DE4018355A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von werkstuecken mit laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflä­ chenbehandlung von Werkstücken mit Laserstrahlung durch Erhit­ zen von Randschichten, insbesondere zur Behandlung von Wellen für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Laserstrahl mit einem von Null abweichenden Einfallswinkel auf die Werkstückoberfläche mit ei­ nem länglichen Strahlfleck auftrifft und quer dazu relativbe­ wegt wird. Dabei wird unter Oberflächenbehandlung beispielswei­ se das Anlassen, Härten oder Umschmelzen verstanden. Die ge­ nannten Wellen von Kraftfahrzeugen sind beispielsweise Nocken­ wellen oder Kurbelwellen, deren Nocken bzw. Lagersitze behan­ delt werden. Es können aber auch Schnecken von Extrudern od. dgl. Bauteile der Obeflächenbehandlung unterworfen werden.

Der industrielle Einsatz von Hochleistungslasern, wie bei­ spielsweise Kohlendioxidlasern, zur Oberflächenveredelung von Werkstücken scheitert häufig daran, daß die Absorption der La­ serstrahlung nicht genügend groß ist. Um die Energieeinkopplung zu erhöhen, ist es allgemein bekannt, linear parallel polari­ sierte Laserstrahlung zu verwenden und diese mit einem Ein­ fallswinkel von nahe 90° auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks einzustrahlen. Infolgedessen erfolgt eine verstärkte Energieabsorption bzw. eine verstärkte -einkopplung. Infolge­ dessen sind erhöhte Prozeßgeschwindigkeiten möglich, woraus ei­ ne Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Behandlungsverfah­ rens resultiert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Bearbei­ tungsqualität zu wünschen übrig läßt, beispielsweise sind Auf­ schmelzungen an den Kanten behandelter Werkstückflächen zu be­ obachten, oder das Erhitzen erfolgt in den quer zur Relativbe­ wegungsrichtung des Laserstrahls liegenden Bereichen nicht ge­ nügend in die Tiefe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Merkmalen, welches als Ver­ fahren zur Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung allgemein bekannt ist, so zu verbessern, daß eine hohe Prozeßgeschwindig­ keit mit einer Verbesserung der Bearbeitungsqualität verknüpft wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß linear polarisierte Laserstrahlung verwendet und ihr Einfallswinkel zur Anpassung der Energieeinkopplung in das Werkstück in zumindest einem Teilbereich des Strahlflecks abweichend von den Einfallswinkeln der verbleibenden Bereiche des Strahlflecks eingestellt wird.

Von entscheidender Bedeutung für die Optimierung der Pro­ zeßgeschwindigkeit in Verbindung mit einer Erhöhung der Bear­ beitungsqualität ist die Anpassung der Absorption an die Geome­ trie des zu bearbeitenden Werkstücks. Diese Anpassung wird durch Beeinflussung des Laserstrahls je nach vorhandener Werk­ stückgestalt erreicht. Es wird zumindest ein Teilbereich eines Strahlflecks der Laserstrahlung ausgewählt, in dem der Ein­ fallswinkel der Laserstrahlung abweichend von den Einfallswin­ keln der verbleibenden Bereiche des Strahlflecks eingestellt wird. Infolgedessen ist die Absorption der Energie in den ange­ sprochenen Bereichen des Strahlflecks unterschiedlich. Durch die Wahl der Einfallswinkel entsprechend der bekannten Abhän­ gigkeit zwischen Absorption und diesem Einfallswinkel für li­ near parallel polarisierte Laserstrahlung kann das Werkstück so erhitzt werden, daß unterschiedlichen Werkstückbereichen unter­ schiedliche Wärmemengen zugeführt werden. Beispielsweise kann ein Kantenaufschmelzen an einem Werkstück vermieden werden, in­ dem den Kantenbereichen weniger Energie zugeführt wird, ohne daß dabei die Wärmezufuhr kantenferner Bereiche herabgesetzt werden muß. Es ergibt sich eine Qualitätsverbesserung bei hoher Prozeßgeschwindigkeit.

