CN102905842A - 用于蚀刻形成初裂的沟槽的光纤激光器加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

用于蚀刻形成初裂的沟槽的光纤激光器加工设备

技术领域

本发明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。

背景技术

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100kHz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。

本发明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）。本发明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。

发明内容

在根据本发明开发的激光加工设备中，发明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（μs）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1μs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。

在本发明的开发中，发明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，本发明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，即，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。

作为本发明的特征的结果，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。通过根据本发明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发明，并且其中：

图1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发明的激光设备获得的沟槽。

图3示出了根据本发明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示出了根据本发明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示出了根据本发明的激光设备的加工头的特定第三实施例的示意截面图。

具体实施方式

图1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运动的用于蚀刻沟槽的马达装置（未示出）联系。激光器装置12包括本领域的技术人员已公知的有源光纤介质14以及由与有源介质耦合的发光二极管形成的泵浦装置16。此装置包括控制单元18，其根据选择的操作模式控制光学泵浦装置的功率以及其它参数。一般地，提供一系列激光脉冲。

光纤激光器的使用具有与获得的激光束的质量有关的几个优点。另外，可以通过低模光缆将激光束引入加工头而仍旧保持好的光束质量，其简化了设备。光束质量对于允许适当聚焦（甚至使用具有相对小的直径的光学聚焦***上的入射激光束）并由此减少光束在焦点处的直径而言很重要。这使得形成窄的沟槽。然而，制造具有在沟槽的底部处限定锐角和小半径的壁的窄且足够深的沟槽，涉及除了光束质量之外的参数。如上所述，控制提供的能量并且特别地控制发光强度，即功率密度，是加工具有最佳轮廓的该类型的沟槽的决定因素。在获得此最佳轮廓时，烧蚀在连杆的壁中的材料的方式是重要的。

通过调制有源介质的泵浦功率而使用以脉冲模式操作的光纤激光器，如在现有技术中建议的，导致了具有等于激光器的标称（nominal）功率的峰值功率（对于工业光纤激光器一般小于200W）并且具有大于1μs的持续时间的脉冲。该相对低的功率不能提供足够的发光强度以防止材料的接收激光脉冲的大的部分熔化并由此变成液态。熔化的液体材料导致排空（evacuation）问题并且倾向于部分地保留在沟槽的底部。这导致在沟槽的底部处的相对大的平均曲率半径R1，如图2A示意性的示出。另外，当热能进一步传播进被加工的沟槽28的边缘区域26中时，相对长的脉冲持续时间还在材料中产生次级热效应或者热应力。因此，熔化的材料，通过每个激光脉冲和每个脉冲的持续时间提供的能量的量都贡献于加宽沟槽并在沟槽的底部产生相对大的平均半径R1。

本发明的开发中发现的结果导致对光纤激光器装置的特定控制的选择。根据本发明，控制光纤激光器装置以便激光脉冲具有大于400W并且至少为激光器装置的最大平均功率的两倍的峰值功率并使激光脉冲的持续时间在纳秒（ns）范围内，即，在1ns和1000ns之间或者更低。

根据本发明的光纤激光器装置的第一操作模式，以准连续波（QCW）模式控制该激光器装置。对于具有在50W和150W之间的功率的激光，可容易地获得具有约1000W（1kW）的峰值功率。依赖于变体和应用，设置激光器装置以获得在400W和约3000W（3kW）之间的峰值功率或者最大脉冲功率。在光纤激光器领域的技术人员已知晓如何实施QCW模式以及获得这样的激光脉冲所需要的特定二极管。

为了获得在纳秒范围内，特别地在50ns和400ns之间，具有极高的功率峰值的短脉冲，设想了下面描述的两个主要的变体。

根据第二操作模式，以Q开关模式控制光纤激光器装置。优选该第二调节模式，因为其有利于获得比建议的第一操作模式的QCW模式明显更短的脉冲持续时间以及更高的峰值功率，例如约10kW。因此，可以获得极高的发光强度以升华（即，直接将固态转变成气态）被加工的机械部件的材料。例如，控制光纤激光器装置以便以在10kHz和200kHz之间的频率提供激光脉冲。因为脉冲的持续时间很短，每个脉冲提供的能量的量同样被限制。可以调节能量的量以最优化根据本发明的激光加工方法，特定地在0.1mJ和2mJ之间。因为脉冲的持续时间很短，所以大大限制了次级热效应和传导进材料中的热能。这允许获得具有最优轮廓的极窄且相对深的沟槽，如在图2B中示意图所示。制备的穿孔比在现有技术中获得的更窄。加工的沟槽30的宽度/深度比率低于用现有技术激光器装置获得的宽度/深度比率并且在沟槽的底部的平均曲率半径R2明显低于图2A的（R1）。所有这些都导致具有最少的喷射到沟槽的边缘处的开口的侧壁上的材料的整齐沟槽并且还改善了用于随后将机械部件断裂为两片的初裂。

