを示す。FIG. 5 shows a break split notch depending on the average laser power. 図6は、レーザービームの移動速度に対するノッチの深さの依存度を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the dependence of the depth of the notch on the moving speed of the laser beam. 図7は、時間の関数としての移動速度変調を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the movement speed modulation as a function of time. 図8は、移動速度変調を行う場合の平均移動速度に対するノッチの深さの依存度を説明する図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the dependence of the notch depth on the average moving speed when moving speed modulation is performed. 図9は、移動速度変調を行う場合及び行わない場合の同様な条件における破断分割ノッチの画像を示す。FIG. 9 shows an image of a fractured split notch under the same conditions with and without moving speed modulation. 図10は、移動速度変調を行うレーザー方法に使用することができるレーザー装置の概略図を示す。FIG. 10 shows a schematic diagram of a laser apparatus that can be used in a laser method for performing movement speed modulation. 図11は、図10に示すレーザー装置のレーザーヘッドの概略図を示す。FIG. 11 is a schematic view of the laser head of the laser apparatus shown in FIG. 図12は、レーザーのパルス振幅変調を説明する図である。FIG. 12 is a diagram for explaining laser pulse amplitude modulation. 図13は、レーザーのパルスシーケンス変調を説明する図である。FIG. 13 is a diagram for explaining pulse sequence modulation of a laser. 図14は、図12及び図13に示す実施形態の変形例である。FIG. 14 is a modification of the embodiment shown in FIGS. 12 and 13. 図15は、移動速度及びパルス周波数変調のノッチの深さに対する影響を説明する図である。FIG. 15 is a diagram for explaining the influence of the moving speed and pulse frequency modulation on the notch depth.

以下、本発明の好適な実施形態を、概略図面を参照して詳細に説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the schematic drawings.

図1は、破断分割によって軸受座とコネクティングロッド側の部分とに分割される大型のコネクティングロッドの上端部1の断面図を示す。破断分割面2は、直径方向に延びる左右の破断分割ノッチ群4(図1には一方のみを示す)によって予め定められており、破断分割ノッチ群4は、好ましくは複数のノッチ部6を有する穿孔である。背景技術の説明において述べたように、図1におけるコネクティングロッドの上端部1の左右の壁部に破断分割ノッチ群4を形成した後、拡げ心棒をコネクティングロッドの上端部に挿入し、コネクティングロッドの上端部を支持しながら拡げ心棒によって適切に拡げることによってコネクティングロッドのロッド側部分から軸受座を分割し、構造条件の結果として破断分割面の形状を利用して2つの部材を正確かつ容易に組み合わせることができる。   FIG. 1 shows a cross-sectional view of the upper end portion 1 of a large connecting rod that is divided into a bearing seat and a connecting rod side portion by breaking division. The fracture split surface 2 is predetermined by left and right fracture split notch groups 4 (only one is shown in FIG. 1) extending in the diameter direction, and the fracture split notch group 4 preferably has a plurality of notch portions 6. Perforation. As described in the description of the background art, after the split split notch group 4 is formed on the left and right wall portions of the upper end portion 1 of the connecting rod in FIG. 1, an expansion mandrel is inserted into the upper end portion of the connecting rod, The bearing seat is divided from the rod-side portion of the connecting rod by supporting the upper end with an expansion mandrel, and the two members are accurately and easily combined using the shape of the fractured dividing surface as a result of the structural conditions. be able to.

破断分割ノッチ4を形成(設計)するためにはファイバーレーザーを使用する。図1にはファイバーレーザーのレーザーヘッド8を模式的に示す。このようなファイバーレーザーとしては、グラスファイバーのコアが活性媒体を構成するダイオード励起固体レーザーを基本的に使用することができる。固体レーザーの放射線はファイバーに導入され、実際のレーザー増幅が行われる。レーザーのビーム特性及びビーム品質は、レーザーの大部分に外部衝撃が加わらず、非常に簡単な構造を有するようにファイバー(グラスファイバー)の形状・配置を設計することによってレーザーを調節することができる。   A fiber laser is used to form (design) the fracture split notch 4. FIG. 1 schematically shows a laser head 8 of a fiber laser. As such a fiber laser, a diode-pumped solid-state laser in which a glass fiber core constitutes an active medium can be basically used. The solid laser radiation is introduced into the fiber and the actual laser amplification is performed. The laser beam characteristics and beam quality can be adjusted by designing the shape and arrangement of the fiber (glass fiber) so that most of the laser is not subjected to external impact and has a very simple structure. .

アクティブファイバーから出たレーザービームはグラスファイバーに導入され、放射線はグラスファイバー内を通って図1に示すレーザーヘッド8に案内され、焦点光学系10によって加工されるワークピース1に集光される。図1に示す実施形態では、レーザービーム12は径方向(ノッチ軸方向(図1における垂直方向)に対して法線方向)に放射される。このような構成は、レーザービームを90°の角度で照射することによって反射ビーム及び残留溶融物が光路に沿って直接戻るため、焦点光学系10が溶融材料によって汚染される場合があるという欠点がある。レーザービームを斜め方向(例えば、30°又は45°)に照射する場合には、反射ビーム及び残留溶融物は反射角(図1の12”)で進み、汚染は生じない。斜め放射レーザー装置については図10及び図11を参照して説明する。   The laser beam emitted from the active fiber is introduced into the glass fiber, and the radiation is guided to the laser head 8 shown in FIG. 1 through the glass fiber, and is focused on the workpiece 1 to be processed by the focus optical system 10. In the embodiment shown in FIG. 1, the laser beam 12 is emitted in the radial direction (normal direction with respect to the notch axis direction (vertical direction in FIG. 1)). Such a configuration has a drawback that the focus optical system 10 may be contaminated by the molten material because the reflected beam and the residual melt return directly along the optical path by irradiating the laser beam at an angle of 90 °. is there. When the laser beam is irradiated in an oblique direction (for example, 30 ° or 45 °), the reflected beam and the residual melt travel at the reflection angle (12 ″ in FIG. 1) and no contamination occurs. Will be described with reference to FIGS.

レーザービームを90°の角度で放射する場合の別の欠点は、緩やか又は鋭いビーム制御を行うことができないことである。レーザービームを斜め方向に放射する場合には、緩やか(図11の上方向)又は鋭い(図11の下方向)ビーム制御によってノッチの形状にさらに影響を及ぼすことができる。また、ノズルを介して溶融物に作用する気流によってノッチの形状にさらに影響を及ぼすことができる。上記2つの特徴は従属請求項に記載されている。   Another disadvantage of emitting the laser beam at a 90 ° angle is that no gentle or sharp beam control can be performed. If the laser beam is emitted in an oblique direction, the shape of the notch can be further influenced by gentle (upward in FIG. 11) or sharp (downward in FIG. 11) beam control. Also, the shape of the notch can be further influenced by the airflow acting on the melt through the nozzle. The two features are described in the dependent claims.

