DE2813642A1

DE2813642A1 - Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung von werkstuecken mittels eines laserstrahls

Info

Publication number: DE2813642A1
Application number: DE19782813642
Authority: DE
Inventors: William Maxwell Steen
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2813642C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Tblerkstücken
mittels eines Laserstrahls Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls.
Der Begriff Bearbeitung umfaßt in der folgenden beschreibung und in den Patent ansprüchen beispielsweise Schneiaen, Schweißen, Bohren, das härten, Legieren und Beschichten von WErkstückoberflächen und dergl.
£ekannte Verfahren dieser Art arbeiten mit einem Linsen-oder einem Spiegelsystem zur Fokussierung des Laserstrahls auf das Werkstück, um innerhalb eines kleinen Flächenbereiches eine hohe @nergieintensität zu erzielen. Außerdem hat sich ein mit dem Laserstranl konzentrischer Gasstrahl als nützlich erwiesen. Ein Sauerstoffstral vergr-'jßert den Bereich der möglichen Schneidgeschwindigkeiten sowie die Eindringtiefe wesentlich. Bei einem metallenen Werkstück reagiert der Sauerstoff mit dem Metall und bewirkt so einen verstärkten Energiefluß. Bei Nichtmetallen steigert ein Inertgas die Schneidgeschwindigkeit, i ndem es das flüssig Material weg bläst.
Die geGenwärtig erzielbaren Schneid- und 5 chJeißges chwindigkeiten sowie die möglichen Eindringtiefen sind jedoch für die Mehrzahl der in Frage kommenden Anwendungsfälle unzureichend.
Neuere, unter Verwendung einer 15 kU bis 20 kT; starken Laserquelle durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, daß die erzielten Leistungswerte stark unterhalb denjenigen liegen, die aufgrund einer Linearextrapolation von Versuchen mit niedriger Leistung zu erwarten wären. Dieser schlechte Leistungsgrad kann seine Ursacne in der optischen Auslegung, in einer Abschirmung des Werkstücks durch laserstrahlinduziertes Plasma (dabei handelt es sich zum eine molke teilweise elektrisch geladener verdampfter Materialteilchen) oder in anderen Gründen haben. In jedem Fall liegt die Ursache hauptsächlich darin, daß zu wenig der erzeugten Energie das Werkstück tatsächlich erreicht, was gleichzeitig aufzeigt, daß lediglich eine Anwendung höherer Laserstrahlenergien zur Leis tungs verbesserung von Laserstrahl-Bearbeit ungsverfahren nicht ausreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art im Sinne einer Erhöhung des Wirkungsgrades zu verbessern.
Diese Aufgabe wird 6ernäß der Erfindung dadurch gelöst5 daPa z.risenen der von einem auf das Werkstück gewordenen Laserstrahl erhitzten Werkstuckzone und einer Elektrode ein Lichtbogen erzeugt wird.
Die vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone umfaßt denjenigen Bereich, dessen Temperatur um 100 °C oder mehr oberhalb der Temperatur der nicht vorn Laserstrahl beeinflußten Werkstückbereich liegt. Vorzugsweise wird derjenige Bereich des Werkstücks als die genannte, vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone betrachtet, dessen Temperatur um 300 C oder mehr über der Temperatur des nicht vom Laserstrahl beeinflußten Materials liegt.
Der Lichtbogen befindet sicn auf der gleichen Werkstückseite wie der Laserstrahl, sofern nicht das Werkstück so dünn ist, daß die vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone sich bis zu der von der Laserstrahlquelle aneandten Werkstückseite hin erstreckt. In dem letzteren Fall kann der Lichtbogen auch zwischen dieser von der Laserstrahlquelle abgewandten Werkstückseite und der Elektrode erzeugt werden. Unter diesen Bedingungen können auch zwei Lichtbogen auf beiden Werkstückseiten gleichzeitig erzeugt werden.
