用于蚀刻形成初裂的沟槽的光纤激光器加工设备制造技术

本发明专利技术涉及用于在机械部件（4），特别是内燃引擎的曲轴，的壁中蚀刻沟槽（8,9）的激光加工设备（2），所述设备具有光纤激光器装置（12）并且被设置为提供激光脉冲。控制所述光纤激光器装置以便激光脉冲具有大于400W并且至少为所述激光器装置的最大平均功率的两倍的峰值功率并且激光脉冲的持续时间在纳秒范围内（1ns到1000ns）或者更低。根据第一实施例，以QCW（准连续波）模式控制光纤激光器装置。根据第二优选实施例，以触发或者Q开关模式控制光纤激光器装置。选择的操作模式使得加工的有效性增加并且获得具有最佳截面的沟槽，更特别地，在沟槽底部处的小的平均弯曲半径使得随后使用最小的力精确断裂机械部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在机械部件的壁或者表面中激光加工沟槽以限定用于将所述机械部件断裂为至少两片的初裂的领域。特别地，加工的机械部件是用于火花点火引擎的连杆。这些连杆具有主孔并且初始由单个部分形成。两个直接相对的沟槽被蚀刻进主孔的圆形侧壁。然后，使用机械装置，通过压力将连杆断裂为两片。本领域的技术人员已公知此技术。使用激光束用于蚀刻沟槽形成初裂具有明显的优点。特定地，激光技术可以用于制备相对窄并且深的槽，导致沿着包含连杆的主孔的中心几何轴的平面的整齐断裂。
技术介绍
特定地，从DE专利No. 102007053814已公知光纤激光器加工设备。如在该文档的第3和4段中所说，各种类型的激光器被用于关注的特定应用，但是获得的沟槽的轮廓不是最佳的。被加工沟槽的质量是获得沿预定几何平面的整齐断裂并且以更少的力断裂的决定因素。上述德国专利文档旨在在加工设备中使用特定类型的激光器件，称为光纤激光器。优选，光纤激光器包括二极管的组以用于泵浦有源介质(掺杂的光纤)。二极管泵浦装置的使用提高了激光器件以提议的脉冲模式提供的脉冲的频率。根据DE专利No. 102007053814的31段，形成泵浦装置的二极管的组以脉冲方式操作。产生的激光脉冲的频率可以位于10和IOOkHz的工作范围中。因此，此现有技术文档提议使用脉冲模式下，即，以脉冲模式供电泵浦装置以调制在激光器件输出处产生的激光束的模式下，操作的光纤激光器。因此，脉冲模式在于调制激光器的连续功率(CW)以便最大脉冲功率等于激光器的CW (最大平均功率)。在DE专利No. 102007053814中提议的激光器装置不能产生具有足够最优的轮廓的沟槽。光纤激光器的使用是有利的解决方案，因为获得了加工窄、深沟槽所要求的更高质量的激光束。实际上，光纤激光器可以产生高质量激光束，在低模光纤(优选单模)中向激光加工设备传输期间该高质量激光束不恶化。然而，在前述专利文档中提及的脉冲模式大大限制了从使用光纤激光器导致的潜能，特别是，关于沟槽的深度/宽度比，壁的冶金学质量和在沟槽底部的半径。本专利技术的目的是通过建议可以降低杂散热应力的激光设备而改善形成初裂的加工沟槽的方法，该热应力具有对形成沟槽以及围绕所述沟槽的区域的几个损坏后果(例如在沟槽的两个壁中的金属学结构的变化和在壁中的微裂纹的出现)。本专利技术的另一个目的是通过允许使用能够提高加工速度和/或限制用于在连杆的主孔中加工两个直接(diametrically)相对的沟槽的加工头移动的简化的设备和/或设备，来提高在连杆的侧壁中加工沟槽的效率。
技术实现思路
在根据本专利技术开发的激光加工设备中，专利技术人发现以脉冲模式操作的光纤激光器装置不能提供在沟槽的宽度和深度之间具有更小比率以及在沟槽的底部处的更小半径(其为降低断裂机械部件所需的力并且还确保在限定的几何平面中断裂的决定因素)的轮廓的沟槽。在前述现有技术文档中提及的激光器装置的缺点主要来自两个建议的操作模式的缺陷。首先，建议的脉冲模式仅调制产生的激光束以提供具有等于激光器能够提供的CW的最大功率或峰值功率的脉冲。在前述现有技术文档中，脉冲功率包括在10和100瓦特(W)之间并且优选在40和60W之间。对于大的连杆，其旨在使用提供约200W的峰值功率的更大功率的激光。(注意，存在较高功率的CW激光但是它们在工业上并不经济可行)。