これらのファイバーレーザーは、非常にコンパクトな構造で優れた電気光学効率と深い焦点深度を有する優れたビーム品質を達成する点で優れており、従来のレーザーよりも小さな構造空間でさらに費用効率の高い解決手段を提供することができる。ファイバーレーザーは高いピーク出力と優れた集光能力を有するため、エネルギー密度(power density)は比較的高く、材料を蒸発させることができる。ただし、エネルギーの一部は熱に変換されるため、溶融物と環境への熱的影響が生じる。残留熱は蓄積されて明確な溶融現象が生じ、実際のノッチ間距離は計算上のノッチ間距離よりも明らかに大きくなり、他のパラメータは変動するが、ノッチ間距離は比較的安定している。   These fiber lasers are superior in achieving excellent beam quality with excellent electro-optic efficiency and deep depth of focus in a very compact structure, and are more cost effective in a smaller structure space than conventional lasers A solution can be provided. Since fiber lasers have high peak power and excellent light collection capability, the energy density is relatively high and the material can be evaporated. However, since some of the energy is converted to heat, there is a thermal impact on the melt and the environment. Residual heat accumulates, resulting in a clear melting phenomenon, and the actual notch distance is clearly larger than the calculated notch distance, and other parameters vary, but the notch distance is relatively stable .

図1において左側に位置するコネクティングロッドの壁部を加工した後に、レーザーヘッドを約180°回転させ、右側に位置するコネクティングロッドの壁部を加工する。なお、原則として、左右の壁部を同時に加工できるクロスヘッドを使用することもできる。   In FIG. 1, after processing the wall portion of the connecting rod located on the left side, the laser head is rotated about 180 ° to process the wall portion of the connecting rod located on the right side. In principle, it is also possible to use a cross head that can simultaneously process the left and right wall portions.

本実施形態では、ワークピース(コネクティングロッド)は固定され、レーザーヘッド8は軸方向又は軸に平行に移動速度(feed rate)Vで移動し、レーザー出力は約50Wであり、図示する実施形態におけるレーザーのパルス周波数は約20kHzである。スポット径は約30μmであり、移動速度Vは約1500mm/分である。これらのパラメータを使用する場合には、計算上のノッチ間距離は約0.00125mmとなる。レーザービームを45°の角度で斜め方向に照射した場合の実際のノッチ間距離Kは約0.1mmである。   In the present embodiment, the workpiece (connecting rod) is fixed, the laser head 8 moves at a feed rate V in the axial direction or parallel to the axis, and the laser output is about 50 W, in the illustrated embodiment. The pulse frequency of the laser is about 20 kHz. The spot diameter is about 30 μm, and the moving speed V is about 1500 mm / min. When these parameters are used, the calculated distance between notches is about 0.00125 mm. The actual distance K between notches when the laser beam is irradiated obliquely at an angle of 45 ° is about 0.1 mm.

図2は、レーザービームを45°の角度で斜め方向に照射した場合の、上述したパラメータを使用して本発明の方法に従って加工したコネクティングロッドの上端部の拡大図を示す。平均レーザー出力は約50Wであり、パルス出力は約8kWである。穿孔間距離(ノッチ間距離)Kは約0.1mmであり、連続ノッチ基部(G)から穿孔を形成する各ノッチ部6が延びている。図2に示す実施形態では、ノッチ基部Gの深さは約0.51mmであり、(径方向における)ノッチ部6の深さP(コネクティングロッドの上端部1の周壁14から測定)は約0.78mmである。   FIG. 2 shows an enlarged view of the upper end of a connecting rod processed according to the method of the present invention using the parameters described above when the laser beam is irradiated obliquely at an angle of 45 °. The average laser power is about 50 W and the pulse power is about 8 kW. The distance between perforations (distance between notches) K is about 0.1 mm, and each notch portion 6 forming a perforation extends from the continuous notch base (G). In the embodiment shown in FIG. 2, the depth of the notch base G is about 0.51 mm, and the depth P (measured from the peripheral wall 14 of the upper end 1 of the connecting rod) of the notch 6 (in the radial direction) is about 0. .78 mm.

図3は、レーザー出力を減少させ(40W)、レーザービーム12の照射角度をより小さくした(30°)、図2と同様な実施形態を示す。図3に示すように、大きな変化は見られず、ノッチ間距離K、ノッチ基部の深さG、ノッチ部の深さPはわずかに増加している。照射角度をやや小さくした場合には、上述した実施形態よりも小さな出力で破断挙動を改善させるノッチを形成することができる。   FIG. 3 shows an embodiment similar to FIG. 2, with the laser power reduced (40 W) and the irradiation angle of the laser beam 12 made smaller (30 °). As shown in FIG. 3, there is no significant change, and the notch distance K, the notch base depth G, and the notch depth P are slightly increased. When the irradiation angle is slightly reduced, it is possible to form a notch that improves the fracture behavior with a smaller output than the above-described embodiment.

図4は、レーザービームを縦方向(ノッチ軸方向)に移動させる移動速度V(図1を参照)に対する破断分割ノッチの依存度を示す。   FIG. 4 shows the dependence of the fracture split notch on the moving speed V (see FIG. 1) for moving the laser beam in the vertical direction (notch axis direction).

図4から明らかなように、移動速度(500mm/分、1000mm/分、1500mm/分)を変化させても、ノッチ間距離はほとんど変化していない。移動速度が低い場合にはノッチ基部の深さGは増加し、ノッチ部の軸方向長さ(P−G)は移動速度に逆比例している。500mm/分と1000mm/分との間の差は比較的小さい。   As is apparent from FIG. 4, the distance between notches hardly changes even when the moving speed (500 mm / min, 1000 mm / min, 1500 mm / min) is changed. When the moving speed is low, the depth G of the notch base increases, and the axial length (PG) of the notch portion is inversely proportional to the moving speed. The difference between 500 mm / min and 1000 mm / min is relatively small.

図5は、レーザー出力に対する破断分割ノッチの依存度を示す。図5の上側の画像は平均レーザー出力を50Wに設定した場合を示す。図5の下側の画像は平均レーザー出力を100Wに設定した場合を示し、他のパラメータは同一である。図5から明らかなように、レーザー出力を減少させるとノッチ部がより長いノッチ構造が形成されているが、上述したように、ノッチ間距離はほとんど変化していない。また、予測によれば、レーザー出力を減少させると、レーザー出力が高い場合と比較してやや浅い深さGを有する連続ノッチ基部が形成される。従って、破断力学に関しては、500〜1500mm/分の範囲の平均移動速度では、比較的小さなレーザー出力(50W以下)を有するレーザーの使用が最適であると考えられる。   FIG. 5 shows the dependence of the break split notch on the laser power. The upper image in FIG. 5 shows the case where the average laser output is set to 50W. The lower image in FIG. 5 shows the case where the average laser output is set to 100 W, and other parameters are the same. As apparent from FIG. 5, when the laser output is decreased, a notch structure having a longer notch is formed, but as described above, the distance between the notches hardly changes. Further, according to the prediction, when the laser output is decreased, a continuous notch base having a slightly shallower depth G is formed as compared with the case where the laser output is high. Therefore, regarding the fracture mechanics, it is considered optimal to use a laser having a relatively small laser power (50 W or less) at an average moving speed in the range of 500 to 1500 mm / min.

