DE10110823A1

DE10110823A1 - Verfahren zum Abtragen von Materialablagerungen, die bei einer Laserbearbeitung entstehen

Info

Publication number: DE10110823A1
Application number: DE10110823A
Authority: DE
Inventors: Armin Glock; Konrad Koeberle; Anke Linde; Juergen Hackenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-10-02
Also published as: US20020189632A1; JP2002361468A; FR2821777A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtragen von Materialablagerungen, die bei einer Laserbearbeitung entstehen, beschrieben. Das Abtragen erfolgt dabei mittels mindestens eines der Verfahren Beizverfahren und/oder Elektropolierverfahren.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtragen von Materialablagerungen, die bei einer Laser bearbeitung entstehen, gemäß der im Oberbegriff des Patent anspruches 1 näher definierten Art.

Bei einer Laserbearbeitung von insbesondere metallischen Materialien wird lokal eine große Energiemenge in das zu bearbeitende Material eingebracht, die zu einem Aufschmel zen und gegebenenfalls zu einem Verdampfen des Metalls oder der Legierung führt. Die verdampfte und/oder aufgeschmolze ne Materialmenge wird üblicherweise durch das Einbringen der Laserenergie aus dem Bearbeitungsbereich verdrängt und schlägt sich dann in einem Randbereich oder angrenzenden Bereichen der Bearbeitungszone nieder, wo es sich verfe stigt.

Bei einer Laserbearbeitung wird üblicherweise mit unter stützenden Gasstrahlen gearbeitet, wobei je nach Laserbear beitungsprozeß Mischungen mit Luft oder Mischungen von Sau erstoff, Stickstoff, Argon, usw. in verschiedenen Verhält nissen eingesetzt werden. Somit entstehen im Randbereich der mit Laser bearbeiteten Materialzone in Abhängigkeit des dabei eingesetzten Gases Materialanhäufungen von aufge schmolzenem Metall und/oder Oxiden bzw. Nitriden in ver schiedenen prozentualen Verhältnissen.

Grundsätzlich können dabei auch - je nach verwendetem Gas - die oxidischen und metallischen Anteile der Material ablagerung in einer unterschiedlichen Anordnung auf dem zu bearbeitenden Bauteil vorliegen. Beispielsweise kann die Ablagerung aus einer metallischen Schmelzunterschicht und einer oxidischen Deckschicht darauf gebildet sein. Ebenso kann auch eine metallische und eine oxidische Schicht ne beneinander angeordnet auf dem Bauteil vorliegen.

Derartig gebildete Materialablagerungen können auch unter schiedliche Formen aufweisen. Beim Laserbohren können z. B. Materialanhäufungen in Form von "Vulkankegeln" und gratähn liche Aufwürfe, die hauptsächlich um den Rand des laserge bohrten Loches angeordnet sind, entstehen.

Diese unkontrollierten Materialanhäufungen auf einem mit einem Laser bearbeiteten Bauteil sind jedoch unerwünscht, da dadurch die Bearbeitungs- und somit auch die Bauteilgeo metrie verändert wird. Nachteilhafterweise ist damit auch die Geometrie der Bauteiloberfläche mit den unerwünschten Unregelmäßigkeiten schwer vorauszubestimmen.

Ein weiterer negativer Effekt solcher Materialablagerungen ist deren nicht kontrollierbare Haftung auf der Bauteil oberfläche, so daß es unter Umständen zu unkontrollierten Ablösungen von Partikeln kommen kann. Dabei können die Ma terialablagerungen bei einem Ablöseprozeß gegebenenfalls auch Stücke aus der Bauteiloberfläche mitherausreißen.

Ein Laserbearbeitungsverfahren, bei dem Materialablagerun gen entstehen können, ist beispielsweise das Einzelpulsver fahren zum Herstellen von Massenbohrungen. Dies erfolgt üb licherweise mittels Laserhochgeschwindigkeitsbohren.

Beim Einzelpulsbohren werden je nach Pulsdauer, zeitlichem Intensitätsverlauf und der Fokussierung Löcher unterschied licher Tiefe erzeugt, deren Durchmesser je nach Parameter wahl etwas kleiner oder größer als der des fokussierten Strahls sein kann. Typische Daten für die Bohrlöcher sind dabei Durchmesser kleiner als 0,5 mm und Tiefen kleiner als 2 mm bei Durchmessertoleranzen von ±10 µm und Rauhigkeiten der Wandung der Bohrung von etwa der gleichen Größenord nung.