Zum Schneiden oder Schweißen erfolgt außerdem eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück, wobei der bzw. die Lichtbogen jeweils innerhalb der vom Laserstrahl jeweils erhitzten Werkstückzone gehalten werden muß bzw. müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann auch als ein Verfahren zur Beeinflussung eines oder mehrerer Lichtbogen betrachtet werden, da, wie weiter unten noch erläutert wird, das werkstückseitige Lichtbogenende dazu neigt, in gewissem Maße der Auftreffstelle des Laserstrahls zu folgen. In manchen Fällen jedoch, hauptsächlich bei hohen Strömen (beispielsweise von 130 A) kann der Lichtbogen irgendwo in der vom Laserstrahl ermitzten Werkstückzone endigen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß dem Werkstück zusätzlich zu der durch aen Laserstranl zugefünrten Energie elektrische Energie zugeführt wird, was hormalerweise zu einer Schweißig mit eng begrenzter wärmebeeinflußter Werkstückzone und großer Einoringtiefe f@nrt, ännlich wie beim nichtverstärkten Laserstranlschweißen.
Vorzugsweise wird außerdem ein Gasstrahl aus einer Düse auf die genannte vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone gerichtet. Das Gas Kann inert sein oder kann entweder mit dem Werkstück, der Elektrode (beim Schweißen) oder einem Flußmittel reagieren. s ist jedocn wichtig, daß die vom Laserstrani erhitzte Werkstückzone im wesentlichen in den nur durch den Laserstranl allein verursachten Zustand verbleibt. Eine stanze Ausbreitung dieser Zone kann auftreten, wenn ein jelir heißer uasstranl auf einen Bereich auftrifft, der gröber als der Auftreffpunkt des Laserstrahls ist und diesen entnält. Aus diesem Grund muß bei Verwendung eines Gasstranls die Gastemperatur an der Gasaustrittsdüse kleiner als 1500 °C sein. Vorzugsweise liegt die Gastemperatur unternalb von 1230 OC, also unternalb dem übergangspunkt für Stähle, an welchem Veränderungen der STahleigenschaften stattfinden. bei Verwendun6 von zwei Licntbogen können auch zwei Gasstrahlen Anwendung finden.
Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daren mittel zum Richten eines Laserstrahls auf das Werkstück und durch Iftttel zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode und der vom Laserstrahl erhitzten Werkstückzone gekennzeichnet.
Die Mittel zur Erzeugung des Lichtbogens sind so angeordnet 5 daß der Lichtbogen auf der gleichen Werkstückseite wie der Laserstrahl liegt 5 sofern das Werkstück nicht so dünn ist, daß die vom Laserstrahl ernitzte Werkstückzone sicn bis zur anderen Werkstückseite erstreckt. In diesem Fall können die Mittel zur Erzeugung des Licntbogens auch so angeordnet sein, daß der Lichtbogen auf dieser anderen Werkstückseite zwischen der Llektrode und der genannten Werkstückzone gezogen wird. Es können in dieser Fall auch zwei Elektroden zur Erzeugung von zwei Lichtbogen auf beiden vJerkstückseiten verwendet werden.
Zum Schneiden oder Schweißen weist die Vorrichtung jlittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück auf. Eine derartige Vorrichtung kann, wie Dereits oben erwähnt 5 zur beeinflussung bzti.
iaiiipulation eines Lichtbogens benützt werden.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung auch Mittel zum Richten eines Gasstranls aus einer Düse auf die genannte Werkstückzone auf. Das Gas kann inert sein oder mit dem werkstück oder5 nämlich bein1 Schweißen mit der Elektrode oder einem Flußmittel reagieren.
agnetische Mittel oder der gegebenenfalls vorhandene Gasstranl können zur Ablenkung des Plasmas vom Laserstrahl verwenaet werden, außer an octer nane der Lichtbogenauftreffstelle, damit eine Abschirmung des Lasertrahlauftreffpunktes auf dem Werkstück durcn das Plasma nerabgesetzt wird. Bei Verwendung magnetischer Mittel wird ein Magnetfeld erzeugt, daß r;lis dem Lichtbogenstrom zusammenwirkt und eine Kraft erzeugt, welche den Lichtbogen und das Plasma außer an der Laserstrahlauftreffstelle vom Laserstrahl weg ablenken. Es können auch Milfsgasstrahlen zum Wegblasen des Plasmas nach einer Seite benützt werden.