ビーム品質はQ―スイッチによって向上させることができる。Q―スイッチは、パルスレーザーの場合にパルス遅延が生じると、急速に増加し、鋭い最大値に達した時に再び急速に減少する非常に鋭いレーザーパルスを得るように、パルス持続時間を減少させ、パルス高さ(ピーク性能)を増加させる光学部品である。Q―スイッチを使用しない場合には、パルスは明確により広くフラットな形状を有する。   Beam quality can be improved by Q-switches. The Q-switch decreases the pulse duration so that when a pulse delay occurs in the case of a pulsed laser, the pulse duration increases so as to obtain a very sharp laser pulse that rapidly increases and then rapidly decreases again when a sharp maximum is reached, It is an optical component that increases the pulse height (peak performance). When the Q-switch is not used, the pulse has a clearly wider and flat shape.

図6は、100〜3000mm/分の範囲の移動速度に対するノッチの深さの依存度を示す。測定値S2は所定のノッチ基部の深さGに対応し、測定値S1はノッチの総深さP(図2及び図3を参照)に対応し、ノッチ部の長さは差(G−P)に対応する。上側の曲線はノッチの総深さS1の推移を示し、下側の曲線はノッチ基部の深さS2の推移を示す。図6から明らかなように、約800mm/分までの範囲の比較的低い移動速度では、移動速度に対するノッチの深さ(S1,S2)の比較的強い依存度がみられる。より高い移動速度(約800〜3000mm/分)では、移動速度に対する依存度は明確ではない。これらの実験は、50kHzのパルス周波数及び50Wの平均パルス出力で行った。従って、移動速度に対するノッチの形状の依存度が図6に示す実験結果によって確認された。   FIG. 6 shows the dependence of the notch depth on the moving speed in the range of 100 to 3000 mm / min. The measured value S2 corresponds to the depth G of the predetermined notch base, the measured value S1 corresponds to the total depth P of the notch (see FIGS. 2 and 3), and the length of the notch portion is the difference (GP) ). The upper curve shows the transition of the total notch depth S1, and the lower curve shows the transition of the notch base depth S2. As is apparent from FIG. 6, at a relatively low moving speed in the range up to about 800 mm / min, a relatively strong dependence of the notch depth (S1, S2) on the moving speed is observed. At higher travel speeds (about 800-3000 mm / min), the dependence on travel speed is not clear. These experiments were performed with a pulse frequency of 50 kHz and an average pulse output of 50 W. Therefore, the dependence of the notch shape on the moving speed was confirmed by the experimental results shown in FIG.

以下に詳細に説明するように、非常に低い移動速度(200mm/分未満)では、ノッチ基部の領域における過熱のためにノッチ品質は不十分だった。炭化した(焦げた)領域が形成され、レーザー加工を行ったワークピースは実際に使用できなくなった。炭化した領域は、例えば図9の上側の画像に示されている(詳細は後述)。   As explained in detail below, at very low travel speeds (less than 200 mm / min), the notch quality was insufficient due to overheating in the region of the notch base. Carbonized (burned) areas were formed, and laser processed workpieces could not be used in practice. The carbonized region is shown, for example, in the upper image of FIG. 9 (details will be described later).

従って、レーザー加工においては、破断分割ノッチを形成する際に品質低下を回避できるように移動速度を制御することが必要である。   Therefore, in laser processing, it is necessary to control the moving speed so as to avoid quality degradation when forming a fractured split notch.

上記現象はレーザー加工時に移動速度を変化させることによって回避することができ、十分な深さを有すると共に、高い移動速度(短時間)で形成することができる破断分割ノッチが得られ、破断力学の劣化をもたらす品質低下は生じない。   The above phenomenon can be avoided by changing the moving speed during laser processing, and a fracture split notch that has a sufficient depth and can be formed at a high moving speed (short time) is obtained. There is no degradation in quality that causes degradation.

図7は、正弦関数に従って行われる移動速度変調の例を示す。なお、移動速度変調は他の関数(好ましくは周期的関数)に従って行うこともできる。図7は、形成される破断分割ノッチの全長に対応するものではない特定の範囲における移動速度の推移を時間の関数として示す。67.5〜69.5mmの移動範囲(すなわち、破断分割ノッチ全体の2mm)を具体的に示しているが、図示していない破断分割ノッチの領域でも対応して移動速度変調を行っている。左側の上部から右側の下部に向かってわずかに波打つ曲線(破線で示す上側の曲線/実線で示す下側の曲線)は、破断分割ノッチの方向における実際の移動を時間tの関数として示している。このようなわずかに波打つ移動時に、プロットした正弦関数に従って移動速度を変化させており、大きな振幅を有する正弦関数が破線で示すレーザー経路に割り当てられ、小さな振幅を有する正弦関数が実線で示すレーザー経路に割り当てられている。移動速度は比較的高い周波数で変化させており、レーザーヘッド8は形成される破断分割ノッチに沿った運動プロファイルを調節するために短時間において強く加速及び減速される。   FIG. 7 shows an example of movement speed modulation performed according to a sine function. Note that the movement speed modulation can also be performed according to another function (preferably a periodic function). FIG. 7 shows the transition of the moving speed as a function of time in a specific range that does not correspond to the total length of the fractured split notch to be formed. Although the movement range of 67.5 to 69.5 mm (that is, 2 mm of the whole fracture split notch) is specifically shown, the movement speed modulation is also performed correspondingly to the area of the fracture split notch not shown. A slightly undulating curve from the upper left side to the lower right side (upper curve shown by dashed line / lower curve shown by solid line) shows the actual movement in the direction of the break split notch as a function of time t. . During such a slightly undulating movement, the moving speed is changed according to the plotted sine function, a sine function having a large amplitude is assigned to a laser path indicated by a broken line, and a sine function having a small amplitude is indicated by a solid line. Assigned to. The moving speed is changed at a relatively high frequency, and the laser head 8 is strongly accelerated and decelerated in a short time in order to adjust the motion profile along the broken split notch to be formed.

図7では、調節を行った実際の移動速度を右側に示している。上側の移動速度変調では、移動速度を117〜1157mm/分の範囲で変化させた。そのような移動速度変調を行って破断分割ノッチを形成する場合には、図8及び図9に例示するような破断分割ノッチ形状が得られる。図8は、ノッチの深さを平均移動速度V(上述した移動速度変調の平均値)の関数として調節した場合を示す。図8に示すように、例えば、平均移動速度が800mm/分の場合(移動速度は図7に示すように正弦関数に従って変化する)には、図8にプロットした破断分割ノッチが形成される。図8から明らかなように、正弦周期に対応する測定値S2(G)を有するノッチ基部から異なるノッチ部が形成される。S3で示すノッチ部は、移動速度が比較的低い領域で形成される。S1で示すノッチ部は、レーザーが比較的高い速度で移動する領域で形成される。 In FIG. 7, the actual moving speed after adjustment is shown on the right side. In the upper movement speed modulation, the movement speed was changed in a range of 117 to 1157 mm / min. When such a movement speed modulation is performed to form a fracture split notch, a fracture split notch shape as illustrated in FIGS. 8 and 9 is obtained. FIG. 8 shows a case where the depth of the notch is adjusted as a function of the average moving speed V m (the average value of the moving speed modulation described above). As shown in FIG. 8, for example, when the average moving speed is 800 mm / min (the moving speed changes according to a sine function as shown in FIG. 7), the fracture split notch plotted in FIG. 8 is formed. As is apparent from FIG. 8, different notch portions are formed from the notch base portion having the measured value S2 (G) corresponding to the sine cycle. The notch portion indicated by S3 is formed in a region where the moving speed is relatively low. The notch portion indicated by S1 is formed in a region where the laser moves at a relatively high speed.

