Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken, Werkstück und Lasereinheit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bruchtrennen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück sowie eine Lasereinheit.

In der EP 0 808 228 B2 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßes Bruchtrennverfahren beschrieben, bei dem in einem bruchzutrennenden Pleuelauge mittels Laserenergie eine die Bruchebene vorgebende Kerbe ausgebildet wird. Diese Kerbe besteht aus einer Vielzahl von Kerbabschnitten, deren Abstand sich im Wesentlichen aus der Impulsrate des Lasers und der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls mit Bezug zum Pleuelauge ergibt. Es zeigte sich, dass durch diese Kerbabschnitte die Kerbwir- kungszahl gegenüber durchgehenden Kerben ganz erheblich erhöht werden kann, so dass eine Ausbildung einer Kerbe mit vergleichsweise geringer Laserleistung ermöglicht ist. Durch diese geringe Laserleistung und die damit einhergehende geringe eingebrachte Wärmeenergie wird eine unerwünschte, tiefgehende Gefügeänderung im Kerbbereich vermieden, wobei lediglich gewisse Randzonen der Kerbe eine Gefügeumwandlung erfahren und somit das Bruchtrennverhalten verbessern.

In der DE 2005 031 335 A1 der Anmelderin wird ein verbessertes Verfahren beschrieben, bei dem die Kerbe nicht gerade sondern sinusförmig mit gerade verlaufenden Endabschnitten ausgebildet ist. Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch eine derartige Kerbgestaltung das Bruchtrennverhalten nochmals verbessert werden kann.

Laserkerben mit derartigen Kerbabschnitten haben sich insbesondere beim Bruchtrennen von Pleueln und Kurbelgehäusen als Stand der Technik durchgesetzt, da das Bruchverhalten derartiger Kerben demjenigen bei durchgehenden Kerben überlegen ist. Trotz dieser guten Bruchtrenneigenschaften besteht ein Bestreben, das Bruchtrennverhalten weiter zu verbessern. Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das mit geringem Aufwand eine Erstellung von Kerbabschnitten einer Bruchtrennkerbe ermöglicht. Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Werkstück und eine Lasereinheit zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 , durch ein Werkstück mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 10 und eine Lasereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird - ähnlich wie bei herkömmlichen Vorgehensweisen - eine Laserkerbe mittels Laserenergie ausgebildet, wobei diese Kerbe eine Vielzahl von Kerbabschnitten aufweist. Erfindungsgemäß erfolgt während des Laserkerbens, d.h. während des Ausbildens der Kerbe eine Modulation des Vorschubs, d.h. der Relativbewegung zwischen dem in Wirkeingriff befindlichen Laserstrahl und dem Werkstück und/oder des Laserpulses. Durch diese Modulation ist es möglich, eine Kerbe mit unterschiedlich tiefen Kerbabschnitten oder Kerbabständen auszubilden. Unter„Tiefe" des Kerbabschnittes wird dabei die Eindringtiefe in Laserstrahlrichtung verstanden. Darüber hinaus kann durch die Variation der Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Pulsparameter die Tiefe eines durchgehenden Bereiches, im Folgenden Kerbbasis genannt, variiert werden. Derartige Kerben haben gegenüber den herkömmlichen Kerben mit mehr oder weniger gleichbleibender Geometrie eine verbesserte Kerbwirkungszahl und somit eine verbesserte Bruchmechanik. Das Verfahren ist praktisch mit allen Lasertypen realisierbar, die beim Bruchtrennen eingesetzt werden.

Die Einkoppelung des Laserstrahls erfolgt vorzugsweise schräg zur Kerblängsachse.

Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch geeignete Auswahl der oben genannten Kriterien auch bei sehr hoher Impulsrate und schnellem Vorschub noch eine mit einer Perforation versehene Kerbe herstellen lässt, wobei dieser Kerbabstand dann wesentlich größer als der rechnerische Kerbabstand ist. Diese Verfahrensweise birgt den Vorteil in sich, dass ein hochfrequenter Laser mit sehr hoher Vorschubgeschwindigkeit verwendet werden kann, so dass die Ausbildung der Laserkerbe wesentlich schneller und mit geringerem Wärmeeintrag als bei herkömmlichen Lösungen erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Variation der Vorschubgeschwindigkeit nach einer periodischen Funktion, beispielsweise einer Sinusfunktion oder in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie erfolgt.

Die Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung kann im Bereich zwischen 100mm/min und 1500mm/min variieren.

Der Laserstrahl kann gegenüber dem stillstehenden Werkstück beispielsweise durch Verfahren des Laserkopfes oder - wesentlich einfacher - durch Verwenden eines Schwenkspiegels (Scanners) bewegt werden, in kinematischer Umkehr kann auch das Werkstück gegenüber dem stillstehenden Laser bewegt werden, auch Mischformen sind vorteilhaft. Der Laserstrahl kann radial, d.h. senkrecht zur Bruchtrennkerbe oder schräg zur Bruchtrennkerbe eingekoppelt werden.

Bei einer radialen Einkoppelung stehen die Kerbabschnitte somit senkrecht zur Kerbachse, während sie bei einer schrägen Einkoppelung schräg zur Kerbachse angestellt sind. Die Einkoppelung erfolgt vorzugsweise mit einem Winkel von < 45° (mit Bezug zur Ebene senkrecht zur Kerblängsachse (bei einem Pleuel ist das die Radialebene des Pleuelauges)). Bei einem horizontal aufliegenden Pleuel und senkrecht dazu verlaufender Vorschubrichtung (Kerbachse) wäre der Winkel somit beispielsweise 30° zur Horizontalen und 60° zur Senkrechten (siehe Figur 1 1 ).