Ein weiteres Laserbearbeitungsverfahren, bei dem Material ablagerungen entstehen können, ist die Wendelbohrtechnolo gie oder Schneidbohrtechnologie, bei der mittels Laser- Präzisionsbohrverfahreh Mikro-Präzisionsbohrungen herge stellt werden können.

Außerdem entstehen solche Materialablagerungen neben dem Laserbohren auch bei der Mikrostrukturierung von Metallen bzw. Legierungen, wenn diese Strukturierung mit Hilfe eines Lasers, zum Beispiel zur Erzeugung von Vertiefungen oder Rillen, gebildet wird. Dabei sind die Ablagerungen ebenso nachteilig, insbesondere, wenn die Rillen nahe beieinander liegen und genau dimensionsiert sein sollen.

Bisher werden in der Praxis derartige unerwünschte Materi alablagerungen entweder gar nicht abgetragen und damit auf dem Bauteil belassen, oder es werden mechanische Verfahren zum Abtragen dieser Ablagerungen verwendet. Hierzu wird beispielsweise ein Gleitschleifen, Bürsten und/oder Hoch druck-Wasserstrahlentgraten angewandt.

Diese mechanischen Verfahren zeigen jedoch den Nachteil, daß sie zu Materialverschmierungen in der Bearbeitungszone der Bauteiloberfläche oder zu einem Umdrücken der gratähn lichen Aufwürfe in die Bearbeitungszone führen können. Dar über hinaus ist es sogar möglich, daß die mechanischen Ver fahren zu einem unkontrollierten Ausbrechen von Material im aufgeschmolzenen Randbereich der Bearbeitungszone führen.

Vorteile der Erfindung

Mit einem Verfahren zum Abtragen von Materialablagerungen, die bei einer Laserbearbeitung entstehen, gemäß den Merkma len nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wobei das Abtragen der Materialablagerungen mittels mindestens eines der Verfahren Beizverfahren und/oder Elektropolierverfahren erfolgt, werden die oben beschriebenen Nachteile vorteil hafterweise vermieden.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem Beizverfahren an metal lischen Werkstücken vorwiegend oxidische und nitridische Anteile der Materialablagerungen abgetragen werden. So bleiben nach einem Beizverfahren nur noch metallische Abla gerungen auf der Bauteiloberfläche bestehen.

Als Material wird bei dem mit Laser zu bearbeitenden Bau teil meist Metall in einer reinen Form oder als Legierung vorliegen. Jedoch wäre grundsätzlich auch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei anderen Materialien, wie beispielsweise bei Keramiken, denkbar.

Insbesondere bei dicken oxidischen und/oder nitridischen Ablagerungen ist es vorteilhaft, wenn das Beizverfahren mittels Ultraschall unterstützt wird. So kann eine im we sentlichen vollständige Entfernung der oxidischen und/oder nitridischen Anteile der Materialablagerungen schneller und besser erfolgen.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnte sich die Beizlösung zum Beispiel in einer Schwingwanne befinden, deren Wandungen und damit die Beiz lösung in Schwingung versetzt werden. Daneben könnte ebenso eine Stabsonotrode in die Beizlösung eingebracht werden, welche die Beizlösung in Schwingung versetzt.

Das Beizen erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer verdünnten Beizlösung aus Schwefelsäure und Phosphorsäure mit Tensiden und findet vorzugsweise bei etwa 70°C statt.

Die beim Beizen durch Abtragen der oxidischen und/oder ni tridischen Anteile der Ablagerungen freigelegten metalli schen Schmelzablagerungen werden dann anschließend gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung in einem Elektropolierverfahren abgetragen.

Das Elektropolierverfahren arbeitet dabei kräftefrei und verhindert vollständig eine ungewollte Materialverschmie rung und Materialausbrüche, wie sie bei Verfahren des Stan des der Technik auftreten.