Für das Einstellen der Einfallswinkel der Laserstrahlung sind die verschiedensten Verfahrensschritte möglich. Eine we­ sentliche Möglichkeit ist es, wenn die Einstellung des Ein­ fallswinkels der Laserstrahlung im Teilbereich des Strahlflecks mit einer auf die Geometrie der zu bearbeitenden Fläche des Werkstücks abgestimmten Form des Strahlflecks erfolgt. Die Be­ einflussung der Form des Strahlflecks ermöglicht es, auf unter­ schiedlichen horizontalen Niveaus gelegene Oberflächenabschnit­ te des Werkstücks zu bestrahlen. Damit ergibt sich bei gekrümm­ ten Werkstückoberflächen die Möglichkeit, unterschiedliche Ein­ fallswinkel zur Wirkung kommen zu lassen. Dabei versteht sich, daß die Form des Strahlflecks jeweils individuell auf die Flä­ che des Werkstücks abgestimmt werden muß. Eine einmalige Ab­ stimmung genügt, wenn die zu bearbeitende Fläche stets dieselbe Relativlage zum Strahlfleck hat. Ist das nicht der Fall, muß die Form des Strahlflecks in Abhängigkeit von den Änderungen der Relativlage des Werkstücks beispielsweise kontinuierlich entsprechend geändert werden.

Vorteilhafterweise wird bei einem Werkstück mit zylin­ drisch gewölbter Oberfläche ein mondsichelförmig gebogener Strahlfleck parallel zur Zylinderachse verwendet. Werkstücke mit zylindrisch gewölbter Oberfläche haben einen Mantelbereich mit konstanter Krümmung, so daß ein mondsichelförmig gebogener Strahlfleck, der parallel zur Zylinderachse verwendet wird, an seinen Enden Oberflächenbereiche bestreicht, die in Bezug auf die Strahlrichtung ein anderes Höhenniveau haben, als Mittelbe­ reiche dieses Strahlflecks. Infolgedessen trifft die Laser­ strahlung an den Enden unter einem anderen Winkel auf die zu bearbeitende Oberfläche, so daß die Energieabsorption entspre­ chend anders ist, als in den Mittelbereichen des Strahlflecks.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß im Falle einer der Länge des Strahlflecks etwa entsprechenden Werkstück­ breite ein Strahlfleck mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung in Richtung strahltiefer gelegener Oberflächenabschnitte des Werkstücks erstreckt, wenn die zylin­ drische Werkstückoberfläche konvex gewölbt ist, sonst umge­ kehrt. Bei diesem Verfahren ist der Einfallswinkel der Strah­ lung an den Enden des Strahlflecks kleiner, als in den dazwi­ schen gelegenen verbleibenden Bereichen dieses Strahlflecks. Infolgedessen ist die Energieeinkopplung an den Enden des Strahlflecks verringert. Dieses Verfahren ist insbesondere für Werkstücke mit einer Breite geeignet, die im wesentlichen der Strahlflecklänge entspricht. Je nach Behandlungsverfahren kön­ nen damit Aufschmelzungen, Deformationen oder Abschmelzungen vermieden werden.

Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß im Falle einer die Länge des Strahlflecks wesentlich übersteigen­ den Werkstückbreite ein Strahlfleck mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung in Richtung strahlhöher gelegener Oberflächenabschnitte des Werkstücks erstreckt, wenn die zylindrische Werkstückoberfläche konvex gewölbt ist, sonst umgekehrt. Die Einfallswinkel der Laserstrahlung an den Enden des Strahlflecks sind größer, als die Einfallswinkel in den verbleibenden Mittelbereichen, so daß an den Enden des Strahl­ flecks in gesteigertem Maße absorbiert wird. Das Verfahren ist geeignet, eine Bearbeitungsspur über ihre gesamte Breite mit gleicher Bearbeitungsgeometrie und gleicher Qualität zu erzeu­ gen. Infolgedessen erübrigen sich beispielsweise Überlappungen von Bearbeitungsspuren, wenn größere Werkstückflächen behandelt werden müssen.