注意，在脉冲模式中，例如在前述现有技术文档中建议的，必须使用受限于当前工业激光技术的更大功率的激光以获得具有约200W的峰值功率的脉冲。 具有基本上等于200W或者更小的最大功率的激光脉冲，用相对长的脉冲持续时间用于提供用于材料烧蚀的足够的能量，很可能导致形成被加工的机械部件的材料的熔化。该熔化的材料导致关于获得高质量沟槽的问题。特别地，必须使用高压气流喷射排出该材料。熔化的材料还导致与整齐的沟槽和加工表面以及在加工头输出处的保护玻璃有关的问题。另外，尽管通过光纤激光器设备产生了高质量的激光束，但是熔化的材料及其使用压缩气体的排出限制了在沟槽的底部的曲率半径的减小。接下来，在前述文档中提及的操作模式引起的另一个问题来自施加的脉冲的持续时间一般在微秒(μ s)范围内，即，大于一微秒。特别地，以脉冲模式操作的二极管可以提供具有在5和10微秒之间的持续时间的脉冲。与前述文档的论述相反，频率的增加不一定引起每个脉冲的能量的量的下降。包含在每个激光脉冲中的能量的量受所述脉冲的功率和持续时间两者决定。对于给定的平均功率，高频率一般确定地导致脉冲持续时间的下降，但是在常规设备中建议的脉冲模式不允许脉冲持续时间降低到1μ s以下，这导致不利的次级热效应问题。实际上，在被加工的材料中的热扩散依赖于脉冲持续时间。脉冲持续时间越长，次级热效应将越大，并且特别地在加工的沟槽的区域中的热能的传导更多。这首先导致熔化材料的增加，其导致沟槽具有更大的宽度以及沟槽底部处的相对大的平均曲率半径。因此，虽然每个脉冲的总能量基本符合约100W的功率和几微秒的脉冲持续时间，但是获得的沟槽的轮廓不是最佳的。在本专利技术的开发中，专利技术人证明施加的激光脉冲的峰值功率的实质增加可通过增加升华的材料的量而降低融化材料的量。另外，通过增加脉冲功率，可以用更短的脉冲持续时间提供每脉冲的所需能量，这降低了在沟槽周边处的热应力并由此降低了其底部的曲率半径。因此，本专利技术涉及一种用于在机械部件的侧壁或者表面中蚀刻每一个都限定初裂的至少一个沟槽的激光加工设备，所述激光加工设备的特征在于，控制光纤激光器装置以便提供的激光脉冲具有大于400W并且至少为使用的光纤激光器装置的最大平均功率的两倍的峰值功率并且其持续时间在纳秒(ns)范围内，S卩，包括在一和一千纳秒之间。优选，脉冲持续时间包括在50ns和400ns之间。根据优选实施例，以准连续波(QCW)控制光纤激光器装置。以QCW模式控制的光纤激光器装置可以，例如产生具有十倍于激光器装置的平均最大功率的最大功率或峰值功率的脉冲。根据优选实施例，以Q开关模式控制光纤激光器装置。根据另一个优选实施例，光纤激光器装置包括种子激光源(例如，提供在纳秒范围的脉冲的二极管)和在输出处提供激光加工脉冲的至少一个光纤放大器介质。作为本专利技术的特征的结果，可以加工在沟槽的底部具有极小半径的极窄并且相对深的沟槽。通过根据本专利技术的光纤激光器装置提供的激光脉冲降低了熔化的材料的量并且还显著限制了导致获得的沟槽的质量劣化的杂散热效应。附图说明在下面的描述中将参考根据非限制性实例给出的附图更详细的描述本专利技术，并且其中图I示出了连杆和与沟槽加工头联系的光纤激光器装置的示意图；图2A示出了使用现有技术装置加工的沟槽透视图(部分图)。图2B示出了类似于图2A的示意图但是示出了使用根据本专利技术的激光设备获得的沟槽。图3示出了根据本专利技术的激光设备的加工头的特定第一实施例的示意截面图。·图4示出了根据本专利技术的激光设备的加工头的特定第二实施例的示意截面图。图5示出了根据本专利技术的激光设备的加工头的特定第三实施例的示意截面图。具体实施例方式图I是用于在连杆4的主孔6的侧壁中制造沟槽8和9的激光加工设备2的示意图。这些沟槽沿主孔的中心几何轴取向。该设备包括通过挠性光缆24连接到加工头22的光纤激光器装置12。加工头22和连杆4用沿所述中心几何轴相对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·迪尔，R·冯尼德尔豪瑟恩，B·弗赖，
申请(专利权)人：罗芬拉萨格股份公司，
类型：
国别省市：