根据同样优选的第三实施例，光纤激光器装置包括种子（seed）激光源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。种子激光源形成以极短持续时间和如10MHz的极高频率产生的低功率脉冲。这些种子脉冲被引入基本保持了种子脉冲的持续时间和频率并且极大地放大了脉冲功率的光纤放大器介质的输入。该放大装置可以容易地获得大于1000W的峰值功率。本领域的技术人员已公知如何构建此类型的光纤激光器装置。

根据本发明的加工方法和用于实施所述方法的激光加工设备具有进一步的优点。首先，极高功率脉冲的产生使得在连杆中同时加工两个直接相对的沟槽的设想成为可能，特别地通过将来自每个主激光脉冲的能量分成功率是主激光脉冲的一半的两个次级脉冲，而保持本发明的其它有益效果。图3中示出的特定加工头是使用此附加优点的特定实施例。第二，因为在根据本发明的激光设备中极大限制或者避免了熔化的材料，在现有技术中使用的高压气体不再必须。因此，在将激光作用到被加工的机械部件的壁上的位置处不再需要使用具有用于喷射高压气体的小口的管嘴，然而，可以继续使用气体以便保持加工头的清洁，但是此气体可以是低压气体并且在较宽的区域内扩展。在图4和5中分别示出的两个特定的加工头是受益于此附加优点的实施例。

图3中示出的加工头32被连接到光缆24并且在输入处接收由根据本发明的激光脉冲形成的激光束34。此加工头的输入还包括用于离开光纤的激光束的具有大孔径的准直器44、用于将主光束34分成两个次级光束40和42的第一半透明镜和用于在基本上轴方向上反射次级光束42的第二镜38。两个次级光束的每一个都与分别通过凸透镜48和50示意性表示的光学聚焦装置联系，以将这两个次级光束聚焦到连杆4的侧壁上。为了调整两个次级光束各自的焦点，优选可以垂直移动透镜48和50。应该注意，由于通过光纤激光器产生的高质量的激光束，可以在相对小的直径的聚焦装置上获得入射激光束的很好的聚焦。因此，凸透镜可以具有相对小的直径并且加工头可以保持紧凑形式。引入连杆4中的孔的加工头的端部52，包括具有两个倾斜反射表面的镜54，该两个倾斜反射表面用于将两个在基本垂直方向上的次级光束偏移到连杆的孔的侧面并分别在两个相对的方向上同时加工两个直接相对的沟槽8和9。两个次级激光束分别通过两个由两个管嘴56和58的口限定的直接相对的端孔，在相同的几何平面中传播离开端部52。在变体中，每个棱镜54的反射表面都具有斜度，其反射次级入射光束与加工的侧表面倾斜。在公知的方式中，可以在加工头内提供气体并且通过这两个常规喷嘴排出。在连杆4和加工头32之间单一相对垂直移动使得两个沟槽8和9能够并行加工。

图4中示出的加工头60连接到光缆24并且在输入处接收由根据本发明的激光脉冲形成的激光束34。此加工头的输入包括用于离开光纤的激光束的具有大孔径的准直器66、与允许其直线（linear）移动的马达装置64关联的可移动镜62，该可移动镜62沿平行于加工头的纵轴的方向反射光束、以及与可移动镜集成的聚焦装置68（通过凸透镜表示）。注意，在变体中，有利地将聚焦装置设置在可移动镜面之后，靠近被加工的侧表面。优选，聚焦装置可以相对于镜62移动以调节焦点的位置。最后，光束终止于在加工头的端部设置的倾斜的镜70。取向该镜70以便激光束的入射面平行于镜62的移动方向。通过镜面70反射的光束通过端部狭槽72射出，狭槽的高度至少等于沟槽8的长度，即，等于或者略大于连杆的高度。通过移动可移动镜62导致激光束垂直扫描连杆4的孔壁。因此，光束沿着端部狭槽72逐步移动以加工沟槽8，在加工头60和连杆4之间没有任何相对垂直的移动。因此，在激光加工沟槽期间，加工头保持在固定位置。这里，因为没有使用高压气体用于排出熔化的材料所以端部狭槽没有引起任何特定的问题。然而，可以通过狭槽72注入低压气体以保护设置在所述狭槽附近的保护玻璃。在变体中，依赖于加工的方向，喷射气体被从上面或者下面注入到连杆的壁和端部狭槽之间。加工头形成有两个部分60A和60b，顶部分60A固定（或者能够在水平直线方向上移动）并且底部分60B能够旋转以允许加工直接相对的沟槽而不必旋转连接到光缆24的顶部分。为了旋转底部分，转矩马达76被设置为具有连接到固定部分60A的其定子部78以及连接到旋转部分60B的其转子部79。该马达具有用于激光束从中穿过的中心开口并且通过通常向其提供电功率的可编程控制单元80致动。

