WO2011124627A9 - Method for fracture splitting workpieces, workpiece and laser unit - Google Patents

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WO2011124627A9
WO2011124627A9 PCT/EP2011/055384 EP2011055384W WO2011124627A9 WO 2011124627 A9 WO2011124627 A9 WO 2011124627A9 EP 2011055384 W EP2011055384 W EP 2011055384W WO 2011124627 A9 WO2011124627 A9 WO 2011124627A9
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Horst SCHÖLLHAMMER
Willi Breithaupt
Joachim Klein
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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 sections, the distance of which is essentially based on the pulse rate of the laser and the feed rate of the laser beam with respect to
  • a certain disadvantage of the above-described procedure is that - as explained - the feed rate and the pulse rate must be coordinated so that form the notch behavior improving notch sections. Furthermore, it has been found that, especially in the case of the formation of sinusoidal notches or of connecting rods with a large axial length, the laser beam must be refocused, because the depth of field is not sufficient to perform the notch sections (perforation) with the required precision.
  • 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.
  • the pulse rate, the workpiece material and the average laser power are coordinated so that the distance of the notch portions is substantially greater than the notch spacing, which results arithmetically from the feed rate, the relative movement and the pulse rate (frequency) of the laser.
  • the coupling of the laser beam is preferably carried out obliquely to the longitudinal axis Kerbl.
  • the feed rate during laser processing is varied so that a notch with different lent deep notch sections is formed.
  • the depth of a continuous region referred to as the notch base in the following, can be varied by the variation of the feed rate
  • Such a notch has a further improved notch effect number and thus improved fracture mechanics.
  • 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 moved relative to the stationary workpiece, in kinematic reversal, however, the workpiece can be moved relative to the stationary laser, mixed forms are advantageous.
  • the laser beam can be radial, d. h., Are 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 Kerbl Kunststoffsachse (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 actual kerf spacing which is established on the basis of the choice of the parameters, is more than 1 (times the arithmetic notch spacing, which results from the pulse rate and the feed rate.
  • 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 with an average power of less than 50 watts and a pulse rate of substantially more than 1 KHz, preferably more than 10 kHz is used, wherein the feed may be more than 1000 mm / min.
  • the pulse rate in conventional methods is about the same
  • the pulse frequency is significantly longer, 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 of varying depth by varying the feed rate of the laser. It is particularly preferred if these variations are repeated periodically along the notch portion.
  • 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 is varied periodically during the laser processing.
  • 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 illustration of a laser unit that can be used in a feed rate modulation laser method
  • 1 1 is a schematic diagram of a laser head of the laser unit according to FIG. 10.
  • 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 according to the invention 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 After emerging from said active fiber, 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 are damaged by the melting material. is dirty, because due to the 90 ° coupling reflections and possibly residual melt directly go back the beam path. If coupling takes place at an angle, for example at 30 ° or 45 °, any reflections and residual melt that occur are reduced below the angle of failure (see Figure 1: 12 "") so that no contamination occurs.
  • a laser unit with oblique coupling is described with reference to FIGS. 10 and 11.
  • 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.
  • fiber lasers are characterized by very good electrical-optical efficiencies and outstanding beam quality with great depth of field in a very compact structure, so that less costly solutions can be created with a small space than with conventional lasers. Due to the high peak power and the good focusability of fiber lasers, the power density is relatively high, so that vaporized material content outweighs. However, as part of the energy is converted into heat, there is still melting and heat influence of the environment. In this case, the residual heat can accumulate, so that one obtains pronounced melting phenomena that could lead to the arithmetic notch spacing being significantly smaller than the notch spacing actually occurring and this notching distance is also comparatively stable with variation of the other parameters.
  • the workpiece ie, the connecting rod is firmly clamped and the laser head 8 is at a feed rate V in Axialrich- tion or axis-parallel moves
  • the laser power at about 50 W and the pulse frequency of the laser in the illustrated embodiment is approximately 20KHz.
  • the spot diameter is about 30 ⁇
  • the feed V is about 1500mm / 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 according to FIG. 2 is about 0.51 mm, while the depth P (seen in the radial direction) of the notch sections 6 is about 0.78 mm (measured from the circumferential wall 14 of the connecting-end eye 1).
  • Figure 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.
  • the notch distance remains almost unchanged. It is clear, however, that at lower feed speeds on the one hand, the depth G of the notch base is larger and also the axial length of the notch portions (PG) behaves inversely proportional to the feed, the differences between the
  • 500mm / min and 1000mm / min are comparatively low.
  • 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 above-described dimension G (depth of the notch base) and the dimension S1 of the total depth P (see FIGS. 2 and 3) of the notch, so that the length of the notch portions corresponds to the difference (GP).