Die Pulsmodulation kann beispielsweise durch Variation der Pulsbreite, der Pulsfrequenz, der Pulsamplitude und/oder der Pulsphase erfolgen. Diese Parameter können zur Pulsmodulation alleine oder in beliebiger Kombination variiert werden, um so die eingetragene Pulsleistung/Pulsenergie oder beispielsweise die Pulsfolge bei konstanter Pulsleistung zu variieren und entsprechend die Kerbtiefe oder die Kerbabstände entlang des Verlaufes der Kerbe zu ändern und somit das Bruchverhalten weiter zu optimieren. So werden beispielsweise bei zähen Materialien umlaufende Bruchtrennkerben ausgebildet - bei derartigen Werkstücken könnte dann der Kerbabstand oder die Kerbtiefe in Abhängigkeit vom Verlauf der Bruchtrennkerbe, beispielsweise im Pleuelauge und entlang der außerhalb des eigentlichen Pleuelauges verlaufenden Abschnitte variiert werden.

Durch geeignete Wahl der Parameter kann beispielsweise eine Modulation durch ein zeitgesteuertes Pulsenergie-Ramping erfolgen, wobei die Impulsfrequenz im Wesentlichen konstant bleibt. Unter dem Begriff„Ramping" versteht man allgemein ein Verfahren, bei dem die Pulsleistung während einer Pulsfolge zu der Rampe hin gesteigert und/oder von dieser ausgehend verringert wird.

Alternativ kann die Modulation auch durch eine Pulsfolge-/Pulsfrequenzmodulation erfolgen, wobei dann die Impulsleistung in etwa konstant gehalten werden kann.

Wie bereits erwähnt, können auch andere Parameter verändert werden.

Vorstellbar ist es auch, sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch den Puls zu modulieren, wobei diese Modulation auf einander folgend oder aber auch überlappend oder gleichzeitig erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn als Laser ein sogenannter Faserlaser verwendet wird. Derartige Faserlaser sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass auf detaillierte Beschreibungen des Aufbaus verzichtet werden kann.

Bei einer Variante der Erfindung wird ein Laser mit einer mittleren Leistung von 50 Watt oder 100 Watt und einer Impulsrate von wesentlich mehr als 1 kHz, vorzugsweise mehr als 10KHz bei einer Impulsdauer von etwa 100 - 200 ns verwendet, wobei der Vorschub mehr als 1000mm/min betragen kann. Dem gegenüber liegt die Impulsrate bei herkömmlichen Verfahren in etwa der gleichen Größenordnung, wobei die Impulsfrequenz deutlich niedriger, beispielsweise 50 bis 140Hz beträgt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstrecken sich die Kerbabschnitte aus einer durchgehenden Kerbbasis heraus.

Das nach dem Verfahren hergestellte Werkstück kann beispielsweise ein Pleuel oder ein Kurbelwellengehäuse oder ein sonstiges Werkstück sein, bei dem ein Lagerauge oder ein sonstiger Bereich mittels eines Bruchtrennverfahrens getrennt werden soll.

Das nach dem Verfahren hergestellte Werkstück kann durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit oder des Pulses des Lasers Kerbabschnitte mit unterschiedlicher Tiefe oder unterschiedlichen Kerbabständen aufweisen. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn die Vorschubvariationen sich periodisch entlang des Kerbabschnittes wiederholen.

Eine Lasereinheit zur Durchführung des Verfahrens hat ein Lasermodul, einen Laserkopf zum Fokussieren des über das Lasermodul abgegebenen Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück und eine in Vorschubrichtung wirksame Vorschubachse. Diese ist über eine Steuereinheit derart ansteuerbar, dass der Vorschub während der Laserbearbeitung modulierbar ist. Alternativ oder gleichzeitig kann über die Steuereinheit auch eine Pulsmodulation durchgeführt werden.

Der Kerbabstand wird durch die Periode der Pulsmodulation, beispielsweise durch die Periode des Pulsenergierampings oder der Pulsfrequenzmodulation bestimmt. Die Anmelderin behält sich vor, hierauf einen Anspruch zu richten.

Dabei wird eine hochdynamische Vorschubachse bevorzugt, mit der die Vorschubgeschwindigkeitsänderungen mit einer Beschleunigung mit mehr als 0,5g vorzugsweise im Bereich von 1 bis 2g durchführbar sind. Das heißt, die Vorschubgeschwindigkeitsprofile können sinusartig mit hoher Präzision, im Grenzfall sogar nahezu rechteckförmig durchgeführt werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer Lasereinheit zur Herstellung einer Bruchtrennkerbe in einem großen Pleuelauge;

Figur 2 eine stark vergrößerte Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bruchtrennkerbe;

Figur 3 eine entsprechende Darstellung mit veränderter Laserleistung und/oder Impulsrate;

Figur 4 Darstellung von Bruchtrennkerben in Abhängigkeit vom Vorschub;

Figur 5 Darstellungen von Bruchtrennkerben in Abhängigkeit von der mittleren Laserleistung;

Figur 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit einer Kerbtiefe von einem Vorschub des Laserstrahls;

Figur 7 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Vorschubgeschwindigkeitsmodulation in Abhängigkeit von der Zeit;

Figur 8 ein Diagramm und eine Abbildung zur Verdeutlichung der sich einstellenden Kerbtiefe in Abhängigkeit von der mittleren Vorschubgeschwindigkeit bei einer Vorschubgeschwindigkeitsmodulation;

Figur 9 Abbildungen von Bruchtrennkerben bei vergleichbaren Bedingungen mit und ohne Vorschubgeschwindigkeitsmodulation;

Figur 10 eine schematische Darstellung einer Lasereinheit, die bei einem Laserverfahren mit Vorschubgeschwindigkeitsmodulation verwendbar ist,

Figur 1 1 eine Prinzipdarstellung eines Laserkopfs der Lasereinheit gemäß Figur

10, Figur 12 ein Diagramm zur Verdeutlichtung einer Pulsamplitudenmodulation des Lasers;

Figur 13 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Pulsfolgemodulation des Lasers; Figur 14 eine Variante der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 12 und 13 und

Figur 15 ein Diagramm, in dem die Auswirkungen einer Modulation des Vorschubs und der Pulsfrequenz auf die Kerbtiefe dargestellt ist.

Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines großen Pleuelauges 1 , das durch Bruchtrennen in eine Lagerschale und einem pleuelstangenseitigen Teil getrennt werden soll. Der Verlauf dieser Bruchtrennebene 2 wird durch zwei diametrale Bruchtrennkerben 4 vorgegeben (nur eine gezeigt in Figur 1 ), die vorzugsweise in Form einer Perforation mit einer Vielzahl von Kerbabschnitten 6 ausgebildet ist. Wie im eingangs beschriebenen Stand der Technik erläutert, wird nach Ausbilden der Bruchtrennkerben 4 in der Figur 1 linken und rechten Wandung des Pleuelauges 1 ein Spreizdorn in das Pleuelauge eingesetzt und dann durch geeignetes Spreizen des Spreizdorns und Abstützen des Pleuelauges die Lagerschale von dem stangenseitigen Teil des Pleuels getrennt, wobei die entstehende Bruchtrennebenengeometrie aufgrund der Gefügestruktur das passgenaue Zusammensetzen der beiden Teile vereinfacht.

Zur Ausgestaltung der Bruchtrennkerbe 4 wird ein Faserlaser verwendet, dessen Laserkopf 8 in Figur 1 schematisch dargestellt ist. Derartige Faserlaser können im Prinzip diodengepumpte Festkörperlaser sein, wobei ein Kern einer Glasfaser das aktive Medium ausbildet. Dabei wird die Strahlung des Festkörperlasers über eine Koppelung in die Faser eingeleitet, in der dann die eigentliche Laserverstärkung stattfindet. Die Strahleigenschaften und die Strahlqualität des Lasers kann über die Geometrie der Faser (Glasfaser) eingestellt werden, so dass der Laser weitestgehend unabhängig von äußeren Einflüssen bleibt und einen sehr einfachen Aufbau zeigt. Nach dem Austritt aus der genannten aktiven Faser wird der Laserstrahl in eine Glasfaser eingeleitet, über die die Strahlung dann zu dem in Figur 1 abgebildeten Laserkopf 8 geleitet und über dessen Fokussieroptik 10 auf das zu bearbeitende Werkstück 1 gerichtet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel trifft ein Laserstrahl 12 in Radialrichtung, d.h. senkrecht zur Kerbachse (Vertikale in Figur 1 ) auf. Diese Anordnung kann den Nachteil haben, dass die Fokussieroptik 10 durch das aufschmelzende Material verschmutzt wird, da aufgrund der 90° Einkoppelung Reflexionen und gegebenenfalls Restschmelze direkt den Strahlengang zurückgehen. Wenn die Einkoppelung schräg, z.B. mit 30° oder 45° erfolgt, gehen eventuell auftretende Reflexionen und Restschmelze unter dem Ausfallwinkel (siehe Figur 1 :„12") ab, so dass keine Verschmutzung erfolgt. Eine Lasereinheit mit Schrägeinkoppelung wird anhand Figuren 10 und 1 1 beschrieben.

Ein weiterer Nachteil der 90°-Einkoppelung besteht darin, dass keine schleppende oder stechende Strahlführung möglich ist. Bei einer Schrägstellung kann die Kerbgeometrie zusätzlich noch durch die schleppende (nach oben in Figur 1 1 ) oder stechende (nach unten in Figur 1 1 ) Strahlführung beeinflusst werden. Die Kerbgeometrie kann zusätzlich durch den die Schmelze beaufschlagenden Luftstrom durch die Düse beeinflusst werden. Auch auf die beiden vorgenannten Aspekte kann ein Unteranspruch gerichtet werden.

Diese Faserlaser zeichnen sich durch sehr gute elektrisch-optische Wirkungsgrade und eine herausragende Strahlqualität mit großer Tiefenschärfe bei einem sehr kompakten Aufbau aus, so dass bei geringem Bauraum kostengünstigere Lösungen als mit herkömmlichen Lasern geschaffen werden können. Aufgrund der hohen Spitzenleistung und der guten Fokussierbarkeit von Faserlasern ist die Leistungsdichte relativ hoch, so dass verdampfter Materialanteil überwiegt. Da ein Teil der Energie aber in Wärme umgewandelt wird, gibt es trotzdem noch Schmelze und Wärmebeeinflussung der Umgebung. Dabei kann die Restwärme kumulieren, sodass man ausgeprägte Schmelzphänomene erhält, die dazu führen könnten, dass der rechnerische Kerbabstand deutlich geringer als der sich tatsächlich einstellende Kerbabstand ist und dieser Kerbabstand auch vergleichsweise stabil bei Variation der sonstigen Parameter ist. Nach der Bearbeitung der in Figur 1 links liegenden Pleuelwandung wird der Laserkopf um 180° gedreht und die rechte Pleuelwandung bearbeitet. Prinzipiell können jedoch auch Kreuzköpfe verwendet werden, bei denen beide Wandungsabschnitte gleichzeitig bearbeitet werden.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Werkstück, d. h., das Pleuel fest eingespannt und der Laserkopf 8 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit V in Axialrichtung oder Achsparallel bewegt, wobei die Laserleistung bei etwa 50 W und die Impulsfrequenz des Lasers beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa bei 20 kHz liegt. Der Spotdurchmesser liegt bei etwa 30 m, der Vorschub V beträgt dabei etwa 1500 mm/min. Bei diesen Parametern würde sich rechnerisch ein Kerbabstand von etwa 0,00125 mm ergeben. Tatsächlich liegt der Kerbabstand K (hier bei mit 45° schräg eingekoppeltem Laserstrahl) bei etwa 0, 1 mm.