图5示出了根据本发明的加工头82的另一个实施例。该头包括可以进行垂直移动的顶部分82A和同样可以旋转的底部分82B。设置上述用于旋转底部分的转矩马达76以便允许加工两个直接相对的沟槽而不必旋转连接到光缆24的顶部分82A。在光缆的输出处设置准直入射激光束的装置66，该入射光束入射到倾斜设置以在轴向上反射激光束34的镜84上。底部分82B包括可以垂直移动以调节焦点的物镜86、最终倾斜地反射光束的第一倾斜镜88和第二镜89。激光束的出射角可以根据镜88和89的取向而改变。此特定设置可以在小孔中制造两个直接相对的沟槽，而不必移动加工头的顶部分82A。因此，该顶部分的光轴与机械部件84的孔的中心轴重合。可以为每个不同的直径提供特定的底部分。优选地，透镜86的垂直位置可被调节以便根据连杆的直径调节焦点。注意，加工头的底部分82B整个位于要加工的部分84之上。这使得根据本发明的方法不需要用于排出在沟槽中形成的熔化材料的气体并且M²的比例品质因子充分小以具有相对远离聚焦装置的相对小的焦点以制造沟槽。存在在部分84和加工头82之间的相对垂直移动或者通过改变两个镜88和89中的至少一个的位置而产生扫描。

Claims (14)

1.一种激光加工设备（2），用于在机械部件（4；84）的侧壁或表面中蚀刻限定了用于将所述机械部件断裂为至少两片的初裂的至少一个沟槽（8，9，30），所述激光加工设备装配有光纤激光器装置（12）并被设置为提供激光脉冲，

其特征在于，所述光纤激光器装置被控制为使所述激光脉冲具有大于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，以及在于，所述激光脉冲的持续时间低于或在纳秒范围（1ns到1000ns）内。

2.根据权利要求1的激光加工设备，其特征在于，所述光纤激光器装置以准连续波（QCW）模式操作。

3.根据权利要求2的激光加工设备，其特征在于，所述激光脉冲具有在400W和3000W（3kW）之间的峰值功率。

4.根据权利要求1的激光加工设备，其特征在于，以Q开关模式控制所述光纤激光器装置。

5.根据权利要求1的激光加工设备，其特征在于，所述光纤激光器装置包括种子激光源和在输出处提供所述激光脉冲的至少一个光纤放大器介质。

6.根据权利要求4或5的激光加工设备，其特征在于，被控制为使所述脉冲的所述持续时间在50ns和400ns之间。

7.根据权利要求4到6的任意一个的激光加工设备，其特征在于，操作所述光纤激光器装置以便提供具有大于1000W（1kW）的峰值功率的所述激光脉冲。

8.根据权利要求4到7的任意一个的激光加工设备，其特征在于，控制所述光纤激光器装置以便提供具有在10kHz和200kHz之间的频率的所述激光脉冲。

9.根据任意前述权利要求的激光加工设备，其特征在于，在所述激光器装置和加工头之间装备有低模光缆。

10.根据任意前述权利要求的激光加工设备，用于在所述机械部件的孔的壁中同时加工两个直接相对的初裂，其特征在于，包括具有半透明镜（36）和镜（54）的加工头（32），所述半透明镜（36）用于将入射主激光束分成两个不同的次级激光束（40,42），所述镜（54）具有所述两个次级激光束分别入射到其上的两个倾斜反射表面，然后所述两个次级激光束通过在相同几何平面中传播而分别穿过所述加工头的两个直接相对的端部孔出射。

11.根据权利要求1到9中任意一个的激光加工设备，其特征在于，包括具有端部狭槽（72）的加工头（60），所述端部狭槽（72）的高度至少等于加工的沟槽的长度，所述加工头包括可移动镜（62）和与直线移动的所述镜集成的聚焦装置（68）以便所述激光束通过沿着所述端部狭槽逐渐移动而通过所述端部狭槽出射，在激光加工在机械部件中的直线沟槽期间所述加工头被保持在固定位置。

12.根据权利要求1到9和11中任意一个的激光加工设备，其特征在于，包括由非旋转顶部分（60A；82A）和通过马达装置（76）旋转的底部分（60B；82B）形成的加工头（60；80）以连续加工在所述机械部件的孔的所述壁中的直接相对的沟槽。

13.根据权利要求12的激光加工设备，其特征在于，所述加工头（82）的所述底部分（82B）整个设置在所述机械部件之上并具有比所述机械部件的所述孔更大的直径。

14.根据任意前述权利要求的激光加工设备，其特征在于，所述机械部件是连杆，所述连杆具有设置在所述其主孔中的两个直接相对的沟槽。

Images