  • 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 can also be carried out according to 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. Specifically shown here is the feed range between 67.5 and 69.5mm, 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 shown Curves top dashed curve / bottom continuous curve) show the actual feed toward 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.
  • FIG. 8 it can be seen that, for example, at a mean feed rate of 800 mm / min (in fact, the feed rate varies according to the sine function according to FIG.
  • a fracture separation notch adjusts with the progression shown in FIG. It can be seen clearly that different notch sections are formed from a notch base with the dimension S2 (G) corresponding to the sine period.
  • the portions indicated by S3 are formed in the regions in which the feed rate is comparatively low.
  • the notch portions marked S1 are formed in the regions in which 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. It can be seen that the notch depth increases with
  • ISA / EP reduced the average feed rate. It is clearly visible, however, that 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. In other words, 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, for very complex components, such as 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 comparatively 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.
  • 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 may 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 .
  • Swivel axis 24 executed, via which the laser head 8 about the Z-feed axis 22 is pivotable.
  • the laser unit further has an X-adjusting axis 26, via which the entire laser head 8 can be moved in the X-direction (radially to the connecting-rod eye 1). With such a device can also form sinusoidal fracture separation notches.
  • FIG. 11 shows the basic structure of the beam guidance in the laser head 8.
  • the optical fiber 18 coupled to the fiber laser (laser module 16) is shown.
  • the laser beam is converted in the recollimator 20 into a parallel beam with a diameter of approximately 6 mm. converted and then deflected by a deflecting mirror 28 by 90 ° in the direction of the Pleuelaugenachse.
  • the deflected laser beam 12 is then focused on the Pleuelaugenwandung via an optical system with a focal length of, for example, 100mm, wherein an alignment to Pleuelcommunswandung via a further deflection mirror 32, which is employed in the illustrated embodiment at an angle of 60 ° to the horizontal, so that the Laser beam resulting in a coupling angle of 30 ° to the horizontal or in an angle of attack of 60 ° to the incident on the deflection mirror 32 vertical 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 can also be seen; in this case, the laser head 8 is rotatably mounted via a rotary bearing 38 and can be pivoted about the Z-feed axis 22 via a motor, not shown, so that practically every peripheral wall area of the connecting rod is pivoted is reachable.
  • a fracture separation notch 4 can be formed, in which the notch sections 6 are spaced in 1/1 Omm range, preferably in the range of 0.1 to Have 0.3mm. 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.
  • the laser type, the pulse rate, the pulse duration, the workpiece material and / or the laser power selected so that the distance between the notched portions is substantially greater than the notch spacing, which is calculated from the feed rate of the laser beam and / or the workpiece and the pulse rate of the laser would result.
  • the feed modulation described also allows the formation of oblique laser notches for runways, as they occur for example in ball or roller guides.
  • the feed rate during laser processing in response to the workpiece geometry and / or periodically modulated.

Abstract

The invention relates to a method for fracture splitting workpieces (1) and to a workpiece produced in accordance with such a method. According to the invention, for example the laser type, the pulse rate, the pulse duration, the workpiece material and/or the laser power are selected such that the distance of the notch sections (6) is considerably larger than the notch distance (K) that would be computationally obtained from the feed rate (V) of the laser beam (12) and/or of the workpiece (1) and the pulse rate of the laser. The described feed modulation also enables the formation of oblique laser notches for rolling surfaces, as they occur, for example, in ball or roller guides. According to the invention, the feed rate is also modulated during laser machining depending on the workpiece geometry and/or periodically.

Description

Beschreibung  description
Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken, Werkstück und Lasereinheit Process for fracture separation of workpieces, workpiece and laser unit
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. 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.
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 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 sections, the distance of which is essentially based on the pulse rate of the laser and the feed rate of the laser beam with respect to
Pleuelauge ergibt. Es zeigte sich, dass durch diese Kerbabschnitte die Kerbwirkungszahl 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. Connecting rod eye yields. It has been found that the notch impact number can be increased quite considerably compared to through notches by these notch sections, so that formation of a notch with comparatively low laser power is made possible. 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.
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. In the applicant's DE 2005 031 335 A1, an improved method is described in which the notch is formed not straight but sinusoidal with straight end sections. It was found, surprisingly, that the fracture separation behavior can be further improved by such a notch design.
Ein gewisser Nachteil der vorbeschriebenen Vorgehensweise ist, dass - wie erläutert - die Vorschubgeschwindigkeit und die Impulsrate so aufeinander abgestimmt sein müssen, dass sich die das Kerbverhalten verbessernden Kerbabschnitte ausbilden. Des Weiteren zeigte es sich, dass insbesondere bei der Ausbildung von sinusförmigen Kerben oder von Pleuelaugen mit großer Axiallänge der Laserstrahl nachfokussiert werden muss, da die Tiefenschärfe nicht ausreicht, um die Kerbabschnitte (Perforation) mit der erforderlichen Präzision auszuführen. A certain disadvantage of the above-described procedure is that - as explained - the feed rate and the pulse rate must be coordinated so that form the notch behavior improving notch sections. Furthermore, it has been found that, especially in the case of the formation of sinusoidal notches or of connecting rods with a large axial length, the laser beam must be refocused, because the depth of field is not sufficient to perform the notch sections (perforation) with the required precision.