平均移動速度に対する特徴的パラメータS1(P)、S2(G)及びS3(P)の推移を図8に示す。上側の曲線は低い移動速度におけるノッチの総深さ(S3)の推移を示し、曲線S1は比較的高い移動速度(移動速度変調時)におけるノッチの深さの推移を示し、曲線S2はノッチ基部の深さの推移を示す。図8に示すように、平均移動速度を増加させるとノッチの深さが減少する。ただし、移動速度変調を行うと、深さが異なるノッチ部を形成することができる。そのようなノッチは、先行技術のノッチに対して明らかに改善された破断力学を有する。すなわち、移動速度変調により、移動速度変調を行わずに形成され、連続した穿孔を含む破断分割ノッチに対して、初期破断靭性(initiating fracture toughness)及び最終破壊靭性(arresting fracture toughness)を明確に向上させる比較的深く鋭いノッチを形成することができる。   FIG. 8 shows changes in characteristic parameters S1 (P), S2 (G), and S3 (P) with respect to the average moving speed. The upper curve shows the transition of the total depth (S3) of the notch at a low moving speed, the curve S1 shows the transition of the notch depth at a relatively high moving speed (moving speed modulation), and the curve S2 is the notch base. Shows the transition of the depth. As shown in FIG. 8, increasing the average moving speed decreases the depth of the notch. However, when moving speed modulation is performed, notch portions having different depths can be formed. Such notches have significantly improved fracture mechanics over prior art notches. That is, with the moving speed modulation, the initial fracture toughness and the final fracture toughness are clearly improved with respect to the fracture split notch formed without the movement speed modulation and including continuous drilling. A relatively deep and sharp notch can be formed.

従って、複雑な部分を破断させることができ、部分的な形状に応じて移動速度変調を行うことができる。すなわち、例えば、破断分割ノッチの領域における開口部を含む非常に複雑な部分では、移動速度を当該部分の形状に合わせて調節し、複雑ではない領域では比較的高い移動速度又は移動速度変調の振幅を適用し、より複雑な領域では移動速度変調を適切に減少させ、低い平均移動速度又は一定の移動速度に調節することができる。   Therefore, a complicated portion can be broken and the moving speed can be modulated according to the partial shape. That is, for example, in a very complicated part including an opening in the area of the fracture split notch, the moving speed is adjusted according to the shape of the part, and in a non-complex area, the moving speed or the amplitude of the moving speed modulation is relatively high. In more complex areas, the movement speed modulation can be reduced appropriately and adjusted to a lower average movement speed or a constant movement speed.

上述した移動速度変調の利点について図9を参照して説明する。図9の上側の画像は、200mm/分の比較的低い一定の移動速度を使用した場合の破断分割ノッチを示す。比較的大きなノッチの深さと、低い移動速度における熱の導入によって生じ得る焼け/焦げが明確に観察される。そのような破断分割ノッチは実質的に役に立たない。   The advantages of the moving speed modulation described above will be described with reference to FIG. The upper image in FIG. 9 shows a fracture split notch when using a relatively low constant travel speed of 200 mm / min. The relatively large notch depth and the burning / burning that can be caused by the introduction of heat at low moving speeds are clearly observed. Such a break split notch is substantially useless.

一方、図9の下側の画像は本発明の方法に従って移動速度変調を行いながら形成されたノッチを示しており、移動速度は117〜1157mm/分の範囲で変調した。移動速度変調を行うことにより、ノッチ基部の領域において焼けを確実に回避することができることが明らかである。また、適切な移動速度変調によって形成された異なる深さを有するノッチ部が示されており、ノッチ部の深さはレーザーの傾斜角度にも依存している。図示する実施形態では、傾斜角度(照射角度)は図9の水平方向に対して約30°とした。   On the other hand, the lower image in FIG. 9 shows a notch formed while performing moving speed modulation according to the method of the present invention, and the moving speed was modulated in the range of 117 to 1157 mm / min. It is clear that burn speed can be reliably avoided in the region of the notch base by performing movement speed modulation. Also shown are notch portions having different depths formed by appropriate movement velocity modulation, the depth of the notch portion also depending on the tilt angle of the laser. In the illustrated embodiment, the inclination angle (irradiation angle) is about 30 ° with respect to the horizontal direction of FIG.

図10及び図11を参照して、移動速度変調を行う上述した方法を実施するために特に適したレーザー装置について説明する。図10に示すように、レーザー装置は、例えばファイバーレーザーとファイバーレーザーの制御装置とを含むレーザーモジュール16を含む。レーザーモジュール16の制御装置は、レーザービームの移動速度を上述したように変調することができるように構成されている。   With reference to FIG. 10 and FIG. 11, a laser apparatus particularly suitable for carrying out the above-described method of performing movement speed modulation will be described. As shown in FIG. 10, the laser device includes a laser module 16 including, for example, a fiber laser and a fiber laser control device. The control device of the laser module 16 is configured to be able to modulate the moving speed of the laser beam as described above.