Figur 2 zeigt eine stark vergrößerte Darstellung eines konkret nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den oben genannten Parametern bearbeiteten Pleuelauges, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel der Laserstrahl schräg (45°) eingekoppelt ist. Die mittlere Laserleistung beträgt etwa 50 W und die Pulsleistung bei etwa 8 kW. Der Abstand der Perforation (Kerbabstand) K beträgt dabei etwa 0,1 mm, wobei sich ein durchgehender Kerbgrund (G) ergibt, aus dem heraus sich die einzelnen, die Perforation ausbildenden Kerbabschnitte 6 heraus erstrecken. Die Tiefe des Kerbgrunds G beträgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 etwa 0,51 mm, während die Tiefe P (in Radialrichtung gesehen) der Kerbabschnitte 6 etwa 0,78 mm (gemessen von der Umfangswandung 14 des Pleuelauges 1 ) beträgt.

Figur 3 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel mit verringerter Laserleistung (40 W) und steilerer Einkoppelung (30°) des Laserstrahls 12 - man erkennt, dass sich am Kerbabstand K keine wesentliche Änderung ergibt, die Tiefe G des Kerbgrundes und die Tiefe P der Kerbabschnitte sind bei der steileren Einkoppelung und verringerten Laserleistung (40 W) geringfügig größer. Bei der etwas steileren Einkoppelung lässt sich somit mit noch weniger Leistung als beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel eine das Bruchverhalten verbessernde Kerbe ausbilden. Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Bruchtrennkerbe von der eingestellten Vorschubgeschwindigkeit V (siehe Figur 1 ) mit der der Laserstrahl in Kerblängsrichtung bewegt wird.

Man erkennt deutlich, dass bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten (500 mm/min; 1000 mm/min, 1500 mm/min) der Kerbabstand nahezu unverändert bleibt. Deutlich ist jedoch, dass bei geringeren Vorschubgeschwindigkeiten zum Einen die Tiefe G des Kerbgrundes größer ist und auch die Axiallänge der Kerbabschnitte (P-G) sich umgekehrt proportional zum Vorschub verhält, wobei die Unterschiede zwischen den 500 mm/min und 1000 mm/min vergleichsweise gering sind.

Figur 5 zeigt die Abhängigkeit der Bruchtrennkerbe von der Laserleistung. In der in Figur 5 oben liegenden Abbildung wurde eine mittlere Laserleistung von 50 W eingestellt. Die darunter abgebildete Bruchtrennkerbe resultiert aus einer mittleren Laserleistung von 100 W, wobei die sonstigen Parameter unverändert sind. Man erkennt deutlich, dass sich bei verringerter Laserleistung eine etwas feinere Kerbstruktur mit längeren Kerbabschnitten ausbildet, wobei der Kerbabstand jedoch - wie bereits oben angedeutet - in etwa unverändert bleibt. Mit der verringerten Laserleistung bildet sich darüber hinaus - erwartungsgemäß - ein durchgehender Kerbgrund mit einer etwas geringeren Tiefe G als bei einer höheren Laserleistung aus. Im Hinblick auf die Bruchmechanik dürfte somit die Verwendung eines Lasers mit vergleichsweise geringer Laserleistung (50 W und weniger) bei einer mittleren Vorschubgeschwindigkeit im Bereich zwischen 500 und 1500 mm/min optimal sein.

Die Strahlqualität kann dabei durch einen sogenannten Q-Switch verbessert werden. Ein derartiger Q-Switch ist ein optisches Bauelement, mit dem bei einem gepulsten Laser der Impuls verzögert, die Impulsdauer verringert und die Impulshöhe (Spitzenleistung) vergrößert wird, so dass ein sehr scharfer Laserimpuls erhalten wird, der rasch ansteigt und nach Erreichen eines scharfen Maximums rasch wieder abfällt. Ohne einen derartigen Q-Switch ist der Impuls deutlich breiter und flacher ausgebildet.

Figur 6 zeigt die Abhängigkeit der sich einstellenden Kerbtiefe von dem Vorschub, der zwischen 100 und 3000 mm/min variiert ist. Dabei entspricht das Maß S2 dem vor- beschriebenen Maß G (Tiefe der Kerbbasis) und das Maß S1 der Gesamttiefe P (siehe Figuren 2 und 3) der Kerbe, so dass die Länge der Kerbabschnitte der Differenz (G-P) entspricht. Die obere Kurve zeigt den Verlauf der Gesamttiefe S1 der Kerbe, während die untere Kurve den Verlauf der Tiefe der Kerbbasis S2 wiedergibt. Man erkennt deutlich, dass bei vergleichsweise niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich bis zu etwa 800 mm/min eine vergleichsweise starke Abhängigkeit der Kerbtiefe (S1 , S2) von der Vorschubgeschwindigkeit vorliegt. Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten (etwa 800 - 3000 mm/min) ist die Abhängigkeit deutlich weniger ausgeprägt. Diese Versuche wurden bei einer Impulsfrequenz von 50 kHz und einer mittleren Impulsleistung von 50 W durchgeführt. Die anhand der vorbeschriebenen Figuren erläuterte Abhängigkeit der Kerbgeometrie von der Vorschubgeschwindigkeit wurde somit durch die in Figur 6 wiedergegebenen Versuche bestätigt.

Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, konnte man bei sehr niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten (kleiner als 200 mm/min) feststellen, dass die Kerbqualität aufgrund von thermischen Überhitzungen im Bereich des Kerbgrundes unzureichend war. Es entstanden verkohlte Bereiche, die das laserbearbeitete Werkstück praktisch unbrauchbar machten. Diese verkohlten Bereiche sind beispielsweise in der Figur 9 oben dargestellt, auf die später näher eingegangen wird.

Bei der Laserbearbeitung sollte daher darauf geachtet werden, dass die Vorschubgeschwindigkeit so gesteuert wird, dass derartige Qualitätseinbußen bei der Ausbildung der Bruchtrennkerbe vermieden werden.

Es zeigte sich, dass sich derartige Erscheinungen durch eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung vermeiden lassen, wobei dann eine Bruchtrennkerbe hergestellt wird, die zum Einen eine hinreichende Kerbtiefe aufweist, und zum Anderen mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten und somit in kurzer Zeit ausgebildet werden kann, wobei keinerlei Qualitätseinbußen zu erwarten sind, die in einer Verschlechterung der Bruchmechanik resultieren.

Figur 7 zeigt Beispiele für eine Vorschubgeschwindigkeitsmodulation, wobei diese nach einer Sinusfunktion erfolgt. Selbstverständlich kann die Geschwindigkeitsmodula- tion auch nach anderen, vorzugsweise periodischen Funktionen erfolgen. Gezeigt ist der Verlauf der Vorschubgeschwindigkeiten innerhalb eines bestimmten Vorschubbereichs, der nicht der gesamten Länge der auszubildenden Bruchtrennkerbe entspricht in Abhängigkeit von der Zeit. Konkret gezeigt ist hier der Vorschubbereich zwischen 67.5 und 69.5 mm, das heißt, es sind lediglich 2mm der gesamten Bruchtrennkerbe dargestellt, die Geschwindigkeitsmodulation in den nicht dargestellten Bereichen der Bruchtrennkerbe erfolgt jedoch entsprechend. Die sich leicht wellenförmig von links oben nach rechts unten dargestellten Kurven (oben liegende gestrichelte Kurve / unten liegende durchgezogene Kurve) zeigen den eigentlichen Vorschub in Richtung der Bruchtrennkerbe in Abhängigkeit von der Zeit t. Während dieses leicht wellenförmigen Vorschubs wird die Vorschubgeschwindigkeit nach den eingezeichneten Sinusfunktionen variiert, wobei die Sinusfunktion mit einer größeren Amplitude der gestrichelten Laserbahn zugeordnet ist, während die Sinusfunktion mit kleinerer Amplitude der durchgezogenen Laserbewegungsbahn zugeordnet ist. Man erkennt, dass die Vorschubgeschwindigkeit relativ hochfrequent geändert wird, so dass der Laserkopf 8 innerhalb kurzer Zeit stark beschleunigt und abgebremst werden muss, um das Bewegungsprofil entlang der auszubildenden Bruchtrennkerbe einzustellen.

In der Grafik gemäß Figur 7 sind rechts die jeweils eingestellten Vorschub- geschwindigkeits-lst-Werte dargestellt. Dementsprechend wurde bei der oben liegenden Geschwidnigkeitsmodulation die Geschwindigkeit im Bereich zwischen 1 17 und 1 157 mm/min variiert. Bei der Ausbildung der Bruchtrennkerbe mit einer derartigen Geschwindigkeitsmodulation ergibt sich eine Bruchtrennkerbengeometrie, wie sie beispielhaft in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist. Figur 8 zeigt ein Diagramm, bei dem die sich einstellende Kerbtiefe in Abhängigkeit von dem mittleren Vorschub V _m , das heißt dem Mittelwert der vorbeschriebenen Geschwindigkeitsmodulation einstellt. In Figur 8 erkennt man, dass beispielsweise bei einer mittleren Vorschubgeschwindigkeit von 800 mm/min (tatsächlich variiert die Vorschubgeschwindigkeit nach der Sinusfunktion gemäß Figur 7) sich eine Bruchtrennkerbe mit dem in Figur 8 eingeblendeten Verlauf einstellt. Man sieht deutlich, dass sich aus einer Kerbbasis mit dem Maß S2 (G) entsprechend der Sinusperiode unterschiedliche Kerbabschnitte ausbilden. Die mit S3 gekennzeichneten Abschnitte werden dabei in den Bereichen ausgebildet, in denen die Vorschubgeschwindigkeit vergleichsweise gering ist. Die mit S1 gekennzeichneten Kerbab- schnitte bilden sich in den Bereichen aus, in denen sich der Lasergeschwindigkeit mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit bewegt.

Der Verlauf der kennzeichnenden Größen S1 (P), S2 (G), S3 (P) in Abhängigkeit vom mittleren Vorschub ist im Diagramm gemäß Figur 8 dargestellt. Die oben liegende Kurve gibt dabei den Verlauf der gesamten Kerbtiefe (S3) bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit, die Kurve S1 den Verlauf der Kerbtiefe bei vergleichsweise hoher Vorschubgeschwindigkeit (immer während der Geschwindigkeitsmodulation) und die Kurve S2 den Verlauf der Tiefe der Kerbbasis wieder. Man erkennt, dass sich die Kerbtiefe mit Erhöhung der mittleren Vorschubgeschwindigkeit verringert. Deutlich sichtbar ist jedoch, dass mit entsprechender Geschwindigkeitsmodulation Kerbabschnitte mit variierenden Kerbtiefen ausgebildet werden können. Es zeigte sich, dass eine derartige Kerbe eine deutlich verbesserte Bruchmechanik gegenüber dem eingangs genannten Kerben aufweist. Mit anderen Worten gesagt, durch die Vorschubgeschwindigkeitsmodulation lassen sich vergleichsweise tiefe, und scharfe Startkerben ausbilden, die die Initiierungs- Risszähigkeit und die Arrest-Risszähigkeit gegenüber Bruchtrennkerben mit durchgehender Perforation ohne die Vorschubgeschwindigkeitsmodulation deutlich verbessern.