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. On the other hand, 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.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 , durch ein Werkstück mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 12 und eine Lasereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. This object is achieved by a method having the combination of features of claim 1, by a workpiece having the features of independent patent claim 12 and a laser unit having the features of patent claim 14.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird - ähnlich wie bei herkömmlichen Vorgehensweisen - eine Laserkerbe mittels Laserenergie ausgebildet, wobei diese Kerbe eine Vielzahl von Kerbabschnitten aufweist. Erfindungsgemäß werden der Lasertyp, die Impulsrate, das Werkstückmaterial und die mittlere Laserleistung so aufeinander abgestimmt, dass der Abstand der Kerbabschnitte wesentlich größer ist als derjenige Kerbabstand, der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit, der Relativbewegung und der Impulsrate (Frequenz) des Lasers ergibt. In the method according to the invention-similar to conventional procedures-a laser notch is formed by means of laser energy, this notch having a plurality of notch sections. According to the laser type, the pulse rate, the workpiece material and the average laser power are coordinated so that the distance of the notch portions is substantially greater than the notch spacing, which results arithmetically from the feed rate, the relative movement and the pulse rate (frequency) of the laser.
Die Einkoppelung des Laserstrahls erfolgt vorzugsweise schräg zur Kerblängsachse. The coupling of the laser beam is preferably carried out obliquely to the longitudinal axis Kerbl.
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. Surprisingly, it has been found that by suitable selection of the above-mentioned criteria, even with a very high pulse rate and fast feed, a notch provided with a perforation can be produced, whereby this notch spacing is then significantly greater than the notched notch spacing. This procedure has the advantage that a high-frequency laser with a very high feed rate can be used, so that the formation of the laser notch can be done much faster and with less heat input than conventional solutions.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens wird die Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung variiert, so dass eine Kerbe mit unterschied- lieh tiefen Kerbabschnitten ausgebildet wird. Unter„Tiefe" des Kerbabschnitts wird dabei die Eindringtiefe in Laserstrahlrichtung verstanden. Darüber hinaus kann durch die Variation der Vorschubgeschwindigkeit die Tiefe eines durchgehenden Bereichs, im Folgenden Kerbbasis genannt, variiert werden. Eine derartige Kerbe hat eine nochmals verbesserte Kerbwirkungszahl und somit eine verbesserte Bruchmechanik. In a particularly preferred variant of the method, the feed rate during laser processing is varied so that a notch with different lent deep notch sections is formed. In addition, the depth of a continuous region, referred to as the notch base in the following, can be varied by the variation of the feed rate Such a notch has a further improved notch effect number and thus improved fracture mechanics.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Variation der Vorschubgeschwindigkeit nach einer periodischen Funktion, beispielsweise einer Sinusfunktion oder in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie erfolgt. According to the invention, it is preferred if the variation of the feed rate takes place according to a periodic function, for example a sine function or depending on the component geometry.
Die Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung kann im Bereich zwischen 100mm/min und 1500mm/min variieren. The feed rate during laser processing can vary in the range between 100mm / min and 1500mm / min.
Im geltenden Patentanspruch 1 ist beansprucht, dass die Bearbeitungsparameter und der Lasertyp derart gewählt sind, dass sich ein größerer Kerbabstand als der rechnerische Kerbabstand einstellt. Die Anmelderin behält sich vor, einen unabhängigen Patentanspruch, beispielsweise im Rahmen einer Teilanmeldung weiter zu verfolgen, mit dem unabhängig von der Wahl der Bearbeitungsparameter und des Lasertyps die Variation der Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung beansprucht wird. Das heißt, ein derartiger unabhängiger Patentanspruch wäre dann auf die Laserbearbeitung einer Bruchtrennkerbe mit variierender Vorschubgeschwindigkeit (Merkmale des Patentanspruchs 3 ohne Rückbezug auf Patentanspruch 1 ) gerichtet. In the current claim 1 is claimed that the machining parameters and the laser type are chosen such that sets a greater notching than the notched notch spacing. The Applicant reserves the right to pursue an independent claim, for example in the context of a divisional application, with which, regardless of the choice of machining parameters and the laser type, the variation of the feed rate during laser processing is claimed. That is, such an independent claim would then be directed to the laser processing of a fracture separation notch with varying feed rate (features of claim 3 without recourse to claim 1).