レーザーモジュール16が発生するレーザービーム12は導光部18を介してリコリメータ20に導光される(図10を参照)。リコリメータ20においてレーザービームは平行ビームに変換され、ビーム径は約6mmである。平行ビームは導光部18を介してレーザーヘッド8に導光され、レーザービームは加工されるワークピース(この場合には、コネクティングロッドの上端部1)に集光される。集光されたレーザービームは、図10の水平方向に対して30°の角度で照射される。レーザーヘッド8はZ移動軸22を有するように構成されており、Z移動軸22によって縦方向ノッチ軸における移動が生じる。Z移動軸は非常にダイナミックな軸であり、Z移動軸により高い閉ループゲインと大きなジャーク(時間に対する加速度の変化率)で非常に高い加速度を達成することができ、非常に正確に変調を制御することが必要である。加速度は例えば1〜2gの範囲とすることができ、閉ループゲインは10n/min/mm(166.71/s)の範囲とすることができ、ジャークは400m/s超とすることができる。コネクティングロッドの上端部1の両側を加工するために、レーザーヘッド8は回転軸24を有するように構成されており、Z移動軸22を中心として回転させることができる。また、レーザー装置はX調節軸26を含み、レーザーヘッド8全体をX方向(コネクティングロッドの上端部1に対して径方向)に移動させることができる。そのような手段により、正弦形状の破断分割ノッチを形成することができる。 The laser beam 12 generated by the laser module 16 is guided to the recollimator 20 via the light guide 18 (see FIG. 10). In the recollimator 20, the laser beam is converted into a parallel beam, and the beam diameter is about 6 mm. The parallel beam is guided to the laser head 8 via the light guide 18 and the laser beam is focused on the workpiece to be processed (in this case, the upper end 1 of the connecting rod). The focused laser beam is irradiated at an angle of 30 ° with respect to the horizontal direction of FIG. The laser head 8 is configured to have a Z movement axis 22, and the Z movement axis 22 causes movement in the longitudinal notch axis. The Z movement axis is a very dynamic axis, which can achieve very high acceleration with high closed loop gain and large jerk (rate of change of acceleration with time) and control modulation very accurately It is necessary. The acceleration can be in the range of 1-2 g, for example, the closed loop gain can be in the range of 10 n / min / mm (166.71 / s), and the jerk can be in excess of 400 m / s 3 . In order to process both sides of the upper end 1 of the connecting rod, the laser head 8 is configured to have a rotating shaft 24 and can be rotated about the Z moving shaft 22. Further, the laser device includes an X adjustment shaft 26 and can move the entire laser head 8 in the X direction (radial direction with respect to the upper end portion 1 of the connecting rod). By such means, a sinusoidal fracture split notch can be formed.

図11は、レーザーヘッド8においてビームを導光する基本構造を示す。導光部18はファイバーレーザー(レーザーモジュール16)に接続されている。レーザービームはリコリメータ20において約6mmのビーム径を有する平行ビームに変換され、偏向ミラー28によってコネクティングロッドの上端部の軸の方向に90°偏向する。偏向したレーザービーム12は、例えば100mmの焦点距離を有する光学系によってコネクティングロッドの上端部の壁部に集光され、図示する実施形態では水平方向に対して60°の角度で傾斜した偏向ミラー32によってコネクティングロッドの周壁に向けられ、レーザービームは、水平方向に対して30°の照射角度又は偏向ミラー32(偏向:60°)に入射するレーザービーム12の鉛直部分に対して60°の傾斜角度でコネクティングロッドの周壁に入射する。レーザービームはノズル34から出射し、ノズル34の出射面の前方約3mmにレーザスポットが位置するように集光される。光学系30とミラー28,32の汚染を回避するために、保護ガラス36がノズル34と偏向ミラー32との間の光路に設けられている。図11には回転軸24も示されており、レーザーヘッド8は図示しないモーターによって回転軸受38を介してZ移動軸22を中心として回転させることができ、コネクティングロッドのあらゆる周壁領域にレーザービームを照射することができる。   FIG. 11 shows a basic structure for guiding a beam in the laser head 8. The light guide 18 is connected to a fiber laser (laser module 16). The laser beam is converted into a parallel beam having a beam diameter of about 6 mm in the recollimator 20 and is deflected by 90 ° in the direction of the axis of the upper end portion of the connecting rod by the deflection mirror 28. The deflected laser beam 12 is collected on the wall portion at the upper end of the connecting rod by an optical system having a focal length of 100 mm, for example, and in the illustrated embodiment, the deflecting mirror 32 is inclined at an angle of 60 ° with respect to the horizontal direction. The laser beam is directed to the peripheral wall of the connecting rod by 30 °, and the laser beam has an irradiation angle of 30 ° with respect to the horizontal direction or an inclination angle of 60 ° with respect to the vertical part of the laser beam 12 incident on the deflection mirror 32 (deflection: 60 °) The light enters the peripheral wall of the connecting rod. The laser beam is emitted from the nozzle 34 and is condensed so that the laser spot is located approximately 3 mm in front of the emission surface of the nozzle 34. In order to avoid contamination of the optical system 30 and the mirrors 28 and 32, a protective glass 36 is provided in the optical path between the nozzle 34 and the deflection mirror 32. FIG. 11 also shows a rotating shaft 24. The laser head 8 can be rotated about the Z moving shaft 22 via a rotating bearing 38 by a motor (not shown), and a laser beam can be applied to any peripheral wall region of the connecting rod. Can be irradiated.

ファイバーレーザーを使用し、移動速度変調及び(従来の解決手段と比較して)比較的高いパルスレートを適切に選択する場合には、最適な応力集中係数を有する穿孔を、従来のシステムと比較してかなり低いエネルギー投入及びかなり速い移動速度で形成することができる。   When using a fiber laser and properly selecting movement velocity modulation and a relatively high pulse rate (compared to conventional solutions), drilling with the optimal stress concentration factor is compared to conventional systems. Can be formed with a much lower energy input and a much faster moving speed.

実験によれば、50Wの出力及び20kHzのパルス周波数を有するファイバーレーザーを使用する場合には、ノッチ部6が1/10mm、好ましくは0.1〜0.3mmの距離で形成された破断分割ノッチ4を形成することができる。30Wの出力を有するレーザーを使用した場合でも、非常に有効な穿孔破断分割ノッチ4を形成することができる。   According to experiments, when a fiber laser having an output of 50 W and a pulse frequency of 20 kHz is used, the notch portion 6 is a split split notch formed with a distance of 1/10 mm, preferably 0.1 to 0.3 mm. 4 can be formed. Even when a laser having an output of 30 W is used, a very effective perforated fracture split notch 4 can be formed.

上述した実施形態では移動速度変調を行っている。移動速度変調の代わり又は移動速度変調と組み合わせて、例えば以下に記載する方法でパルス変調を行うことができる。   In the embodiment described above, movement speed modulation is performed. Instead of the movement speed modulation or in combination with the movement speed modulation, for example, pulse modulation can be performed by the method described below.

そのようなパルス変調では、パルス状のキャリア又や基底関数を変調し、例えばパルス幅、パルス持続時間又はパルス位相を変化させることができる。好ましくは、パルスエネルギー(パルスランピング(pulse ramping))又はパルス周波数/パルスシーケンスを変調する。パルス振幅変調では、パルス振幅を変化させることによって矩形キャリアパルスシーケンスを変化させる。パルス持続時間変調では、基礎となるキャリア関数のパルス幅を適宜変化させる。パルス位相変調では、キャリア関数に対してパルス位置を位相シフトし、固定パルス幅及びパルス振幅を使用する。   Such pulse modulation can modulate a pulsed carrier or basis function, for example, to change the pulse width, pulse duration or pulse phase. Preferably, the pulse energy (pulse ramping) or pulse frequency / pulse sequence is modulated. In pulse amplitude modulation, the rectangular carrier pulse sequence is changed by changing the pulse amplitude. In pulse duration modulation, the pulse width of the underlying carrier function is changed as appropriate. In pulse phase modulation, the pulse position is phase shifted with respect to the carrier function, and a fixed pulse width and pulse amplitude are used.

一定のパルス周波数及びほぼ一定のパルス出力のパルスシーケンス変調による時間制御パルスエネルギーランピングについて以下に説明する。   Time-controlled pulse energy ramping by pulse sequence modulation with a constant pulse frequency and a substantially constant pulse output will be described below.