Damit das Verfahren flexibel eingesetzt werden kann, also bei Werkstücken unterschiedlicher Abmessungen, wird ein Strahl­ fleck mit einstellbarer Länge und/oder mit einstellbarer Breite verwendet. In Ausgestaltung der Erfindung kann so verfahren werden, daß die Einstellung des Einfallswinkels der Laserstrah­ lung im Teilbereich und in den verbleibenden Bereichen des Strahlflecks durch Auswahl der Richtung des betroffenen Anteils der Laserstrahlung vorgenommen wird. Dieses Verfahren ist inso­ weit flexibel, als es nicht unbedingt der Formung des Strahl­ flecks bedarf. Vielmehr können herkömmliche Strahlflecken ver­ wendet werden, welche die Bereiche unterschiedlicher Einfalls­ winkel der Laserstrahlung aufweisen. Die Erzeugung der Laser­ strahlung muß dann mit quer zum Laserstrahl entsprechend ge­ formten Optiken erzeugt werden, um die gewünschten Einfallswin­ kel zu gewährleisten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 bis 3 unterschiedliche Werkstückgeometrien mit zy­ lindrisch gewölbten Oberflächen, die mit gebogenen Strahlflecken behandelt werden,

Fig. 4 eine meßtechnisch ermittelte Form einer mondsichel­ förmig gebogenen Strahlgeometrie,

Fig. 5, 6 ebene Werkstückoberflächen mit Bereichen, die mit Laserstrahlung unterschiedlicher Einfallswinkel be­ strahlt werden,

Fig. 7, 8 schematische Darstellungen einer Einrichtung zur Erzeugung mondsichelförmig gebogener Strahlgeome­ trien, und

Fig. 9 die Abhängigkeit der Absorption der Energie von La­ serstrahlung vom Einfallswinkel α.

Das in Fig. 1 dargestellte Werkstück 12 ist ein Kreiszylin­ der mit geschnitten dargestellten Ansätzen 20. Infolgedessen sind Kanten 21 vorhanden, an denen sich ein Wärmestau einstel­ len würde, wenn das Werkstück über seine gesamte Breite B gleichzeitig mit Laserstrahlung bestrahlt würde, wobei voraus­ gesetzt ist, daß der Strahlfleck länglich und parallel zur Zy­ linderachse 17 angeordnet ist sowie eine über seine Länge gleichmäßige Intensitätsverteilung besitzt. Da die gesamte Werkstückoberfläche 13 mit Laserstrahlung erhitzt werden soll, ist es erforderlich, sie relativ zur Laserstrahlung 10 zu dre­ hen, wobei dann die gewünschte Erhitzung aller Randschichten 11 erfolgt.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Strahlfleck 14 ist etwa so lang, wie das Werkstück 13 breit ist. Der Strahlfleck 14 kann etwa so aussehen, wie in Fig. 4 dargestellt, aus der er­ sichtlich ist, daß der Strahlfleck etwa mondsichelförmig ist, wobei seine Breite b erheblich geringer ist, als seine Länge 1.

Aus Fig. 1 ist des weiteren abzuleiten, daß die Laserstrah­ lung 10 infolge der gebogenen Form des Strahlflecks 14 auf ei­ nen Teilbereich 15 des Strahlflecks 14 trifft, der quer zur Strahlrichtung 18 höher gelegen ist, als der mittlere Bereich 16. Das ist auf die dargestellte Biegung des der Zylinderachse 17 parallelen Strahlflecks 14 quer zur Strahlrichtung 18 zu­ rückzuführen. In diesem höhergelegenen Teilbereich 15 ist der Einfallswinkel α₂ der Laserstrahlung 10 kleiner, als im Bereich 16. Infolgedessen ergibt sich im Teilbereich 15 eine geringere Absorption, wie sich aus Fig. 9 ableiten läßt. Die Absorption im Bereich von Einfallswinkeln der Größe α₃ ist doppelt so groß, wie bei Einfallswinkeln α₂, wenn linear parallel polarisierte Laserstrahlung verwendet wird. Unter linear parallel polari­ sierter Laserstrahlung wird in üblicher Weise Laserstrahlung verstanden, die nur in der Einfallsebene schwingt, also in der durch den einfallenden Strahl 10 und den reflektierten Strahl 10′ definierten Ebene.

Bezüglich Fig. 1 ergibt sich eine erheblich geringere Er­ hitzung der Teilbereiche 15 und damit eine Verminderung der Ge­ fahr des ungewollten Aufschmelzens, des Deformierens oder des Abschmelzens dieser Teilbereiche 15 bzw. der Kante 21.