Beim Elektropolieren wird das von der Ablagerung zu befrei ende Bauteil in einer elektrolytischen Zelle als Anode ge schaltet. Die Bearbeitung erfolgt dann mittels dem dem Fachmann per se bekannten Verfahren unter Gleichstrom oder unter Pulsstrom.

Das Elektropolieren erfolgt gemäß einer weiteren bevorzug ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Elektrolyt aus konzentrierter Schwefelsäure und Phosphor säure. Eine bevorzugte Temperatur für das Durchführen des Elektropolieren ist etwa 60°C.

Je nach Art, Menge und Verhältnis der Materialablagerungen werden die Bearbeitungsdauer des Beizschrittes und des Elektropolierschrittes - individuell angepaßt.

In besonderen Fällen kann es sogar sein, daß auf einen der beiden Bearbeitungsschritte, das heißt das Beiz- oder das Elektropolierverfahren verzichtet werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, daß bei geringen oxidischen Antei len der Ablagerung auf dem Bauteil und überwiegend metalli schen Anteilen in den Materialablagerungen eine Bearbeitung durch Elektropolieren ausreichend ist, ohne daß vorher eine Beizung durchgeführt werden muß.

Insbesondere als vorteilhaft hat sich das erfindungsgemäße Verfahren bei der Verwendung zum Abtragen von Material nach einem Laserbohren erwiesen, wie es beispielsweise beim Ein bringen von Bohrungen in Filtern eines Regelventils oder in einen Düsenkopf eines Einspritzventils verwendet wird. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge genstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung, der anhängenden Zeichnung und den Patentansprü chen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Abtragen von Materialablagerungen, die bei einer Laserbearbeitung ent stehen, sowie Beispiele von laserbearbeitetem Material, bei dem keine Materialabtragung stattgefunden hat und bei dem ein erfindungsgemäßer Materialabtrag durchgeführt wurde, sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen dabei

Fig. 1 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Bohrloches in einem Düsenkopf nach einem Hochdruckentgra ten;

Fig. 2a) bis 2c) einen Filter eines Regelventils nach den einzelnen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Fig. 2a) den Filter nach dem Laserbohren, Fig. 2b) nach dem Beizen und Fig. 2c) nach dem Elektropolieren mit jeweils einem vergrößerten Ausschnitt des Filters zeigt;

Fig. 3 eine Trommel, die zum Beizen verwendet werden kann; und

Fig. 4 ein vergrößertes Bohrloch einer DSLA-Düse nach ei nem Laserbohren (Fig. 4a), nach dem Beizen (Fig. 4b) und nach dem Elektropolieren (Fig. 4c).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist beispielhaft eine vergrößerte Laserbohrung in einem Düsenkopf für die Dieseleinspritzung gezeigt, wo bei nach einem Laserbohren ein Hochdruckentgraten gemäß dem bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik durchgeführt wurde. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, sind um ein laser gebohrtes Spritzloch 2 des Düsenkopfes Schmelzaufwürfe 1 im Lochrandbereich mit einer Höhe von 30 µm und teilweise deutlich höher entstanden. Diese wurden: durch das Hochdruc kentgraten teilweise verschmiert oder umgedrückt und, wie der Fig. 1 gut zu entnehmen ist, teilweise sogar unkon trolliert aus dem Material ausgebrochen, so daß die Bau teiloberfläche neben den Verschmierungen unkontrollierte Vertiefungen aufweist.

In Fig. 2 ist beispielhaft jeweils ein Filter 4 eines Druckregelventils, hier für ein Common-Rail-System, darge stellt, wobei der Filter 4 in Fig. 2a) nach dem Laserboh ren, in Fig. 2b) nach dem Beizen und in Fig. 2c) nach dem Elektropolieren mit einem jeweils vergrößerten Ausschnitt aus dem bearbeiteten Bereich 3 dargestellt ist.

Bei einem solchen Filter 4 werden in ein zylindrisches Bau teil aus einem hochlegierten Stahl durch Laserhochgeschwin digkeitsbohren in die Mantelfläche 3 ca. 2000 Löcher 5 mit einem Durchmesser von etwa 60 µm bis 80 µm eingebracht. Der gesamte Bearbeitungsbereich um die Löcher 5 ist nach dem Hochgeschwindigkeitsbohren mit oxidischen Schmelzablagerun gen 7 und metallischen Schmelzablagerungen 6 bedeckt, die eine schiefergesteinsartige Oberfläche bilden, was aus der Fig. 2a) und dabei insbesondere aus dem stark vergrößerten Ausschnitt davon prinzipmäßig zu entnehmen ist.