時間制御パルスエネルギーランピングでは、現在の(好ましくは一定の)移動速度及び所望のノッチ部グリッド(穿孔グリッド)に時間制御を適用する。この場合、パルスエネルギーランプ形状は穿孔形状を近似的に示す。   Time controlled pulse energy ramping applies time control to the current (preferably constant) travel speed and the desired notch grid (perforation grid). In this case, the pulse energy lamp shape approximately represents the perforation shape.

図12は、時間制御パルスエネルギーランピングによる変調を示す。図12は、開始又はキャリア関数として時間に対するパルスエネルギーEKlの推移を示しており、例えば120nsのパルス幅と50kHzの周波数におけるパルスエネルギーは1mJである。パルスエネルギーのランプ状変調(PRamp)をキャリア関数に重畳する(図12を参照)。パルスランプ形状は近似的に正弦形状を有し、図示する実施形態ではゼロ交差はない。ただし、原則として、増加及び減少する斜面(flank)及び一定の出力/エネルギーの横這い領域を有する他のランプも使用することができる。図示する実施形態では、開始又はキャリア関数の変調は、所定の最大パルスエネルギー(1mJ)が周期的に減少し、最大パルスエネルギーの減少及び最大パルスエネルギーの増加(ランピング)がほぼ正弦形状に生じるように行われる。 FIG. 12 shows modulation by time controlled pulse energy ramping. FIG. 12 shows the transition of the pulse energy E Kl with respect to time as a start or carrier function. For example, the pulse energy at a pulse width of 120 ns and a frequency of 50 kHz is 1 mJ. A ramp-like modulation (P Ramp ) of pulse energy is superimposed on the carrier function (see FIG. 12). The pulse ramp shape has an approximately sinusoidal shape and there is no zero crossing in the illustrated embodiment. However, in principle, other ramps with increasing and decreasing flanks and constant power / energy leveling regions can also be used. In the illustrated embodiment, the modulation of the starting or carrier function is such that the predetermined maximum pulse energy (1 mJ) is periodically reduced so that the maximum pulse energy decrease and the maximum pulse energy increase (ramping) occur approximately sinusoidally. To be done.

キャリア関数EKlを適切に変調させることにより、図示するランプ形状を有するパルスエネルギーの変化(ERamp)が得られる。図12から明らかなように、時系列のランプ(パルスエネルギーのランプ形状)はノッチ間距離Kを定め、パルスエネルギーのランプ形状は穿孔の形状を示す。図示する実施形態では、移動速度は一定(約200mm/分)であり、関数PRampのパルス周波数/周期は11.1Hzである。レーザーのパルスエネルギー(ERamp)は同一の周波数におけるランプ関数に従って変動し、ノッチ間距離Kは周波数及び選択された移動速度に応じて調節される。図示する実施形態では、ノッチ間距離Kは実質的に選択されたランプ関数の周波数/周期(11.1Hz)に依存するため、実際のパルス周波数(50kHz(関数EKl))及び選択された移動速度から算出されるよりも大きくなるようにノッチ間距離Kは調節される。 By appropriately modulating the carrier function E Kl , a change in pulse energy (E Ramp ) having the ramp shape shown is obtained. As is apparent from FIG. 12, the time-series ramp (the ramp shape of the pulse energy) defines the notch distance K, and the ramp shape of the pulse energy indicates the shape of the perforation. In the illustrated embodiment, the moving speed is constant (about 200 mm / min) and the pulse frequency / period of the function P Ramp is 11.1 Hz. The pulse energy (E Ramp ) of the laser varies according to the ramp function at the same frequency, and the notch distance K is adjusted depending on the frequency and the selected moving speed. In the illustrated embodiment, the notch distance K is substantially dependent on the frequency / period (11.1 Hz) of the selected ramp function, so the actual pulse frequency (50 kHz (function E Kl )) and the selected movement. The notch distance K is adjusted to be larger than that calculated from the speed.

図13は、パルスシーケンス又はパルス周波数変調を行う実施形態を示す。上述した実施形態と同様に、1mJのパルスエネルギーと120nsのパルス幅を有する出力又はキャリアパルスシーケンスを使用する。パルスシーケンス変調時には、100kHzの最大値と20kHzの最小値との間でパルス周波数を変化させることによって出力関数を変調させ、パルス周波数は図13に示すほぼ正弦形状で変化させる。パルスシーケンス又は周波数変化の期間によってノッチ間距離Kが決まる。図13から明らかなように、1mJのパルス出力及び100kHzの高周波数を有する領域では最大深さのノッチが形成される。従って、ノッチの深さはパルス周波数(パルス出力が一定の場合)に依存する。図示する実施形態では、パルス変調周期は11.1Hzである。移動速度は200mm/分である。そのようなキャリア関数の変調では、11.1Hzの変調周波数(パルス列周期)においてパルスシーケンスが10〜50μsの範囲で変化するパルスシーケンス変調EKlPfとなる。 FIG. 13 shows an embodiment for performing a pulse sequence or pulse frequency modulation. Similar to the embodiment described above, an output or carrier pulse sequence having a pulse energy of 1 mJ and a pulse width of 120 ns is used. At the time of pulse sequence modulation, the output function is modulated by changing the pulse frequency between the maximum value of 100 kHz and the minimum value of 20 kHz, and the pulse frequency is changed in a substantially sinusoidal shape shown in FIG. The notch distance K is determined by the period of the pulse sequence or frequency change. As is apparent from FIG. 13, a notch having the maximum depth is formed in a region having a pulse output of 1 mJ and a high frequency of 100 kHz. Therefore, the depth of the notch depends on the pulse frequency (when the pulse output is constant). In the illustrated embodiment, the pulse modulation period is 11.1 Hz. The moving speed is 200 mm / min. In such carrier function modulation, pulse sequence modulation E KlPf in which the pulse sequence changes in a range of 10 to 50 μs at a modulation frequency (pulse train period) of 11.1 Hz .

図12に示す実施形態と同様に、そのようなパルスシーケンス変調におけるノッチ間距離Kは11.1Hzの周期で得られ、周波数周期(パルスシーケンス変調)又はランプ形状の周期(パルスエネルギーランピング)を適切に選択することによって穿孔グリッド(ノッチ間距離K)が得られる。上記実施形態では、ノッチ間距離は例えば0.3mmに調節される。このような変調は「周波数ウォブリング(frequency wobbling)」と呼ぶことができる。   Similar to the embodiment shown in FIG. 12, the notch distance K in such pulse sequence modulation is obtained with a period of 11.1 Hz, and the frequency period (pulse sequence modulation) or the period of the ramp shape (pulse energy ramping) is appropriate. A perforated grid (inter-notch distance K) is obtained by selecting. In the said embodiment, the distance between notches is adjusted to 0.3 mm, for example. Such modulation can be referred to as “frequency wobbling”.