Beim Schneiden oder Bonren ist eine verstärkte Durcndringung möglich, wenn der Laserstrahl unter einem kleinen winkel illit Bezug auf die \;erkstücksenkrecnte geneigt auf das Werkstück auftrifft, wodurch Reflexion oder Absorption von Energie im Lichtbogenplasma herabgesetzt wird.
Die vom Laserstrahl erhitzte Werkstückzone stellt natürlich einen heißen Punkt dar, der häufig als Lichtbogenendpunkt dient, so daß beim Anlegen einer geeigneten Spannung zwiscnen dem Werkstück und der Elektrode der Lichtbogen dazu nei£t, sich zwischen diese neißen Punkt und der Elektrode zu bilden. Das laserstrahlinduzierte Plasma wirkt als Führungselement für Richtung und Form der Lichtbogenentladung.
Die Licntbogen'eometrie und die Lichtbogenstabilität verändern sich in Abhängigkeit vom Plasma. Die Größe des Lichtbogenendes wird häufig von der erhitzten Zone der Werkstückoberfläche, oder5 wenn zwei Lichtbogen benützt werden, beider Werkstückseiten beeinflußt, und das Lichtbogenende ist insbesondere enger als beim Fenlen einer durch den Laserstrahl erhitzten Zone Beim Schneiden wird desnalb die sualitat der Schnittflache im Vergleich zu derjenigen beim nerkörmilichen Lichtbogenschneiden verbessert. Der Lichtbogen folgt dem Laserstranl mit hoher Geschwindigkeit und vermeidet die üblichen intermittierenden Sprünge, die beim Fenlen eines Laserstrahls auftreten. Die Lichtbogenmündungsstelle kann sogar innerhalb eines begrenzten Bereiches durch Bewegung des Laserstrahls so geführt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren, wie bereits erwähnt, auch zur Führung eines Lichtbogens angewendet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb auch bei Fertigungsvorgängen und bei Geräten vorteilhaft, bei welchen es wünschenswert ist, die Auftreffstelle eines Lichtbogens längs eines bestimmten Pfades zu führen.
Das Verfahren una die Vorrichtung nach der Erfindung können zur Oberflächenhärtung von retallen wie beispielsweise Stahl Anwendung finden, wobei derjenige Teil der Werkstückoberfläche, auf welchen der Laserstrahl und der Lichtbogen auftreffen, zwecks Hartung wurmebenandelt wird.
Außerdem können das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung zur Oberflächenlegierung oder Oberflächenbeschicritung von Werkstücken benützt werden. Im ersteren Fall kann ein Legierungspulver, wie beispielsweise satellit, auf die Werkstückoberfläche aufgesprüht werden5 wobei mittels des Laserstranls und des Lichtbogens aie Werkstückoberfläche geschmolzen wird, so daß sich im Oberflächenbereich eine 0berflächenleierur'g bildet. Bei der Oberflächenbeschichtung werden beispielsweise ein oder mehrere Pulver auf die Werkstückoberfläcne aufgesprüht und durch den Laserstrahl und den Lichtbogen geschmolzen. In diesem Fall tritt jedoch keine wesentliche Legierungsbildung zwischen dem geschmolzenen überzugsmaterial und dem wierkstückmaterial ein.
Bei der Oberflächenhärtung oder der Oberflächenlegierung nach dem erfindungsgemäßen Verfanren finden normalerweise keine Gasstrahlen Anwendung, außer zur Ablenkung. des Plasmas, zur Abschirmung der Elektrode und zum Schutz der Laserlinse.
Die Oberflächenhärtung, die Oberflächenlegierung und die Oberflächenbeschuchtung nacn dem erfindungsgemäßen Verfahren naben den Vorteil, daß der behandelte Werkstückoberflächenbereicn sehr gut lokalisiert werden kann, beispielsweise können bei einem Metallsägeblatt nur die Zähne behandelt werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. tiS zeigt: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem ein Lichtbogen zwiscnen einem Werkstück und einer itlektrode erzeugt wird5 die innerhalb einer Düse angeordnet ist, durch welene ein Laserstrahl und ein Inertgasstrahl auf das Werkstück gerichtet werden, Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel5 bei welchem die Elektrode, der Laserstrahl und ein Sauerstoffstrahl räumlich voneinander getrennt sind, Fig. 3 eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Anorununb, Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem der Laserstrahl und der erzeugte Lichtbogen sich auf verschiedenen Seiten des Werkstückes befinden, und Fig. 5 eine Untersicht der in Fig. 4 gezeisten Anordnung Während eines Schneidvorganges.