Nach dem Laserbohren wird nun gemäß der vorliegenden Erfin dung ein Beizprozeß durchgeführt, indem die zu bearbeitende Fläche 3 einer handelsüblichen Beizlösung, die hier eine verdünnte Lösung aus Schwefelsäure und Phosphorsäure mit Tensiden darstellt, bei 70°C ausgesetzt wird. Hierbei wird gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform eine Ultra schallunterstützung eingesetzt und das Beizen während einer Bearbeitungszeit von etwa 15 min durchgeführt.

Wie der Fig. 2b) zu entnehmen ist, ist die Oberfläche des Filters 4 in dem Bearbeitungsbereich 3 nach dem Beizverfah ren schon wesentlich glatter ausgebildet. Insbesondere ist zu erkennen, daß sich nur noch die Löcher 5 in der lasergebohrten Mantelfläche des Filters 4 sowie metallische Schmelzablagerungen 6 auf einer ansonsten glatten metalli schen Bauteiloberfläche 8 befinden. Die noch in der Fig. 2a) überwiegenden oxidischen Schmelzablagerungen 7 auf der Oberfläche des Filters 4 sind hier entfernt.

Wenn anschließend noch ein Elektropolieren des Bearbei tungsbereichs 3 durchgeführt wird, ergibt sich eine metal lische, elektropolierte Bauteiloberfläche 9, wie sie in Fig. 2c) dargestellt ist. Dabei erfolgte das Elektropolieren in einem handelsüblichen Elektrolyt aus konzentrierter Schwefelsäure und Phosphorsäure bei einer Temperatur von 60°C. Die Stromdichte betrug gemäß der gezeigten bevorzug ten Ausführungsform 5 A/dm² bei einer Bearbeitungszeit von etwa 25 min.

Da der beschriebene Filter 4 hier auf seiner gesamten Ober fläche bearbeitet wird, wird er beim Beizen und Elektropo lieren als Schüttgut in einer Trommel bearbeitet.

Eine derartige Trommel 10 ist beispielhaft in der Fig. 3 skizziert. Es handelt sich hierbei um eine Trommel zum Bei zen, in welche die zu beizenden Teile 11 eingelegt werden. Die Trommel 10 wird anschließend in Richtung des Pfeiles 12 gedreht. Gleichzeitig wird das Beizen durch einen in der Mitte der Trommel 10 angeordneten Ultraschall-Push-Pull- Schwinger 13 unterstützt.

Die Fig. 4a) bis 4c) zeigen einen Ausschnitt eines Dü senkopfes für eine Dieseleinspritzung, bei dem eine Düsen öffnung in Form von Spritzlöchern 14 lasergebohrt wurde, nach den einzelnen Verfahrensschritten, nämlich Laserboh ren, Beizen und Elektropolieren.

Bei einem solchen Düsenkopf werden in den Düsenkörper, wel cher hier aus 18CrNi8 gebildet ist, durch Laser-Präzisions bohren Spritzlöcher 14 mit einem Lochdurchmesser von ca. 100 µm gebohrt. Dabei sind in der Düse zwischen 5 und 14 solcher Spritzlöcher 14 vorgesehen.

Die Fig. 4a) zeigt das exemplarisch dargestellte Spritz loch 14 nach dem Laserbohren, wobei im direkten Lochrandbe reich Schmelzaufwürfe 17 in einer Größenordnung von 30 µm und zum Teil auch erheblich höher erkennbar sind. Im nähe ren Umgebungsbereich um das Spritzloch 14 weist die Ober fläche vor allem oxidische Ablagerungen 15 auf, welche der hier stark vergrößert dargestellten Oberfläche ein rauhes Erscheinungsbild mit zahlreichen Erhebungen geben. Daneben befinden sich auch metallische Schmelzablagerungen auf dem Düsenkopf, jedoch hier in einem geringeren Umfang als bei dem bezüglich Fig. 3 näher beschriebenen Filter 4.