Dabei kann der Laserstrahl gegenüber dem stillstehenden Werkstück bewegt werden, in kinematischer Umkehr kann jedoch 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. In this case, the laser beam can be moved relative to the stationary workpiece, in kinematic reversal, however, the workpiece can be moved relative to the stationary laser, mixed forms are advantageous. The laser beam can be radial, d. h., Are coupled perpendicular to the fracture separation notch or obliquely to the fracture separation notch.
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 ). In a radial coupling 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 Kerblängsachse (in a connecting rod that is the radial plane of the Connecting rod)). In the case of a horizontal connecting rod and perpendicularly extending feed direction (notch axis), the angle would thus be, for example, 30 ° to the horizontal and 60 ° to the vertical (see FIG. 11).
Bei einer Variante der Erfindung beträgt der tatsächliche, sich aufgrund der Wahl der Parameter einstellende Kerbabstand mehr als das 1 (Mache des rechnerischen Kerbabstandes, der sich aus der Impulsrate und der Vorschubgeschwindigkeit ergibt. In a variant of the invention, the actual kerf spacing, which is established on the basis of the choice of the parameters, is more than 1 (times the arithmetic notch spacing, which results from the pulse rate and the feed rate.
Bei geeigneter Wahl lässt sich sogar ein um das 50-fache größerer Kerbabstand erzielen. With a suitable choice, it is even possible to achieve a notch spacing that is 50 times greater.
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. According to the invention, it is preferred if a so-called fiber laser is used as the laser. Such fiber lasers are known from the prior art, so that detailed descriptions of the structure can be dispensed with.
Bei einer Variante der Erfindung wird ein Laser mit einer mittleren Leistung von weniger als 50 Watt und einer Impulsrate von wesentlich mehr als 1 KHz, vorzugsweise mehr als 10KHz verwendet, wobei der Vorschub bei mehr als 1000mm/min betragen kann. Dem gegenüber liegt die Impulsrate bei herkömmlichen Verfahren in etwa der gleichen In a variant of the invention, a laser with an average power of less than 50 watts and a pulse rate of substantially more than 1 KHz, preferably more than 10 kHz is used, wherein the feed may be more than 1000 mm / min. On the other hand, the pulse rate in conventional methods is about the same
Größenordnung, wobei die Impulsfrequenz deutlich länger, beispielsweise 50 bis 140Hz beträgt. Magnitude, the pulse frequency is significantly longer, for example, 50 to 140Hz.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstrecken sich die Kerbabschnitte aus einer durchgehenden Kerbbasis heraus. In a preferred embodiment of the invention, the notch portions extend out of a continuous notch base.
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. 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.
Das nach den Verfahren hergestellte Werkstück kann durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit des Lasers Kerbabschnitte mit unterschiedlicher Tiefe aufweisen. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn diese Variationen 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 periodisch variiert ist. The workpiece produced by the method can have notch portions of varying depth by varying the feed rate of the laser. It is particularly preferred if these variations are repeated periodically along the notch portion. 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 is varied periodically during the laser processing.
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. In this case, 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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer Lasereinheit zur Herstellung einer Bruchtrennkerbe in einem großen Pleuelauge; Figure 1 is a schematic diagram of a laser unit for producing a fracture separation notch in a large connecting rod;
Figur 2 eine stark vergrößerte Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bruchtrennkerbe;  FIG. 2 shows a greatly enlarged illustration of a fracture separation notch produced by the method according to the invention;
Figur 3 eine entsprechende Darstellung mit veränderter Laserleistung und/oder Impulsrate;  FIG. 3 a corresponding representation with modified laser power and / or pulse rate;
Figur 4 Darstellung von Bruchtrennkerben in Abhängigkeit vom Vorschub;  FIG. 4 shows fracture separation notches depending on the feed;
Figur 5 Darstellungen von Bruchtrennkerben in Abhängigkeit von der mittleren Laserleistung;  FIG. 5 shows fracture separation notches as a function of the mean laser power;
Figur 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit einer Kerbtiefe von einem Vorschub des Laserstrahls;  Figure 6 is a diagram illustrating the dependence of a notch depth of a feed of the laser beam;
Figur 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Vorschubgeschwindigkeitsmodulation in Abhängigkeit von der Zeit;  FIG. 7 shows a diagram for illustrating feed rate modulation as a function of time;
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; 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;
Figur 10 eine schematische Darstellung einer Lasereinheit, die bei einem Laserverfahren mit Vorschubgeschwindigkeitsmodulation verwendbar ist und  FIG. 10 shows a schematic illustration of a laser unit that can be used in a feed rate modulation laser method, and
Figur 1 1 eine Prinzipdarstellung eines Laserkopfs der Lasereinheit gemäß Figur 10.  1 1 is a schematic diagram of a laser head of the laser unit according to FIG. 10.