Es wird dadurch möglich, auch komplexe Bauteile zu cracken, wobei die Modulation der Vorschubgeschwindigkeit auch in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie erfolgen kann. Das heißt, bei sehr komplexen Bauteilen, mit beispielsweise Durchbrüchen im Bereich der Bruchtrennkerbe kann die Vorschubgeschwindigkeit an die Geometrie des Bauteils angepasst werden, so dass in unproblematischen Bereichen mit einer vergleichsweise hohen Vorschubgeschwindigkeit oder Amplitude der Vorschubgeschwindigkeitsmodulation gefahren wird, während in kritischeren Bereichen die Geschwindigkeitsmodulation entsprechend zurückgenommen wird, so dass sich eine geringere mittlere Vorschubgeschwindigkeit oder auch eine konstante Vorschubgeschwindigkeit einstellt.

Der Vorteil der beschriebenen Vorschubgeschwindigkeitsmodulation wird anhand Figur 9 verdeutlicht. Diese zeigt oben eine Bruchtrennkerbe, wie sie sich bei einer vergleichsweise geringen konstanten Vorschubgeschwindigkeit von 200 mm/min einstellen würde. Man erkennt deutlich die vergleichsweise große Kerbtiefe und die Verbren- nungen/Verkohlungen, die aufgrund des hohen Wärmeeintrags bei niedriger Vorschubgeschwindigkeit entstehen können. Eine derartige Bruchtrennkerbe ist praktisch unbrauchbar.

In der darunter liegenden Abbildung ist dagegen eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Vorschubgeschwindigkeitsmodulation hergestellte Kerbe dargestellt, wobei die Geschwindigkeitsmodulation des Vorschubs im Bereich zwischen 1 17 und 1 157 mm/min erfolgte. Man erkennt deutlich, dass durch diese Modulation Verbrennungen im Bereich der Kerbbasis zuverlässig vermieden werden können. Weiterhin erkennt man die durch entsprechende Geschwindigkeitsmodulation ausgebildeten Kerbabschnitte mit größerer oder geringerer Tiefe, wobei die Tiefe auch vom Anstellwinkel des Lasers abhängt. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen lag der Anstellwinkel, das heißt der Einkoppelwinkel, etwa bei 30° mit Bezug zur Horizontalen in Figur 9.

Anhand der Figuren 10 und 1 1 wird eine Lasereinheit beschrieben, die besonders gut zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens mit Vorschubgeschwindigkeitsmodulation geeignet ist. Gemäß Figur 10 hat die Lasereinheit ein Lasermodul 16, das beispielsweise einen Faserlaser und die Steuerung dieses Faserlasers enthält. Die Steuerung der Lasereinheit 16 ist so ausgelegt, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls in der vorbeschriebenen Weise moduliert werden kann.

Der vom Lasermodul 16 erzeugte Laserstrahl 12 wird über Lichtleiter 18 zu einem in Figur 10 lediglich angedeuteten Rekollimator 20 geführt. In diesem wird der Laserstrahl zu einem Parallelstrahl umgewandelt, wobei der Strahldurchmesser im Bereich von etwa 6mm liegt. Dieser Parallelstrahl wird dann über die Lichtleiter 18 zum Laserkopf 8 geführt, über den dann ein Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück, im vorliegenden Fall ein Pleuelauge 1 eines Pleuels gerichtet wird. Der fokussierte Laserstrahl wird dabei mit einem Winkel von 30° zur Horizontalen in Figur 10 eingekoppelt. Der Laserkopf 8 ist mit einer Z-Vorschubachse 22 ausgeführt, über die der Vorschub in der Kerblängsachse erfolgt. Diese Vorschubachse ist als hochdynamische Achse ausgeführt, mit der äußerst hohe Beschleunigungen bei einer hohen Kreisverstärkung und einem großen Ruck durchführbar sind, so dass eine äußerst präzise Steuerung der Modulation erforderlich ist. Die Beschleunigungen können beispielsweise im Bereich zwischen 1 bis 2 g, die Kreisverstärkung im Bereich von 10 n/min/mm (166,71 /s) und der Ruck größer als 400 m/s ³ liegen. Zur beidseitigen Bearbeitung des Pleuelauges 1 ist der Laserkopf 8 noch mit einer Schwenkachse 24 ausgeführt, über die der Laserkopf 8 um die Z-Vorschubachse 22 verschwenkbar ist. Die Lasereinheit hat des Weiteren noch eine X-Stellachse 26, über die der gesamte Laserkopf 8 in X- Richtung (radial zum Pleuelauge 1 ) verfahrbar ist. Mit einer derartigen Einrichtung lassen sich auch sinusförmige Bruchtrennkerben ausbilden.