Gemäß Fig. 1 wird ein Laserstrahl 10 von einer nicht gezeigten Laserstranlquelle durch eine Öffnung 17 eines Konxavspiegels 12 nindurch auf einen Konvexspiegel 11 geworfen, von welchem er zum Konkavspiegel 12 reflektiert wird. Nach erneuter Reflexion am Konkavspiegel 12 fällt der Laserstrahl durch eine Düse 13 eines Gehäuses 14 nhidurch auf ein Werkstäck 15 und erzeugt dort im @ereich eines Punktes 16 eine ernitzte Werkstückzone. Der Spiegel 12 ist wassergekühlt.
An dem Punkt 1@ kann das Werkstückmaterial verdampfen und eine Gas- und/oder Plasmawolke bilden. Außerdem bildet sich ein kleines Bad flüssigen Werkstückmaterials um den Punkt 16 herum. Beim Schweißen werden zwei miteinander zu verbindende Werkstückteile am Punkt 16 zusammengestoßen.
Beim Schweißen, Oberflächenhärten, Oberflächenlegieren oder Oberflächenbeschichten wird durch die oeffnung 17 des KonKavspieÕels 12 ein Inertgas hindurchgeleitet, das durch die Düse 13 austritt und verdampftes Werkstückmaterial beiseitebläst und dadurch den Zutritt des Laserstranls zum Punkt 16 verbessert.
Um dem Werkstück weitere energie in Form elektrischer Energie zuzuführen, wird zwischen einer Elektrode 18 und dem Punkt 16 des Werkstücks ein Lichtbogen gezogen. Dazu wird zwischen dem Werkstück 15 und einem die Elektrode 18 und den Konvexspiegel 11 tragenden Stab 20 eine geeignete Spannung angelegt. Zwischen dem Stab 20 und der Elektrode 18 ist eine elektrisch leitende Verbindung vorhanden. Das Werkstück 15 kann entweaer positiv oder negativ mit Bezug auf die Elektrode 18 gepolt sein. in zwischen der elektrode 18 und dem Werkstück 15 gezogener Lichtbogen neigt dazu, im Bereich des Punktes 16 des Werkstü-cks zu endigen, wo ein Bad geschmolzenen Materials sowie verdampftes Material und Plasma vorhanden ist.
Die in Fig. 1 erhitzte Anordnung kann zum Schneiden benützt werden5 wobei anstelle von Inertgas sauerstoff angewendet wird. Die Elektrode 18 ist dann vorzugsweise ummantelt und durch Inertgas abgeschirmt.
In Fig. 2 ist eine Anordnung zum Schneiden oder Bohren dargestellt, wobei ein reaktives Gas wie beispielsweise Sauerstoff ouer Chlor benützt wird5 das an einer exothermen ReaKtion teilnimmt. Der Laserstrahl 10 wird mittels einer Linse 22, die beispielsweise auf Kaliumchlorid, Germanium-oder Galliumarsenid, Zinkselenid oder Cadmiumtellurid hergescellt sein kann, auf den Punkt 16 des erkstücks 15 fokussiert.
Das reaktive Gas gelangt durch einen Einlaß 23 in ein Gehäuse 24, das eine Düse 2 aufweist, die sich im Betrieb der Vorrichtung genau über dem Punkt 16 befindet.