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. 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. As explained in the prior art described above, after forming the fracture separation notches 4 in Figure 1 left and right wall of the connecting rod 1 an expanding mandrel inserted into the connecting rod and then by suitable spreading of the expanding mandrel and supporting the connecting rod, the bearing shell of the rod-side part of Pleuels separated, the resulting fracture separation plane geometry due to the microstructure simplifies the precise assembly of the two parts.
Zur Ausgestaltung der Bruchtrennkerbe 4 wird erfindungsgemäß 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. For the embodiment of the fracture separation notch 4, a fiber laser according to the invention 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.
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 ver- schmutzt 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. After emerging from said active fiber, 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. In the illustrated embodiment, 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 are damaged by the melting material. is dirty, because due to the 90 ° coupling reflections and possibly residual melt directly go back the beam path. If coupling takes place at an angle, for example at 30 ° or 45 °, any reflections and residual melt that occur are reduced below the angle of failure (see Figure 1: 12 "") so that no contamination occurs. A laser unit with oblique coupling is described with reference to FIGS. 10 and 11.
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. Another disadvantage of the 90 ° coupling is that no sluggish or piercing beam guidance is possible. In an inclined position, 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. Also on the two aforementioned aspects, a subclaim can be addressed.
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. These fiber lasers are characterized by very good electrical-optical efficiencies and outstanding beam quality with great depth of field in a very compact structure, so that less costly solutions can be created with a small space than with conventional lasers. Due to the high peak power and the good focusability of fiber lasers, the power density is relatively high, so that vaporized material content outweighs. However, as part of the energy is converted into heat, there is still melting and heat influence of the environment. In this case, the residual heat can accumulate, so that one obtains pronounced melting phenomena that could lead to the arithmetic notch spacing being significantly smaller than the notch spacing actually occurring and this notching distance is also comparatively stable with variation of the other parameters.
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. After processing the left in Figure 1 Pleuelwandung the laser head is rotated by 180 ° and edited the right Pleuelwandung. In principle, however, also crossheads can be used in which both wall sections are processed simultaneously.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Werkstück, d. h., das Pleuel fest eingespannt und der Laserkopf 8 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit V in Axialrich- tung oder Achsparallel bewegt, wobei die Laserleistung bei etwa 50 W und die Impulsfrequenz des Lasers beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa bei 20KHz liegt. Der Spotdurchmesser liegt bei etwa 30 μιτι, der Vorschub V beträgt dabei etwa 1500mm/min. Bei diesen Parametern würde sich rechnerisch ein Kerbabstand von etwa 0,00125mm ergeben. Tatsächlich liegt der Kerbabstand K (hier bei mit 45° schräg eingekoppeltem Laserstrahl) bei etwa 0,1 mm. In the described embodiment, the workpiece, ie, the connecting rod is firmly clamped and the laser head 8 is at a feed rate V in Axialrich- tion or axis-parallel moves, the laser power at about 50 W and the pulse frequency of the laser in the illustrated embodiment is approximately 20KHz. The spot diameter is about 30 μιτι, the feed V is about 1500mm / min. With these parameters, a notch spacing of approximately 0.00125 mm would be calculated. In fact, the notch spacing K (here at 45 ° obliquely coupled laser beam) is about 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 0,78mm (gemessen von der Umfangswandung 14 des Pleuelauges 1 ) beträgt. Figure 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 according to FIG. 2 is about 0.51 mm, while the depth P (seen in the radial direction) of the notch sections 6 is about 0.78 mm (measured from the circumferential wall 14 of the connecting-end eye 1).
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. Figure 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.
Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Bruchtrennkerbe von der eingestellten Vorschubgeschwindigkeit V (siehe Figur 1 ) mit der der Laserstrahl in Kerblängsrichtung bewegt wird. 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.
Man erkennt deutlich, dass bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten It can be seen clearly that at different feed rates
(500mm/min; 1000m m/m in, 1500mm/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 (500mm / min, 1000m m / m in, 1500mm / min) the notch distance remains almost unchanged. It is clear, however, that at lower feed speeds on the one hand, the depth G of the notch base is larger and also the axial length of the notch portions (PG) behaves inversely proportional to the feed, the differences between the
500mm/min und 1000mm/min vergleichsweise gering sind. 500mm / min and 1000mm / min are comparatively low.
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 1500mm/min optimal sein. FIG. 5 shows the dependence of the fracture separation notch on the laser power. In the figure above, 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. With regard to fracture mechanics, 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.
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. The beam quality can be improved by a so-called Q-switch. Such 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.
