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 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.

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.

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.

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 12 und eine Lasereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 ).

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.

Bei geeigneter Wahl lässt sich sogar ein um das 50-fache größerer Kerbabstand erzielen.

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 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

Größenordnung, wobei die Impulsfrequenz deutlich länger, 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 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.

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 und

Figur 1 1 eine Prinzipdarstellung eines Laserkopfs der Lasereinheit gemäß Figur 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.

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.

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.

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 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.

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.

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

(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 und 1000mm/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 1500mm/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 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.

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.

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 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.

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 1 17 und 1 157mm/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 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.

Der Verlauf der kennzeichnenden Größen S1 (G), S2, 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 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.

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.

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.

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 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.

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 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.

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/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.

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.

Erfindungsgemäß ist des Weitern offenbart, dass die Vorschubgeschwindigkeit während der Laserbearbeitung in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie und / oder periodisch moduliert wird.

Pleuelauge

Bruchebene

Bruchtrennkerbe

Kerbabschnitte

Laserkopf

Fokussieroptik

Laserstrahl

Umfangswandung

Lasermodul

Lichtleiter

Rekollimator

Vorschubachse

Schwenkachse

Stellachse

Umlenkspiegel

Optik

Umlenkspiegel Düse

Schutzglas Drehlager