AT410906B

AT410906B - Laserunterstütztes profilwalzen

Info

Publication number: AT410906B
Application number: AT1912001A
Authority: AT
Original assignee: Schuoecker Dieter Dr
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2003-08-25
Also published as: ATA1912001A; DE10290355D2; WO2002062499A1

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Metallische Profile mit beliebiger Länge können durch Profilwalzen hergestellt werden. Dabei werden zahlreiche Walzgerüste nacheinander durchlaufen, wobei die axialen Querschnitte der beiden zusammengehörigen Walzen eines Gerüsts der Ober- und der Unterseite des durch das Gerüst hergestellten Querschnitteils des Profils entsprechen, also etwa Keil- bzw. V-Nutformig sind. Durch das Aufeinanderfolgen von zahlreichen solchen Walzen können mittels mehreren Umformschritten komplexe Profile hergestellt werden.

   Zeigt der Querschnitt des gewünschten Profils kleine Krümmungsradien oder allzu scharfe Kanten, so treten bei den im Bezug auf die Krummungsmittelpunkte aussen liegenden Fasern sehr grosse Dehnungen auf, die unter Umstän- den die Bruchdehnung überschreiten können, womit das Profil nach dem Walzprofilieren an derar- tigen Stellen Risse aufweist und damit unbrauchbar wird. Das Problem wird noch verscharft, wenn weniger duktile Werkstoffe, wie etwa bestimmte Aluminiumlegierungen, Titan oder hochfeste Stähle gewalzt werden. Damit bleibt das Walzprofilieren, das auf Grund seines Endloscharakters kostengünstig ist, auf duktile Werkstoffe und auf Querschnittsgeometrien mit nicht zu hohen Um- formgraden beschränkt.

   Die gegenständliche Erfindung bietet nun eine Möglichkeit, diese Be- schränkungen aufzuheben und das Walzprofilieren auch auf Werkstoffe, die sich für die Kaltum- formung weniger gut eignen und auf Profile mit besonders hohen Umformgraden zu erweitern. 



   Die gegenständliche Erfindung beruht auf dem Umstand, dass im allgemeinen die Verformbar- keit von Metallen, und auch von vielen anderen Werkstoffen, wie etwa Thermoplasten und Glas bei erhöhter Temperatur verbessert wird, was sich daran zeigt, dass die für das Einsetzen der plasti- schen Verformung erforderliche Fliessspannung mit steigender Temperatur sinkt, bei Stahl bei einer Temperaturhöhung um 500  um etwa 40%. Weiters steigen auch die erreichbaren Dehnungen mit steigender Temperatur an.

   Damit kann nun durch Erwärmung des Walzgutes vor dem Ergreifen durch die Walzen an denjenigen Stellen, wo nach Verlassen des Walzenpaares Profilquerschnitts- stellen mit kleinen Krümmungsradien entstanden sind, durch Erwärmung mit einem mehr oder minder fokussierten Laserstrahl eine erleichterte Umformung erzielt werden, so dass das Material nicht bricht, was im kaltem Zustand bei dem gegebenen Material und dem gewünschten Profil unvermeidbar wäre. 



   Ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum laserunterstützten Walzprofilieren zeigt die Abb. 1: 
Zwei Keil- bzw. V-Nutförmig profilierte Walzen 1 und 2 bewirken eine v-förmige Deformation des zunächst flachen Walzgutes. Ein mehr oder minder stark fokussierter Hochleistungs-Halbleiter- laser 4 erwärmt das Walzgut im Bereich des Brennflecks, wobei dessen Grösse so gewählt ist, dass sie den Bereich nennenswerter Dehnungen überdeckt.

   Der in Abb 1 gezeigte Längsschnitt durch die Walzen und das Walzgut zeigt, dass der mehr oder minder gut fokussierte Laserstrahl unter einem bestimmten Winkel 5 (stechend) auf die Werkstückoberfläche trifft, was die Anordnung des Brennflecks in unmittelbarer Nähe des Walzeinlaufs unter Berücksichtigung der in Abb. 1 gezeigten Aussenkonturen des Lasers und des Randverlaufes des von ihm abgegebenen Strahls ermöglicht Abb. 2 zeigt einen walzachsenparallelen Schnitt, woraus ersichtlich wird, dass der Laserstrahl in der Ebene parallel zu den Walzenachsen auf das Walzgut senkrecht auftrifft, wobei er als Variante auch unter einem Winkel zum Walzgut hin geneigt sein kann (in Abb. 1 ist der Winkel ungleich 90 ). 



   Beide Neigungen des Strahls zum Walzgut sowohl in der achsenparallelen wie der achsen- senkrechten Ebene ergeben einerseits einen gesamten Neigungswinkel der gleich dem "Brewster- winkel" (zwischen 70  und 87  je nach Laserart), bei dem maximale Absorption und minimale Reflexion auftritt, sein soll. 



   Die Neigung des Laserstrahls in der Ebene senkrecht zu den Walzenachsen (Abb. 1) bewirkt auch, dass der trotz Einstellung des Brewsterwinkels mit maximaler Absorption immer noch vom Werkstück reflektierte wesentliche Strahlanteil die untere Walze trifft und diese erwärmt, was zumindest die Kühlung des Walzgutes durch die letzte verringert oder gar die Erwärmung verbes- sert, wobei durch genaue Abstimmung der Geometrie von Walze und Walzgut erreicht werden kann, dass die erhitzte Stellen am Walzgut und auf der Walze zur gleichen Zeit die Stelle, wo die Walzen das Walzgut ergreifen, erreichen, womit die Strahlenergie maximal genutzt werden kann. 