Figur 1 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Strahlführung im Laserkopf 8. Dargestellt ist der an den Faserlaser (Lasermodul 16) angekoppelte Lichtleiter 18. Der Laserstrahl wird im Rekollimator 20 in einen Parallelstrahl mit einem Durchmesser von etwa 6mm umgewandelt und dann über einen Umlenkspiegel 28 um 90° in Richtung der Pleuelaugenachse umgelenkt. Der umgelenkte Laserstrahl 12 wird dann über eine Optik mit einer Brennweite von beispielsweise 100mm auf die Pleuelaugenwandung fokus- siert, wobei eine Ausrichtung zur Pleuelumfangswandung über einen weiteren Umlenkspiegel 32 erfolgt, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 60° zur Horizontalen angestellt ist, so dass der Laserstrahl resultierend in einem Einkoppelwinkel von 30° zur Horizontalen oder in einen Anstellwinkel von 60° zu dem auf den Umlenkspiegel 32 auftreffenden senkrechten Teil des Laserstrahls 12 (Umlenkung 60°) auf die Pleuelumfangswandung auftrifft. Der Laserstrahl tritt über eine Düse 34 aus und ist dabei so fokussiert, dass der Laserspot in etwa 3mm vor der Austrittsebene der Düse 34 liegt. Zur Vermeidung einer Verschmutzung der Optik 30 und der Spiegel 28, 32 ist im Strahlengang zwischen Düse 34 und Umlenkspiegel 32 ein Schutzglas 34 vorgesehen. In der Darstellung gemäß Figur 1 1 erkennt man auch die Schwenkachse 24, dabei ist der Laserkopf 8 über ein Drehlager 38 drehbar gelagert und kann über einen nicht dargestellten Motor um die Z-Vorschubachse 22 verschwenkt werden, so dass praktisch jeder Umfangswandungsbereich des Pleuels erreichbar ist.

Bei Verwendung eines Faserlasers und durch geeignete Wahl einer Vorschubgeschwindigkeitsmodulation und einer vergleichsweise (gegenüber herkömmlichen Lösungen) hohen Impulsrate kann somit eine Perforation ausgebildet werden, die eine optimale Kerbwirkungszahl hat, jedoch mit wesentlich geringerem Energieeintrag und mit erheblich schnelleren Vorschubgeschwindigkeiten ausgebildet werden kann, als dies bei herkömmlichen Systemen der Fall ist.

Die durchgeführten Versuche zeigen, dass sich beispielsweise bei einem Faserlaser mit einer Leistung von 50 Watt bei einer Impulsfrequenz von 20 kHz eine Bruchtrennkerbe 4 ausbilden lässt, bei der die Kerbabschnitte 6 einen Abstand in 1/10 mm- Bereich, vorzugsweise im Bereich von 0.1 bis 0.3 mm haben. Es zeigte sich, dass auch bei Verwendung eines Lasers mit einer Leistung von nur 30 Watt eine hochwirksame perforierte Bruchtrennkerbe 4 ausgebildet werden kann.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt eine Vorschubmodulation. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine Pulsmodulation, beispielsweise in der nachfolgend beschriebenen Weise erfolgen.

Im Prinzip wird bei einer derartigen Pulsmodulation eine impulsförmige Trägeroder Grundfunktion moduliert, wobei beispielsweise die Pulsbreite, die Pulsdauer oder die Pulsphase variiert werden kann. Vorzugsweise werden die Pulsenergie (Pulsram- ping) oder die Pulsfrequenz/Plusfolge moduliert. Bei einer Pulsamplitudenmodulation wird die vorgenannte rechteckförmige Trägerimpulsfolge durch eine Variation der Impulsamplituden verändert. Bei einer Pulsdauermodulation wird entsprechend die Pulsbreite der zugrunde liegenden Trägerfunktion variiert. In entsprechender Weise wird bei einer Pulsphase die Pulslage gegenüber der jeweiligen Trägerfunktion phasenverschoben, wobei eine feste Impulsbreite und Impulsamplitude verwendet wird.

Im Folgenden erläutert wird ein zeitgesteuertes Pulsenergie-Ramping mit konstanter Impulsfrequenz und eine Pulsfolgemodulation mit in etwa konstanter Impulsleistung.

Beim zeitgesteuerten Pulsenergie-Ramping ist die Zeitsteuerung an die vorliegende, vorzugsweise konstante Vorschubgeschwindigkeit und das gewünschte Kerb- abschnittsraster (Perforationsraster) angepasst. Die Pulsenergierampenform bildet dabei die Perforationsform in etwa ab. Anhand Figur 12 wird eine derartige Modulation mit einem zeitgesteuerten Puls- energie-Ramping dargestellt. Als Ausgangs- oder Trägerfunktion ist dargestellt der Verlauf der Pulsenergie E _K i in Abhängigkeit von der Zeit, wobei die Pulsenergie beispielsweise 1 mJ bei einer Impulslänge von 120 ns und einer Frequenz von 50 kHz beträgt. Diese Trägerfunktion wird überlagert mit einer rampenförmigen Modulation der Pulsenergie (PRamp), deren Verlauf in Figur 12 dargestellt ist. Die Puls-Rampenform ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa sinusförmig ohne Nulldurchgang ausgeführt. Prinzipiell können jedoch auch andere Rampenformen mit ansteigender und absteigender Flanke und einem Plateau mit gleichbleibender Leistung/Energie verwendet werden. Die Modulation der Ausgangs- oder Trägerfunktion erfolgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die vorgegebene maximale Pulsenergie (1 mJ) periodisch verringert wird, wobei diese Verringerung und der sich daran anschließende Anstieg auf die maximale Impulsenergie (Ramping) in etwa sinusförmig verläuft.

Die entsprechende Modulation der Trägerfunktion E _K i führt dann zu der dargestellten Pulsenergievariation mit einer Rampenform (E _Ra mp)- Man erkennt deutlich, dass die zeitliche Aufeinanderfolge der Rampen, d.h. die Pulsenergierampenform den Kerbabstand K bestimmt, so dass die Pulsenergierampenform die Perforationsform abbildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine konstante Vorschubgeschwindigkeit vorausgesetzt, wobei diese in etwa 200 mm/min beträgt und die lmpulsfrequenz/-periode der Funktion PR _am p beim dargestellten Ausführungsbeispiel konstant 1 1.1 Hz beträgt. Die Pulsenergie (E _Ra mp) des Lasers variiert entsprechend der Rampenfunktion mit der gleichen Frequenz, wobei sich entsprechend dieser Frequenz und der gewählten Vorschubgeschwindigkeit der Kerbabschnitt K einstellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel stellt sich somit ein Kerbabstand K ein, der deutlich größer ist, als er sich rechnerisch aus der eigentlichen Impulsfrequenz (50 kHz (siehe Funktion E _K i)) und der gewählten Vorschubgeschwindigkeit ergibt, da dieser Kerbabstand K im wesentlichen von der gewählten Frequenz/Periode der Rampenfunktion (1 1.1 Hz) abhängt.