Figur 6 zeigt die Abhängigkeit der sich einstellenden Kerbtiefe von dem Vorschub, der zwischen 100 und 3000mm/min variiert ist. Dabei entspricht das Maß S2 dem vorbeschriebenen 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 800mm/min eine vergleichsweise starke Abhängigkeit der Kerbtiefe (S1 , S2) von der Vorschubgeschwindigkeit vorliegt. Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten (etwa 800 - 3000mm/nnin) ist die Abhängigkeit deutlich weniger ausgeprägt. Diese Versuche wurden bei einer Impulsfrequenz von 50kHz 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. 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 above-described dimension G (depth of the notch base) and the dimension S1 of the total depth P (see FIGS. 2 and 3) of the notch, so that the length of the notch portions corresponds to the difference (GP). 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. At higher feed rates (about 800 - 3000mm / nnin), the dependence is much less pronounced. These experiments were carried out at a pulse frequency of 50kHz and a mean pulse power of 50W. The dependence of the notch geometry on the feed rate explained with reference to the above-described figures was thus confirmed by the experiments shown in FIG.
Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, konnte man bei sehr niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten (kleiner als 200mm/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. As will be explained in more detail below, it was found at very low feed speeds (less than 200 mm / min) that the notch quality due to thermal overheating in the region of the notch base was insufficient. It created charred areas that made the laser machined workpiece practically useless. These charred areas are shown for example in FIG. 9 above, which will be discussed in more detail later.
Bei der Laserbearbeitung sollte daher darauf geachtet werden, dass die Vorschubgeschwindigkeit so gesteuert wird, dass derartige Qualitätseinbußen bei der Ausbildung der Bruchtrennkerbe vermieden werden. Care should therefore be taken in laser processing to control the feed rate so as to avoid such quality losses in the formation of the fracture separation notch.
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. It has been found that such phenomena can be avoided by varying the feed rate during laser processing, in which case a fracture separation notch is produced which on the one hand has a sufficient notch depth and on the other hand can be formed at high feed rates and thus in a short time no loss of quality is to be expected, resulting in a deterioration of the fracture mechanics.
Figur 7 zeigt Beispiele für eine Vorschubgeschwindigkeitsmodulation, wobei diese nach einer Sinusfunktion erfolgt. Selbstverständlich kann die Geschwindigkeitsmodulation 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 69.5mm, 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. FIG. 7 shows examples of a feed rate modulation, which takes place according to a sine function. Of course, the speed modulation can also be carried out according to 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. Specifically shown here is the feed range between 67.5 and 69.5mm, 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 shown Curves (top dashed curve / bottom continuous curve) show the actual feed toward the fracture separation notch as a function of time t. During this slightly wavy feed, 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.
In der Grafik gemäß Figur 7 sind rechts die jeweils eingestellten Vorschubgeschwin- digkeits-lst-Werte dargestellt. Dementsprechend wurde bei der oben liegenden Geschwid- nigkeitsmodulation die Geschwindigkeit im Bereich zwischen 117 und 1157mm/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 800mm/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 Kerbabschnitte bilden sich in den Bereichen aus, in denen sich der Lasergeschwindigkeit mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit bewegt. In the graph according to FIG. 7, the respective set feedrate actual values are shown on the right. Accordingly, the velocity was varied in the range between 117 and 1157 mm / min in the case of the above-defined blur modulation. In the formation of the fracture separation notch with such a velocity modulation results in a fracture separation notch geometry, as shown by way of example in Figures 8 and 9. Figure 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. In FIG. 8 it can be seen that, for example, at a mean feed rate of 800 mm / min (in fact, the feed rate varies according to the sine function according to FIG. 7), a fracture separation notch adjusts with the progression shown in FIG. It can be seen clearly that different notch sections are formed from a notch base with the dimension S2 (G) corresponding to the sine period. The portions indicated by S3 are formed in the regions in which the feed rate is comparatively low. The notch portions marked S1 are formed in the regions in which the laser speed moves at a comparatively high speed.
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 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. It can be seen that the notch depth increases with
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ADJUSTED SHEET (RULE 91)
ISA /EP der mittleren Vorschubgeschwindigkeit verringert. Deutlich sichtbar ist jedoch, dass mit entsprechender Geschwindigkeitsmodulation Kerbabschnitte mit variierender 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. ISA / EP reduced the average feed rate. It is clearly visible, however, that 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. In other words, 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.
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 vergleichsweisen 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. It is thus possible to crack even complex components, wherein the modulation of the feed rate can also be done in dependence on the component geometry. That is, for very complex components, such as 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 comparatively 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.
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 200mm/min einstellen würde. Man erkennt deutlich die vergleichsweise große Kerbtiefe und die Verbrennungen/Verkohlungen, die aufgrund des hohen Wärmeeintrags bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit entstehen können. Eine derartige Bruchtrennkerbe ist praktisch unbrauchbar. The advantage of the described feed rate modulation is illustrated with reference to FIG. This shows above a fracture separation notch, as they would be at a comparatively low constant feed rate of 200mm / min. It can be clearly seen the comparatively large notch depth and the burns / charring, which can occur due to the high heat input at low feed rate. Such a fracture separation notch is virtually unusable.