Bei dieser Anordnung findet eine wassergeliühlte elektrode 26 beispielsweise aus Wolfram, Anwenaung, die von einem iTantel 27 umschlossen ist. Um zu verhindern, daß das reaktive Gas die Elektrode 26 angreift, wenn ein Lichtbogen zwischen der nlektroae und dem Punkt 16 bezogen ist, wird durch einen einlaß 28 ein Inertgas durch die Ummantelung 27 hindurchgeleitet. Ebenso wie bei dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel spült das durch die Düse 25 austretende Gas den Bereich um den Punkt 16 nerum frei und reagiert mit dem Werkstückmaterial.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind also drei Wärmequellen zum Schneiden oder Bohren vorhanden, nämlich der Laserstrahl, die zwischen dem Gas und dem Werkstückmaterial stattfindende Reaktion und der zwischen dem Werkstück und der Elektrode 26 gezogene Lichtbogen. Diese Anordnung kann auch zum Schweißen verwendet werden, wenn zusätzliche Wärmezufuhr erforderlich ist. Beim Schweißen wird jedoch anstelle des reaktiven Gases normalerweise ein Inertgas verwendet und die Ummantelung 27 weggelassen. Wenn Werkstücke zu Schweißen sina, kann als Elektrode 26 eine sicn verbrauchende Elektrode benützt werden. Das gesamte Elektrodensystem kann ähnlich wie beim Metall-Inertgas- oder Wolfram-Inertgas-Schweißen ausgebildet sein.
Bei einer dem in Fig. 2 gezeigten Ausfünrun;sbeispiel ähnlicnen Anordnung sind di2 Elektrode 26, die mit oder ohne Wasserkühlung ausgestattet seiii kann, und die sie abschirmende Ummantelung 27 auPjernaliz des Genäuses 24 anbeordnet, wobei die Spitze der ..lexsroue nej-en der Düse 25 gelesen ist.
bei der in Fit 3 gezeigten Anordnung wird der Laserstrahl 10 mittels einer Linse 22 auf den Punkt 16 des Werk-Stücks fokussiert und die Elektrode 26 ist ebenso wie beim vorher besenriebenen Ausführungsbeispiel cturcn einen, durch eine Ummantelung 27 hindurchgeleiteten Inertgasstrom abgeschirmt. Bei der Anordnung nach Fig. 5 kann die Elektrode 26 wiederum entsprechend dem Metall-Inertgas- oder Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren ausgebildet sein und eingesetzt werden und sie ist vorzugsweise wassergekühlt. Jedoch wird das reaktive Gas zum Schneiden, Bohren und gelegentlich auch zum Schweißen, wobei es sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel um Sauerstoff naldelt, mittels einer Duse 30, die mit einem Einlaß 31 versenen ist, zum Punkt 16 des Werkstücks hingeleitet.
Der aus der Bäse 30 austretende Gasstrahl bläst die Wolke aus verdampftem Werkstäckmaterial und Plasma zur Elektrode 26 hin und trägt dadurch dazu bei, den Punkt 16 für den Laserstrahl frei zugänglien zu machen wobeI außerdem die zusätzlich zugeführte elektrische Energie zu diesem Punkt hingeleitet wird. Die für einen maximalen Wirkungs grad der Energieübertragung jeweils erforderliche genaue Blasrichtung des Sauerstoffstrahls kann empirisch ermittelt werden.
Der gleichen Funktion dient die Düse 30 augen, wenn zum Schweißen oder für eine Oberflächenbehandlung anstelle von Sauerstoff ein Inertgas nindurchgeleitet wird.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung, bei welcher für funktionsgleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet sind, ist die durch Inertgas abgeschirmte elektrode 26 so angeordnet, daß der Lichtbogen auf der vom Laserstrahl abgewandten Seite des Werkstücks 15 gezogen wird.
Der Lichtbogen wird zu einem Punkt 33 des werkstücks hin gezogen5 an welchem die vom Laserstrahl erhitzte Werkstück zone sich bis zur Werkstückunterseite ausdehnt. Die durch den Lichtbogen zusätzlich zum Punkt 33 zugeführte Wärme hält die Werkstückschlacke, d. h. bei einem metallenen Werkstück gescnmolzenes Metall oder geschmolzene sI-;Ietallverbindungen in einem Zustand, in welchem sie liter Verwendung eines Gasstranls, beispielsweise aus einer Düse 30 gemäß Fig. 3, weggeblasen werden kann. Dadurch erhält der Lichtbogen beim Scnneiden oder beim das Werkstück vollständIg durchdringenden Schweißen freien Zugang. Außerdem findet keine Abschirmung des Laserstrahls durch lichtbogeninduziertes Plasma statt, jedoch kann trotzdem eine Düse vorgesehen sein, um die vom Laserstrahl erzeugte Wolke von der Werkstückoberfläche wegzublasen. Das durch die obere und die untere Düse zugeführte Gas kann reaktives oder inertes Gas sein.