Figur 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Pulsfolge- oder Pulsfrequenzmodulation. Ähnlich wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ausgegangen von einer Ausgangs- oder Trägerimpulsfolge mit einer Pulsenergie von 1 m J, einer Impulslänge von 120 ns. Diese Ausgangsfunktion wird bei der Pulsfolgemodulati- on moduliert, indem die Pulsfrequenz zwischen einem Maximalwert von 100 kHz und einem Minimalwert von 20 kHz variiert wird, wobei die Variation gemäß Figur 13 wieder in etwa sinusförmig durchgeführt wird. Die Periode dieser Impulsfolge- oder Frequenzänderung bestimmt dann wieder den Kerbabstand K. Man erkennt deutlich, dass in den Bereichen miti einer Impulsleistung von 1 mJ und einer hohen Frequenz im Bereich von 100 kHz die maximale Kerbtiefe ausgebildet wird. Dementsprechend ist die Kerbtiefe abhängig von der Pulsfrequenz (bei konstanter Pulsleistung). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Periode der Pulsmodulation 1 1 .1 Hz. Die Vorschubgeschwindigkeit liegt bei 200 mm/min. Durch eine derartige Modulation der Trägerfunktion ergibt sich eine Pulsfolgemodulation E _K ipf, bei der die Impulsfolge zwischen 10 und 50 με bei einer Modulationsfrequenz (Pulszug-Periode von 1 1 .1 Hz) variiert ist.

Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12 ergibt sich der Kerbabstand K bei einer derartigen Pulsfolgemodulation aus der Periode (1 1 .1 Hz), so dass durch entsprechende Wahl der Frequenz-Periode (Pulsfolgemodulation) oder der Periode der Rampenform (Pulsenergie-Ramping) das Perforationsraster, d.h. der Kerbabstand K ergibt. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen stellt sich beispielsweise ein Kerbabstand von 0.3 mm ein. Diese Art der Modulation kann man auch als„Fre- quenzwobbeln" bezeichnen.

Figur 14 zeigt in sehr allgemeiner Form ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kerbtiefe oder der Kerbabstand durch Variation der Pulsleistung P verändert wird, wobei diese Leistungsregelung dynamisch erfolgt. Dabei werden sowohl die Pulsbreite als auch die Pulsamplitude und ggf. auch die Pulsfrequenz variiert.

Im Prinzip kann bei der Pulsmodulation auch ein Burst-Mode verwendet werden, bei denen die Laserpulse aus einem Energiespeicher ausgegeben werden, bis eine festgelegte Anzahl von Pulsen erreicht oder der Energiespeicher entladen ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Bruchtrennkerbe dann vollständig ausgebildet ist und das Werkstück einer weiteren Station zugeführt wird. Der Energiespeicher wird dann während dieses Werkstückshandlings aufgeladen und ist dann bereit zur nächsten Laserbearbeitung. Anhand des Diagramms in Figur 15 sollen die Erkenntnisse aus der Erfindung nochmals zusammengefasst werden. Dieses Diagramm zeigt die Tiefe der Kerbe in Abhängigkeit vom Vorschub und von der Pulsfrequenz.

Wie vorstehend detailliert dargelegt, wird bei vergleichsweise geringen Vorschubgeschwindigkeiten eine größere Kerbtiefe erzielt, während bei einer Modulation der Pulsfrequenz die Kerbtiefe mit höherer Frequenz zunimmt. Dementsprechend ist bei einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit die Kerbtiefe bei einer hohen Frequenz (100 kHz) nahezu doppelt so große wie bei einer Pulsfrequenz von 50 kHz. Dabei wird vorausgesetzt, dass ein Laser mit einer mittleren Leistung von 100 Watt bei einer Pulsenergie von 1 mJ, einer Pulsdauer von 130 ns und einem Einkoppelwinkel von 90° verwendet wird.

Wie bereits mehrfach erwähnt, können sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch der Laserpuls moduliert werden. Die Anmelderin tendiert dazu, die Vorschubgeschwindigkeit bei voller Laserleistung zu variieren, wobei durch die nahezu lineare Abhängigkeit der Kerbtiefe von der Modulation der Vorschubgeschwindigkeit immer bei voller Laserleistung gearbeitet werden kann. Mit dem Einsatz der Linearmotortechnik können die Nebenzeiten stark reduziert werden, wobei die Vorschubgeschwindigkeitsmodulation relativ einfach durchführbar ist. Die Modulation lässt sich noch weiter vereinfachen, wenn der Laser mit Scannertechnik ausgeführt wird, wobei die Ausrichtung des Lasers über einen Schwenkspiegel oder eine Optik erfolgt, so dass auf eine Linearachse weitestgehend verzichtet werden kann.

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

1 Pleuelauge

2 Bruchebene

4 Bruchtrennkerbe

6 Kerbabschnitte

8 Laserkopf

10 Fokussieroptik

12 Laserstrahl

14 Umfangswandung

16 Lasermodul

18 Lichtleiter

20 Rekollimator

22 Vorschubachse

24 Schwenkachse

26 Stellachse

28 Umlenkspiegel

30 Optik

32 Umlenkspiegel

34 Düse

36 Schutzglas

38 Drehlager