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 On the other hand, in the figure below, a notch made according to the feed rate modulation method according to the invention is shown, wherein the feed rate modulation is in the range of 1 17 to 17
1 157mm/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. 1 157mm / 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 sections greater or lesser depth, the depth also depending 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.
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. A laser unit is described with reference to FIGS. 10 and 11, which is particularly well suited for carrying out the method with feed rate modulation described above. According to FIG. 10, 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.
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 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. In this, 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 may 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 . For two-sided processing of the connecting rod 1 of the laser head 8 is still with a
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. Swivel axis 24 executed, via which the laser head 8 about the Z-feed axis 22 is pivotable. The laser unit further has an X-adjusting axis 26, via which the entire laser head 8 can be moved in the X-direction (radially to the connecting-rod eye 1). With such a device can also form sinusoidal fracture separation notches.
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 um- gewandelt 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 fokussiert, 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 Umfangswan- dungsbereich des Pleuels erreichbar ist. FIG. 11 shows the basic structure of the beam guidance in the laser head 8. The optical fiber 18 coupled to the fiber laser (laser module 16) is shown. The laser beam is converted in the recollimator 20 into a parallel beam with a diameter of approximately 6 mm. converted and then deflected by a deflecting mirror 28 by 90 ° in the direction of the Pleuelaugenachse. The deflected laser beam 12 is then focused on the Pleuelaugenwandung via an optical system with a focal length of, for example, 100mm, wherein an alignment to Pleuelumfangswandung via a further deflection mirror 32, which is employed in the illustrated embodiment at an angle of 60 ° to the horizontal, so that the Laser beam resulting in a coupling angle of 30 ° to the horizontal or in an angle of attack of 60 ° to the incident on the deflection mirror 32 vertical part of the laser beam 12 (deflection 60 °) impinges on the Pleuelumfangswandung. 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. To avoid contamination of the optics 30 and the mirrors 28, 32, a protective glass 34 is provided in the beam path between the nozzle 34 and deflecting mirror 32. In the illustration according to FIG. 11, the pivot axis 24 can also be seen; in this case, the laser head 8 is rotatably mounted via a rotary bearing 38 and can be pivoted about the Z-feed axis 22 via a motor, not shown, so that practically every peripheral wall area of the connecting rod is pivoted is reachable.
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. When using a fiber laser and by a suitable choice of a feed rate modulation and a comparatively (compared to conventional solutions) high pulse rate can thus be formed a perforation, which has an optimal notch efficiency, but can be formed with much lower energy input and at significantly faster feed rates, than at conventional systems is the case.
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/I Omm-Bereich, vorzugsweise im Bereich von 0.1 bis 0.3mm 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. The tests carried out show that, for example, in the case of a fiber laser with a power of 50 watts at a pulse frequency of 20 kHz, a fracture separation notch 4 can be formed, in which the notch sections 6 are spaced in 1/1 Omm range, preferably in the range of 0.1 to Have 0.3mm. 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.
Offenbart sind ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken und ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück. Erfindungsgemäß werden beispiels- weise der Lasertyp, die Impulsrate, die Impulsdauer, das Werkstückmaterial und/oder die Laserleistung so gewählt, dass der Abstand der Kerbabschnitte wesentlich größer ist als derjenige Kerbabstand, der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls und/oder des Werkstücks und der Impulsrate des Lasers ergeben würde. Die beschriebene Vorschubmodulation ermöglicht auch das Ausbilden von schrägen Laserkerben für Rollbahnen, wie sie beispielsweise bei Kugel- oder Rollenführungen vorkommen. Disclosed are a method for fracture separation of workpieces and a workpiece produced by such a method. According to the invention, for example example, the laser type, the pulse rate, the pulse duration, the workpiece material and / or the laser power selected so that the distance between the notched portions is substantially greater than the notch spacing, which is calculated from the feed rate of the laser beam and / or the workpiece and the pulse rate of the laser would result. The feed modulation described also allows the formation of oblique laser notches for runways, as they occur for example in ball or roller guides.
Erfindungsgemäß ist des Weitern offenbart, dass die Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie und / oder periodisch moduliert wird. According to the invention further discloses that the feed rate during laser processing in response to the workpiece geometry and / or periodically modulated.