図14は、出力をダイナミックに制御しながら、パルス出力Pを変化させることによってノッチの深さ又はノッチ間距離を変化させる実施形態を示す。パルス幅及びパルス振幅並びに適切な場合にはパルス周波数も変化させる。   FIG. 14 shows an embodiment in which the notch depth or inter-notch distance is varied by changing the pulse output P while dynamically controlling the output. The pulse width and pulse amplitude and, if appropriate, the pulse frequency are also varied.

基本的に、パルス変調時には、一定数のパルスに達するか、エネルギー蓄積装置が放電されるまでレーザーパルスをエネルギー蓄積装置から出力するバーストモードを採用することができる。この場合、破断分割ノッチが完全に形成され、ワークピースは別のステーションに供給される。エネルギー蓄積装置は、ワークピースのハンドリング時に次のレーザー加工のために充電される。   Basically, at the time of pulse modulation, it is possible to employ a burst mode in which a laser pulse is output from the energy storage device until a certain number of pulses are reached or the energy storage device is discharged. In this case, the fracture split notch is completely formed and the workpiece is fed to another station. The energy storage device is charged for subsequent laser processing when the workpiece is handled.

図15を参照して、本発明による知見について要約する。図15は、ノッチの深さを移動速度及びパルス周波数の関数として示している。   The findings according to the present invention will be summarized with reference to FIG. FIG. 15 shows the notch depth as a function of travel speed and pulse frequency.

詳細に説明したように、移動速度が比較的低い場合にはノッチは深くなり、パルス周波数の変調を行うと、ノッチの深さは周波数が高くなるにつれて増加する。従って、移動速度が一定の場合には、高周波数(100kHz)の場合のノッチの深さは、パルス周波数が50kHzの場合のノッチの深さの約2倍となる。この場合、100Wの平均出力を有するレーザーを1mJのパルスエネルギー、130nsのパルス幅及び90°の照射角度で使用する。   As described in detail, when the moving speed is relatively low, the notch becomes deep, and when the pulse frequency is modulated, the depth of the notch increases as the frequency increases. Therefore, when the moving speed is constant, the depth of the notch when the frequency is high (100 kHz) is approximately twice the depth of the notch when the pulse frequency is 50 kHz. In this case, a laser with an average power of 100 W is used with a pulse energy of 1 mJ, a pulse width of 130 ns and an irradiation angle of 90 °.

上述したように、移動速度及びレーザーパルスを変調することができる。主として最大レーザー出力において移動速度を変化させているが、移動速度の変調に対するノッチの深さの依存度はほぼ直線的であるため、最大レーザー出力を常時使用することができる。リニアモーター技術を使用することにより、非加工時間をかなり減少させることができ、移動速度変調を比較的容易に行うことができる。直線的な軸を大幅に省略することができるように傾斜ミラー又は光学系によってレーザーの位置合わせを行うスキャナ技術を含むようにレーザーが構成されている場合には変調をさらに容易化することができる。   As described above, the moving speed and the laser pulse can be modulated. Although the moving speed is mainly changed at the maximum laser output, since the dependence of the notch depth on the modulation of the moving speed is almost linear, the maximum laser output can always be used. By using linear motor technology, the non-machining time can be significantly reduced and the movement speed modulation can be performed relatively easily. Modulation can be further facilitated if the laser is configured to include scanner technology that aligns the laser with tilting mirrors or optics so that the linear axis can be largely omitted. .

本発明は、ワークピースの破断分割方法及び当該方法に従って製造されたワークピースに関する。本発明によれば、レーザー加工時に、ワークピースの形状及び/又はレーザー出力に応じて移動速度及び/又はレーザーパルスを変調させる。   The present invention relates to a method for breaking and dividing a workpiece and a workpiece manufactured according to the method. According to the present invention, at the time of laser processing, the moving speed and / or the laser pulse are modulated according to the shape of the workpiece and / or the laser output.

1 コネクティングロッドの上端部
2 破断面
4 破断分割ノッチ
6 ノッチ部
8 レーザーヘッド
10 焦点光学系
12 レーザービーム
14 周壁
16 レーザーモジュール
18 導光部
20 リコリメータ
22 移動軸
24 回転軸
26 制御軸
28 偏向ミラー
30 光学系
32 偏向ミラー
34 ノズル
36 保護ガラス
38 回転軸受
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Upper end part of a connecting rod 2 Fracture surface 4 Breaking division notch 6 Notch part 8 Laser head 10 Focus optical system 12 Laser beam 14 Perimeter wall 16 Laser module 18 Light guide part 20 Recollimator 22 Moving shaft 24 Rotating shaft 26 Control shaft 28 Deflection mirror 30 Optical system 32 Deflection mirror 34 Nozzle 36 Protective glass 38 Rotating bearing

図7は、正弦関数に従って行われる移動速度変調の例を示す。なお、移動速度変調は他の関数(好ましくは周期的関数)に従って行うこともできる。図7は、形成される破断分割ノッチの全長に対応するものではない特定の範囲における移動速度の推移を時間の関数として示す。67.5〜69.5mmの移動範囲(すなわち、破断分割ノッチ全体の2mm)を具体的に示しているが、図示していない破断分割ノッチの領域でも対応して移動速度変調を行っている。左側の上部から右側の下部に向かってわずかに波打つ曲線(一点鎖線で示す上側の曲線/破線で示す下側の曲線)は、破断分割ノッチの方向における実際の移動を時間tの関数として示している。このようなわずかに波打つ移動時に、プロットした正弦関数に従って移動速度を変化させており、大きな振幅を有する正弦関数が実線で示すレーザー経路に割り当てられ、小さな振幅を有する正弦関数が二点鎖線で示すレーザー経路に割り当てられている。移動速度は比較的高い周波数で変化させており、レーザーヘッド8は形成される破断分割ノッチに沿った運動プロファイルを調節するために短時間において強く加速及び減速される。 FIG. 7 shows an example of movement speed modulation performed according to a sine function. Note that the movement speed modulation can also be performed according to another function (preferably a periodic function). FIG. 7 shows the transition of the moving speed as a function of time in a specific range that does not correspond to the total length of the fractured split notch to be formed. Although the movement range of 67.5 to 69.5 mm (that is, 2 mm of the whole fracture split notch) is specifically shown, the movement speed modulation is also performed correspondingly to the area of the fracture split notch not shown. Slightly wavy curve from the top of the left side toward the bottom of the right (the lower curve shown by the upper curve / broken line shown by a dashed line) may indicate the actual movement in the direction of the fracture splitting notch as a function of time t Yes. During such slightly undulating movement, the moving speed is changed according to the plotted sine function, a sine function having a large amplitude is assigned to the laser path indicated by a solid line , and a sine function having a small amplitude is indicated by a two-dot chain line Assigned to the laser path. The moving speed is changed at a relatively high frequency, and the laser head 8 is strongly accelerated and decelerated in a short time in order to adjust the motion profile along the broken split notch to be formed.