Bei der Anordnung nacn Fig. 4 bewegt sich das Werkstück 15 mit Bezug auf die Elektrode 26 und den Laserstrahl 10 nach links. Die Elektrode 26 ist so positioniert, daß sich ihre Spitze geringfügig vorderhalb des Punktes befindet, an welchem die ernitzte Werkstückzone durch den Laserstrahl auftritt.
Außerderi liest die Achse der Elektrode 26 in der beine der herzustellenden Scnnittfuge oder Scrireißnant bzw. in einer Tangentialebene hierzu, und die Elektrodenachse bildet mit der Unterseite des nocn nicht geschnittenen oder Geschweißten Werkstückteils einen spitzen winkel.
Fi. 5 zeigt die Anordnung nach Fig. 4 von unten, während ein Scnnitt oder schlitz 35 herbestellt wird. Die Vorscnubrichtung des Werkstücks 15 mit Bezug auf die anderen Komponenten der Vorricntung ist durch einen Pfeil 29 angedeutet. Bei der dargestellten Elektrodenposition endigt der Lichtbogen jeweils an dem genannten Punkt der Werkstückunterfläche und bleibt nicht an irgendwelchem geschmolzenem Werkstoff oder geschmolzener Schlacke aus dem Schnitt oder der Schweißnaht haften. Im allgemeinen erhält man die gewünschte Lichtbogenposition, wenn die nlektrodenspitze sich gerade vordernalb, jedoch mit etwas Abstand von der jeweiligen Schnitt- oder Schweißstelle befindet, wobei die Elektrodenachse vorzugsweise einen spitzen Winkel mit dem betreffenden Bereich der Werkstückunter- oder -oberfläche bildet, die sich auf der von dem nergestellten Schnitt bzw. der hergestellten Schweißhant entfernten Seite einer zur jeweiligen Tangente der Schnitt- oder Schweißlinie rechtwinkligen Linie befindet.
In Verbindung mit der Anordnung nach Fi. 4 kann eine nicht dargestellte weitere mit Schutzgas abgeschirmte Elektrode der in Fig. 3 gezeigten Art Anwendung finden, um einen weiteren Lichtoogen zum Punkt 16 der Werkstückoberseite zu ziehen. Außerdem kann eine nicht gezeigte Düse zur Zufunr eines reaktiven oder eines inerten Gases und/oder zuri Wegolasen der sich bildenden molke vorgesehen sein.
Bei einer Betriebsart der in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Anordnungen findet derart eine gegenseitige Abstimmung der Gaszuströmungen statt, daß sichergestellt ist, daß die elektrode von einem Inertgas umschlossen ist, während das Werkstück von einem anderen Gasstrom überdeckt ist, bei welchem es sich, beispielsweise beim Schweißen, Oberflächenlegieren oder Oberflacllennärten, um einen langsam strömenden Inertgasstrom, oder, beispielsweise beim Schneiden oder Bohren, um einen schnellen, möglicherweise mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Sauerstoffstrom nandelt.
Beim Schneiden und Schweißen ist eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl und dem Lichtbogen erforderlich. hierzu können an sich bekannte Vorschubmechanismen Anwendung finden. Deispielaweise beim Schneiden werden der Laserstrahl und die Elektrode stillstehend gehalten, während das Werkstück auf einem Tisch unter der Elektrode hinwegbewegt wird, wozu eine Vorschubspindel benützt werden kann. Bein Schweißen werden die beiden miteinander zu verbindenden Werkstückteile längs der auf den Tisch projezierten Schweißbahn aneinandergestoßen auf dem Tisch festgespannt.