Pleuelaugeconnecting rod
Bruchebenefracture plane
BruchtrennkerbeFracture splitting notch
Kerbabschnittenotch portions
Laserkopflaser head
Fokussieroptikfocusing optics
Laserstrahllaser beam
Umfangswandungperipheral
Lasermodullaser module
Lichtleiteroptical fiber
RekollimatorRekollimator
Vorschubachsefeed axis
Schwenkachseswivel axis
Stellachseadjusting axis
Umlenkspiegeldeflecting
Optik optics
Umlenkspiegel Düse  Deflection mirror nozzle
Schutzglas Drehlager  Protective glass pivot bearing

Claims

Patentansprüche claims
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 Bearbeitungsparameter, beispielsweise der Lasertyp, die Impulsrate, die Impulsdauer, das Werkstückmaterial und die Laserleistung so gewählt werden, dass der Abstand der Kerbabschnitte (6) wesentlich größer ist als derjenige Kerbabstand (K), der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit (V) des Laserstrahls (12) und/oder des Werkstücks (1 ) sowie der Impulsrate des Lasers ergibt. 1 . Method for fracture separation of workpieces (1) by means of laser energy, wherein by relative displacement between a laser beam (12) and the workpiece (1) a fracture separation plane predetermining fracture separation notch (4) is formed, which is in the form of a perforation with notch portions (6) , characterized in that the processing parameters, such as the laser type, the pulse rate, the pulse duration, the workpiece material and the laser power are chosen so that the distance of the notch portions (6) is substantially greater than the notch spacing (K), which is calculated from the Feed rate (V) of the laser beam (12) and / or the workpiece (1) and the pulse rate of the laser results.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei der Laserstrahl (12) schräg zur Kerblängsachse eingekoppelt wird. 2. The method according to claim 1, wherein the laser beam (12) is coupled obliquely to the longitudinal axis Kerbl.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Vorschubgeschwindigkeit (V) während der Bearbeitung variiert wird. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the feed rate (V) is varied during processing.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die Vorschubgeschwindigkeit (V) nach einer periodischen Funktion, beispielsweise einer Sinusfunktion, variiert wird. 4. The method according to claim 3, wherein the feed rate (V) is varied according to a periodic function, such as a sine function.
5. Verfahren nach Patentansprüche 3 oder 4, wobei die Vorschubgeschwindigkeit zwischen 100mm/min und 1500mm/min variiert wird. 5. The method according to claims 3 or 4, wherein the feed rate between 100mm / min and 1500mm / min is varied.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der tatsächliche Kerbabstand (K) um jeweils das 1 (Mache größer ist als der rechnerische Kerbabstand. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the actual notch spacing (K) by 1 (Mache is greater than the notched notch gap.
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, wobei der Kerbabstand (K) um mehr als das 50-fache größer ist als der rechnerische Kerbabstand. 7. The method according to claim 6, wherein the notch spacing (K) by more than 50 times greater than the notched notch spacing.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei als Laser ein Faserlaser verwendet wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein a fiber laser is used as a laser.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mittlere Leistung des Lasers 50 Watt und weniger bei einer Impulsrate von mehr als 1 KHz, vorzugsweise mehr als 10KHz beträgt. A method according to any one of the preceding claims, wherein the average power of the laser is 50 watts and less at a pulse rate of more than 1 KHz, preferably more than 10KHz.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Einkoppelwinkel etwa 30° beträgt. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the Einkoppelwinkel is about 30 °.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bruchtrennkerbe (4) eine durchgehende Kerbbasis hat, aus der heraus sich die Kerbabschnitte (6) erstrecken. 1 1. Method according to one of the preceding claims, wherein the fracture separation notch (4) has a continuous notch base from which the notch portions (6) extend.
12. Werkstück, insbesondere ein Pleuel oder ein Kurbelwellengehäuse, hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 1 1 . 12. workpiece, in particular a connecting rod or a crankcase, produced by a method according to claims 1 to 1 1st
13. Werkstück nach Patentanspruch 12, 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. 13. A workpiece according to claim 12, wherein this has approximately periodically repeating sequences of one or more notch portions (6) with shallow depth and one or more notch portions (6) with greater depth or depending on the workpiece geometry different notch depths (P).
14. Lasereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , 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 während der Laserbearbeitung. 14. Laser unit for carrying out the method according to one of claims 1 to 1 1, comprising a laser, a laser head (8) for focusing a laser beam (12) on a workpiece to be machined, with at least one feed axis acting in the feed direction (22) and a control unit (16) for varying the feed rate during the laser processing.
15. Lasereinheit nach Patentanspruch 14, wobei die Vorschubachse (22) derart ausgelegt ist, dass Vorschubgeschwindigkeitsänderungen mit einer Beschleunigung von > 0,5g, vorzugsweise bis zu 2g möglich sind. 15. The laser unit according to claim 14, wherein the feed axis (22) is designed such that feed rate changes with an acceleration of> 0.5g, preferably up to 2g are possible.
PCT/EP2011/055384 2010-04-06 2011-04-06 Method for fracture splitting workpieces, workpiece and laser unit WO2011124627A1 (en)

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