図7は、正弦関数に従って行われる移動速度変調の例を示す。なお、移動速度変調は他の関数(好ましくは周期的関数)に従って行うこともできる。図7は、形成される破断分割ノッチの全長に対応するものではない特定の範囲における移動速度の推移を時間の関数として示す。67.5〜69.5mmの移動範囲(すなわち、破断分割ノッチ全体の2mm)を具体的に示しているが、図示していない破断分割ノッチの領域でも対応して移動速度変調を行っている。左側の上部から右側の下部に向かってわずかに波打つ曲線(一点鎖線で示す上側の曲線/破線で示す下側の曲線)は、破断分割ノッチの方向における実際の移動を時間tの関数として示している。このようなわずかに波打つ移動時に、プロットした正弦関数に従って移動速度を変化させており、大きな振幅を有する正弦関数が一点鎖線で示すレーザー経路に割り当てられ、小さな振幅を有する正弦関数が破線で示すレーザー経路に割り当てられている。移動速度は比較的高い周波数で変化させており、レーザーヘッド8は形成される破断分割ノッチに沿った運動プロファイルを調節するために短時間において強く加速及び減速される。 FIG. 7 shows an example of movement speed modulation performed according to a sine function. Note that the movement speed modulation can also be performed according to another function (preferably a periodic function). FIG. 7 shows the transition of the moving speed as a function of time in a specific range that does not correspond to the total length of the fractured split notch to be formed. Although the movement range of 67.5 to 69.5 mm (that is, 2 mm of the whole fracture split notch) is specifically shown, the movement speed modulation is also performed correspondingly to the area of the fracture split notch not shown. A slightly undulating curve from the upper left side to the lower right side (upper curve shown with a dashed line / lower curve shown with a broken line) shows the actual movement in the direction of the breaking split notch as a function of time t. Yes. During such slightly undulating movement, the moving speed is changed according to the plotted sine function, a sine function having a large amplitude is assigned to a laser path indicated by a one-dot chain line , and a sine function having a small amplitude is indicated by a broken line. Assigned to the route. The moving speed is changed at a relatively high frequency, and the laser head 8 is strongly accelerated and decelerated in a short time in order to adjust the motion profile along the broken split notch to be formed.

Claims (15)

レーザーエネルギーを使用してワークピース(1)を破断分割するための方法であって、レーザービーム(12)と前記ワークピース(1)とを相対的に移動させることにより、破断分割面を定める破断分割ノッチ(4)を複数のノッチ部(6)を含む穿孔として形成し、加工時にレーザーの移動速度(V)及び/又はパルスパラメータを変化させることを特徴とする方法。   A method for breaking and dividing a workpiece (1) using laser energy, wherein a fracture is determined by relatively moving a laser beam (12) and the workpiece (1). A method characterized in that the divided notches (4) are formed as perforations including a plurality of notches (6), and the laser moving speed (V) and / or pulse parameters are changed during processing. 請求項1において、前記レーザービーム(12)を縦方向ノッチ軸に対して斜めに照射する方法。   2. The method according to claim 1, wherein the laser beam is irradiated obliquely with respect to the longitudinal notch axis. 請求項3において、前記移動速度(V)を周期関数、例えば正弦関数に従って変化させる方法。   4. The method according to claim 3, wherein the moving speed (V) is changed according to a periodic function, for example, a sine function. 請求項1〜3のいずれか1項において、前記移動速度を100〜1500mm/分の範囲で変化させる方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the moving speed is changed in a range of 100 to 1500 mm / min. 請求項1〜4のいずれか1項において、パルス幅、パルス周波数、パルス振幅及び/又はパルス位相を変化させることによってパルス変調を行い、パラメータを単独又は任意の組み合わせで変化させる方法。   5. The method according to claim 1, wherein the pulse modulation is performed by changing the pulse width, the pulse frequency, the pulse amplitude, and / or the pulse phase, and the parameters are changed alone or in any combination. 請求項5において、一定のパルス周波数における時間制御パルスエネルギーランピングによって前記変調を行う方法。   6. The method of claim 5, wherein the modulation is performed by time controlled pulse energy ramping at a constant pulse frequency. 請求項5又は6において、一定のパルス出力における、好ましくは20〜100kHzの範囲のパルスシーケンス/パルス周波数変調によって前記変調を行う方法。   Method according to claim 5 or 6, wherein said modulation is performed by pulse sequence / pulse frequency modulation, preferably in the range of 20-100 kHz, at a constant pulse output. 請求項1〜7のいずれか1項において、前記レーザーはファイバーレーザーである方法。   The method according to claim 1, wherein the laser is a fiber laser. 請求項1〜8のいずれか1項において、前記破断分割ノッチ(4)は連続ノッチ基部を有し、前記複数のノッチ部(6)は前記連続ノッチ基部から延びている方法。   9. The method of any one of claims 1 to 8, wherein the split split notch (4) has a continuous notch base and the plurality of notches (6) extend from the continuous notch base. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法によって製造されたワークピース、特にコネクティングロッド又はクランクケース。   A workpiece, in particular a connecting rod or a crankcase, produced by the method according to claim 1. 請求項10において、前記ワークピースは、前記ワークピースの形状に応じて、1以上の浅いノッチ部(6)及び1以上の深いノッチ部(6)又は異なる深さ(P)を有するノッチ部(6)からなる、ほぼ周期的に繰り返される配列を有するワークピース。   11. The workpiece according to claim 10, wherein the workpiece has one or more shallow notches (6) and one or more deep notches (6) or notches having different depths (P), depending on the shape of the workpiece. 6) a workpiece having a substantially periodically repeated arrangement. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法を実施するためのレーザー装置であって、ファイバーレーザーと、レーザービーム(12)を加工されるワークピースに集光するレーザーヘッド(8)と、移動方向に移動する少なくとも1つの移動軸(22)と、前記破断分割ノッチを形成しながら、レーザーの移動速度及び/又はパルスパラメータを変化させる制御装置(16)と、を含むことを特徴とするレーザー装置。   A laser device for carrying out the method according to any one of claims 1 to 9, comprising a fiber laser and a laser head (8) for condensing a laser beam (12) onto a workpiece to be processed. And at least one moving axis (22) that moves in the moving direction, and a controller (16) that changes the moving speed and / or pulse parameters of the laser while forming the fracture split notch. Laser device to do. 請求項12において、前記移動軸(22)は、前記破断分割ノッチを形成しながら、0.5g未満、好ましくは最大2gの加速度で前記移動速度を変化させることができるように構成されているレーザー装置。   Laser according to claim 12, wherein said moving axis (22) is configured to change said moving speed with an acceleration of less than 0.5g, preferably up to 2g, while forming said fracture split notch. apparatus. 請求項12又は13において、前記ファイバーレーザーの平均出力は、20kHz超、好ましくは約100kHzの最大パルスレートにおいて100W以下であるレーザー装置。   14. The laser device according to claim 12 or 13, wherein an average output of the fiber laser is 100 W or less at a maximum pulse rate of more than 20 kHz, preferably about 100 kHz. 請求項12〜14のいずれか1項において、所定のノッチ間距離(K)に調節されるように変調周期が選択されるレーザー装置。   The laser device according to any one of claims 12 to 14, wherein the modulation period is selected so as to be adjusted to a predetermined notch distance (K).
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