Da die Fig. 1 bis 4 allgemeine Ausfahrungsbeispiele darstellen sollen, ist das t'erkstück 15 nicht in weiteren ninzelneiten, wie beispielsweise teilweise durchgeschnitten oder aus zwei miteinander zu verschweißenden Teilen bestehend dargestellt, sondern es sind nur Lage und grundsätzliche Form des Werkstücks gezeigt.
bei der Oberflächenhärtung, der Ob erflächenlegierung und der Ooerflächenbeschichtung muß die Relativbewegung derart stattfinden, daß der Auftreffpunkt des Laserstrahls und des Licntbogens jeden zu behandelnden Teil der Werkstückoberfläche bestreicht.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Dearbeitung von b£erkstücken mittels eines Laserstranls, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der von einen auf das Werkstück geworfenen Laserstrahl erhitzten Werkstückzone und einer Elektrode ein Lichtbogen erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ernitzte Werkstückzone sich durch die Sesarnte derkstückdicke bis zur vom Laserstrahl abgewandten Werkstückrückseite erstreckt und daß der Lichtbogen zwischen dieser Werkstückrückseite und der Elektrode erzeugt wird.
3. Verfahren nach Ansprucn 2, dadurch geRLennzeicnnet, daß auf weiden Werkstückseiten zwischen der erhitzten Werkstückzone und jeweils einer Elektrode ein Lichtbogen erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der jeweils erhitzten Werkstückzone herbeigeführt wird und daß dabei das werkstückseitige Ende des oder jedes Lichtbogens auf der jeweils erhitzten Werkstückzone genalten wird.
5. Verfahren nacn einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Laserstrahl zugewandten Werkstückseite und/oder an der vom @aserstrahl abgewandten Werkstückrückseite jeweils ein Gasstrahl aus einer Düse auf die jeweils erhitzte Werkstückzone gerichtet wird und daß die Temperatur des aus der Düse austretenden Gases weniger als 1500 °C beträgt.
6. Verfahren nacn einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich über der Auftreffstelle des Laserstranis auf den Werkstüc@ oiluenae Wolke aus Gas und/oder aus vom Werkstückmaterial verdampften Teilchen mindestens teil-:;eine aus dem @ereich des Laserstrahls abgelenkt wird.
7. Verfanren nach Anspruch 6 zum Schneiden, bohren oder Schweißen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem zugeführten Gas und dem Werkstück und/oder einen auf das Werkstück aufgebrachten Flußmittel eine exotnerme Reaktion stattfindet.
8. Verfahren nach Anspruch 6 zum Schweißen, dadurcn gekennzeichnet, daß eine sicn verbrauenende elektrode verwendet wird urld eine exotnerme Reaktion zwischen dieser Elektrode und dem zugeführten Gas stattfindet.
9. Verfahren nacl einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Schneiden oder Schweißen, dadurch gekennzeichnet, daß das Llektrodenende jeweils zu einem Punkt des werkstücks seinen kürzesten Abstand hat, der in Arbeitsricntung kurz vorderhalb der jeweiligen Scnnitt- oder Schweißstelle liegt.
10. Verfanren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Elektrode unter spitzem Winkel zu demjenigen Teil der jeweils betreffenden Werkstückoberfläche gehalten wird, der auf der von dem bereits hergestellten Schnitt bzw, von der bereits fertigen Schweißnaht abgewandten Seite einer rechtwinkelig zur jeweiligen Schneid- oder ScnweiP-bahn verlaufenden Linie liegt.
11. Verfahren nach einen' der Ansprüche 1 bis 6 zur Oberfläcjenlegieruizg eines WJerkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der ierkstückoberfläche zu legierendes material auf den betreffenden Teil der Werkstückoberfläche aufgebracht und gleichzeitig oder anschließend eine Relativbewegung zwischen der jeweils vom Laserstrahl erhitzten Werkstückzone und dem Werkstück derart herbeigeführt wird, daß die erhitzte Werkstückzone jeden Punkt des zu legierenden Oberflächenbereiches bestreicht.
12. Vorrichtung zur Ausführung des Verfanrens nach einem der Ansprdene 1 bis 11, gekennzeichnet durch Mittel (12) zum Richten eines Laserstrahls (10) auf ein Werkstück (15) und durcn Mittel zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen einer nlektrocie (18, 26) una der vom Laserstrahl erhitzten Werkstückzone.
13. Vorrichtung nacn Anspruch 125 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (18, 26) auf der vom Laserstrahl abgewandten Seite des Werkstücks (15) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mittel zur Erzeugung eines weiteren Lichtbogens zwischen einer weiteren lektrode und der vom Laserstrahl erhitzten Werkstückzone.