In einem nachfolgenden Beizverfahren kann wiederum eine handelsübliche Beizlösung, welche eine verdünnte Lösung aus Schwefelsäure und Phosphorsäure mit Tensiden sein kann, verwendet werden, wobei die Bearbeitungsfläche vorliegend bei einer Temperatur von 70°C mit Ultraschall-Unterstützung über eine Bearbeitungszeit von 60 sec gebeizt wird. Wenn gleich sich für das Beizverfahren eine Arbeitstemperatur von wenigstens annähernd 70°C als sehr günstig erwiesen hat, kann das Beizverfahren auch bei tieferen Temperaturen erfolgen.

Die Fig. 4b) zeigt, daß die Umgebung des Spritzloches 14 nach dem Beizen eine deutlich glattere Oberfläche als un mittelbar nach dem Laserbohren aufweist, da die oxidischen Ablagerungen nunmehr nicht mehr vorhanden sind. Es finden sich somit nach dem Beizvorgang meist nur noch metallische Schmelzablagerungen 16 auf der ansonsten metallischen Bau teiloberfläche 18, welche lediglich noch rillenartige Ver werfungen aufweist.

Nach dem Beizverfahren schließt sich das Elektropolieren an, das in einem handelsüblichen Elektrolyt, der aus kon zentrierter Schwefelsäure und Phosphorsäure mit Alkohol be stehen kann, bei vorzugsweise 60°C erfolgt. Dieser Elektro poliervorgang kann aber auch bei tieferen Temperaturen wie z. B. bei 25°C erfolgen. Die Bearbeitungszeit für den Elek tropoliervorgang beträgt vorliegend 2 min.

Die Fig. 4c) zeigt nun das vergrößert dargestellte Loch 2 des Düsenkopfes nach dem Elektropolieren, wobei erkennbar ist, daß sich keinerlei Schmelzaufwürfe mehr auf der Bear beitungsfläche befinden, sondern nur noch eine metallische, elektropolierte Bauteiloberfläche 19 vorzufinden ist.

Bei diesem Anwendungsfall für das erfindungsgemäße Verfah ren wird nicht die gesamte Oberfläche des hier zu behan delnden Bauteils, nämlich des Düsenkopfes, beim Beizen und Elektropolieren behandelt, sondern nur ein bestimmter Be reich hiervon. Die Düsenköpfe werden daher als Einzelteile bearbeitet und nicht als Schüttgut in einer Trommel.

Grundsätzlich ist zu erwähnen, daß bei dem erfindungsgemä ßen Verfahren eine typische, glatte Oberflächenausprägung erzeugt wird, an der die mit dem erfindungsgemäßen Verfah ren behandelten Bauteile erkennbar sind.

Claims

1. Verfahren zum Abtragen von Materialablagerungen, die bei einer Laserbearbeitung entstehen, dadurch gekennzeich net, daß das Abtragen der Materialablagerungen mittels mindestens eines der Verfahren Beizverfahren und/oder Elektropolierverfahren erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das Beizverfahren und daran anschließend des Elektropolierverfahren durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Beizverfahren mittels Ultraschall unter stützt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Beizverfahren in einer Beizlösung, welche eine verdünnte Lösung aus Schwefel säure und Phosphorsäure mit Tensiden darstellt, erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Beizverfahren bei einer Temperatur von wenigstens annähernd 70°C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Elektropolierverfahren in einem Elektrolyt, welcher konzentrierte Schwefelsäure und Phosphorsäure enthält, erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Elektropolieren bei einer Tempera tur von wenigstens annähernd 60°C durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu behandelnden Bauteile einzeln dem Beiz- und/oder dem Elektropolierverfahren unterzogen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu behandelnden Bauteile als Schüttgut in einer Trommel einem Beiz- und/oder Elektro polierverfahren unterzogen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeich net durch seine Verwendung zum Abtrag einer Materialan häufung nach einem Laserbohren bei Filtern eines Regel ventils.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeich net durch seine Verwendung zum Abtrag einer Materialan häufung nach einem Laserbohren bei einem Düsenkörper ei ner Kraftstoffeinspritzdüse.