  In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, die Walzen mit einer schlecht wärmeleitenden Beschichtung 9, etwa aus Glas, Keramik oder Kunststoff zu versehen, um einen Wärmeabfluss zu verhindern. 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 



   Abb. 1 zeigt auch eine Düse 8, aus der ein absorptionsverbessertes Material noch vor Errei- chen des Fokus der Laserstrahlung auf das Walzgut aufgesprüht wird, wofür etwa Graphit in Frage kommt. Das absorptionsverbessernde Material kann unter Umständen auch als Schmiermittel verwendet werden. 



   Die Neigung der Strahlen zum Walzgut haben noch den weiteren vorteilhaften Effekt, dass der vom Laserstrahl überstrichene Bereich auf der Walzgutoberflache vergrössert wird, was dazu führt, dass die maximale Intensität im Zentrum des Fokus nicht so hoch ist wie bei optimaler Fokussie- rung, womit noch ein aus Festigkeits- und Qualitätsgründen unerwünschtes Aufschmelzen des Walzguts im Fokus der Laserstrahlung vermieden wird und andererseits ein grösserer Bereich durch den Laser erwärmt wird, womit auch bei dickerem Walzgut, bei dem die Länge des gedehn- ten Bereiches der Aussenfaser vergrössert wird, der Bereich starker Umformungen vorteilhafterwei- se beeinflusst wird.

   Dementsprechend erlaubt es die Einstellung der beiden Neigungswinkel die optimale Absorption, Grösse des aufgewärmten Bereichs des Walzgutes und maximale Temperatur so einzustellen, dass Ausschmelzen verhindert wird, aber dennoch die Verformung rissfrei durchge- führt wird. 



   Selbstverständlich kann der Laserstrahl nicht nur wie in Fig 1 und 2 auf die Unterseite des Walzguts einwirken, sondern auch an seiner Oberseite, bevorzugt dann, wenn eine nach unten offene Krümmung gewalzt wird. 



   Wie Abb. 1 und 2 zeigen, wird mittels eines Temperatursensors 7 die maximale Temperatur am Walzgut erfasst, was dazu verwendet werden kann, den Prozess in Hinblick auf gleichmässige Er- wärmung zu regeln. Eine ebenfalls vorhandene Thermokamera 7 erlaubt es, die Grösse des er- wärmten Bereiches zu überprüfen und kann in Verbindung mit einer Bildverarbeitung ebenfalls für die Prozessregelung verwendet werden. 



   Einfache Schätzungen zeigen, dass für das laserunterstützte Profilwalzen eines 3mm dicken Stahlblechs mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min Laserleistung von 7-8 kW erforderlich ist, wobei Kohlendioxydlaser, Nd :YAG-Laser, Excimer-Laser sowie Diodenlaser eingesetzt werden können. Da jeder dieser Laser eine andere Wellenlänge abgibt und somit ein anderer Brewsterwin- kel auftritt, müssen die beiden Strahlenneigungen entsprechend dem gewählten Laser angepasst werden. Darüber hinaus können auch andere gebündelte Energieformen Verwendung finden. 



   Da zur Herstellung jedes Umformschritts ein eigenes Walzgerüst notwendig ist, was wie schon erwähnt dazu führt, dass oft mehr als ein Dutzend Walzgerüste aufeinander folgen, so ist für jedes derselben, dessen Walzen eine im kalten Zustand für das Walzgut nicht ertragliche Deformation erzeugen, ein eigener Laser notwendig, was aber bei nicht allzu komplexen Profilen dazu fuhrt, dass nur bei wenigen Walzgerüsten Laser angeordnet werden müssen. 



   Eine Variante des in Abb. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemässes Walzgerüst besteht darin, dass diesem Walzgerüst nur ein Teil eines von einem zentralen Hoch- leistungslaser gelieferten Strahles über Strahlteiler und Umlenkspiegeln sowie eine Fokussieroptik zugeführt wird. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1. Walzverfahren zur Herstellung von Profilen, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzgut unmittelbar vor dem Einziehen in die Walzenpaare an Stellen, wo scharfe Büge hergestellt werden sollen und damit im kalten Zustand Risse zustande kommen, mit einem Laser- strahl erwärmt wird.

Claims

2. Walzverfahren zur Herstellung von Profilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die profilgebenden Walzen mit einer wärmeisolierenden Beschichtung aus Glas, Ke- ramik, Kunststoff oder Flüssigkeiten und Emulsionen versehen sind, die eine Kühlung des Walzgutes durch den Kontakt zwischen den Walzen und dem Werkstück und damit eine Aufhebung der Lasererwärmung verhindert.

3. Walzverfahren zur Herstellung von Profilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftreffen des Laserstrahls auf das Walzgut ein absorptionserhöhender Be- lag wie etwa Graphit mittels einer in der Nähe des Brennflecks der Laserstrahlung ange- ordneten Düse aufgesprüht wird. <Desc/Clms Page number 3>

4. Walzverfahren zur Herstellung von Profilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl unter dem Brewster-Winkel, bei dem werkstoff- und wellenlängenab- hängig die maximale Absorption auftritt, also fast streifend auf die Werkstückoberfläche auftrifft.

HIEZU 2 BLATT ZEICHNUNGEN