13. Vorrichtung nacn einem der Ansprücne 12 bis 145 gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der jeweils erhitzten Werkstäckzone und zum @alten des werkstückseitigen Endes des oder jedes Lichtbogens auf der jeweils erhitzten Werkstückzone.
-16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurcn gekennzeichnet, daß auf der dem Laserstrahl zugewandten Werkstückseite und/oder auf der vom Laserstrahl abgewandten Werkstückrückseite jeweils eine Düse (13, 25, 30) zum Zuleiten eines Gasstranls auf die jeweils ernitzte WerkstucKzone angeordnet ist, und dazu die Temperatur des aus der Düse austretenaen Gases kleiner als 1500 c ist.
17. Vorrichtung nach einem der Anspräche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, das die oaer jede £tlektrode (18, 26) von einer Ummantelung (14, 27) umschlossen ist, die einen Einlaß (17, 28) zur.. einleiten eines Inertgases und eine Austrittsdüse im Bereich der lektrodenspitze aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch Mittel (30) zum Ablenken der sich über dem Auftreffpunkt des Laserstranls auf dem Werkstäck (15) oildenden Gas- und/oder Teilchenwolke aus dem Lereich aes Laserstrahls.
19. Vorrichtung nach Ansprüche 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich die Elektrode zur Erzeugung des Lichtbogens auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite des Werkstücks (15) befindet und daß die genannten Ablenkmittel eine magnetische Einrichtung aufweisen, die ein Magnetfeld erzeugt, welches den Lichtbogen außer an der Auftreffstelle des Laserstrahls von diesem ablenkt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ablenkmittel mindestens eine Düse (30) zur Erzeugung eines Gasstranls aufweisen, welcher die Gas- oder Teilchen-@olke beiseitebläst.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 2O, dadurch gekennzeichnet, daß die oder eine Elektrode (18, 26) mindestens teilweise innerhalb eines Gehäuses (14, 27) anbeordnet ist, die eine Düse (13) aufweist, nahe oder innerhalb derer sich das wirksame Elektrodenende befindet, und daß das Gehäuse eine Eintrittsöffnung oder ein Eintrittsfenster (17) für aen Laserstranl aufweist und Mittel zum Hindurchlenken des Laserstranls durch die Düse vorCesenen sina.
22. Vorricntung nacn Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dalr die Elektrode (18) und ein Teil des Laserstrahls im wesentlichen koaxial zur Düse (13) des Gehauses verlaufen, und daß die Mittel zum @indurchlenken des Laserstrahls durch die Düse einen Konvexspiegel (11), der im Strahlenang des enannten Teils des Laserstrahls und koaxial dazu angeordnet ist, und einen iXonkavspiegel (12) aufweisen, der eine Durchtrittsöffnung (17) für den genannten Teil des Laserstrahls hat und diesen coaxial umschließt, und daß die beiden Spiegel so angeordnet sind, daß der Laserstranl durcn die Öffnung des Konkavspiegels hindurch auf den Konvexspiegel fällt, von diesem zum Konkavspiegel reflektiert und von dem letzteren durch die Düse hindurchreflektiert wird.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22 und Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse der Elektrodenu'nmantelung neben der Düse des Gehäuses (24) liegt.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23 zum Schneiden oder Schweißen, dadurch Eekennzeicnnet, daß die Elektrode derart angeordnet ist, , daß ihr wirksames Ende jeweils zu einem in Arbeitsrichtung zumittelbar vorderhalb der Schneiden oder Schweißstelle gelegenen Punkt des Werkstücks den kürzesten Abstand hat.
25. Vorrichtung nacn Ansprucn 24, dadurch gekennzeichnet 5 daß die lektrode derart relativ zum Werkstäck angeordnet ist, daß ihre Längsachse einen spitzen Winkel mit demjenigen l!.erkstückoberflächenbereich bildet, der auf der von dem schon fertigen Schnitt bzw. der schon fertigen Schweißnaht entfernten Seite einer zur Scnneid- oder Sch"'eißbahn bzw.

zur jeweiligen Tangente dazu rechtwinkeligen Linie liegt.