In Fig. 2 ist das Werkstück 12 ebenfalls mit einer zylin­ drisch gewölbten Oberfläche 13 ausgebildet, im Bereich der Be­ strahlung durch den Strahlfleck 14 jedoch nicht konvex gewölbt, sondern konkav gewölbt. Infolgedessen ergeben sich für die in Richtung 18 einfallende Laserstrahlung 10 in den Randbereichen 15 größere Einfallswinkel α₂, als die Einfallswinkel α₃ der mittleren Bereiche 16, da die Werkstückoberfläche 13 hier in­ folge der konkaven Wölbung bereits flacher ist, als in den Be­ reichen 15. In letzteren erfolgt also eine erhöhte Absorption. Das ist unerwünscht, wenn man davon ausgeht, daß die Randberei­ che des Werkstücks 13 ohnehin seitlich, also quer zur Relativ­ bewegungsrichtung 22 zwischen Laserstrahlung 10 und Werkstück 13 infolge der seitlichen Begrenzung einen Wärmestau erleiden. Zu dessen Vermeidung müßte die aus Fig. 2 ersichtliche Biegung genau entgegengesetzt angeordnet sein, also wie in Fig. 3.

Fig. 3 zeigt die Anordnung eines mondsichelförmig gebogenen Strahlflecks 14 an einem zylindrischen Werkstück 13 mit kon­ vexer Wölbung für den Fall, daß die in Richtung der Zylinder­ achse 17 gegebene Erstreckung wesentlich größer ist, als die Länge des Strahlflecks 14. In diesem Fall erfolgt ein Wärmeab­ fluß in Richtung der Zylinderachse 17, so daß in den Teilberei­ chen 15 des Strahlflecks 14 eine erhöhte Absorption gewünscht wird, um die Randschichten 11 des Werkstücks 13 über dessen ge­ samte Breite gleichmäßig tief zu erhitzen. Die Biegung des Strahlflecks 14 erstreckt sich also quer zur Strahlrichtung 18 in Richtung strahlhöhergelegener Oberflächenabschnitte 19′, um in den Randbereichen die größeren Einfallswinkel α₂ zu bewir­ ken, als im Bereich 16.

Die Fig. 5, 6 zeigen wölbungsfreie, nämlich ebene Werkstücke 12 mit entsprechend planen Oberflächen 13. Das Werkstück 12 der Fig. 5 ist etwa so lang, wie der nicht dargestellte Strahlfleck, so daß sich bei einer Relativbewegung von Laserstrahlung 10 und Werkstück 12 in Richtung 22 quer dazu ein Wärmestau ergibt. In­ folgedessen wird so verfahren, daß in den in der Mitte des Werkstücks 12 befindlichen Bereichen 16 ein vergleichsweise großer Einfallswinkel α₃ gewählt wird, während die Einfallswin­ kel α₂ der am Rande gelegenen Bereiche 15 demgegenüber kleiner ist. Dementsprechend ist auch die Energieeinkopplung in den Be­ reichen 15 geringer. Umgekehrt ist die Neigung der Laserstrah­ lung 10 in dem mittleren Bereich 16 des Werkstücks 12 der Fig. 6, das seitlich in Bezug auf die Länge des nicht darge­ stellten Strahlflecks unbegrenzt ist. Der Einfallswinkel α₃ ist also kleiner, als der randseitige Einfallswinkel α₂, was zu ei­ ner gleichmäßig tiefen Erhitzung des Werkstücks 12 über die ge­ samte Länge des Strahlflecks führt.

Die Form des Strahlflecks der Laserstrahlung 10 ist bei den Werkstücken 12 der Fig. 5, 6 von vergleichsweise geringer Be­ deutung. Angedeutet ist durch die Anordnung der die Laserstrah­ lung 10 symbolisierenden Pfeile eine sichelförmige Strahlfleck­ ausbildung. Derselbe Behandlungseffekt kann jedoch erreicht werden, wenn eine linienförmige Strahlfleckausbildung verwendet wird, sofern nur die Einfallswinkel α₃ der Laserstrahlung 10 in den Bereichen 16 wie jeweils dargestellt im Verhältnis zu den Einfallswinkeln α₂ sind.

Die Fig. 7, 8 zeigen die räumliche Anordnung einer Optik, mit der sichelförmige Strahlflecken erzeugt werden können. Die Optik 23 besteht aus in einem Gehäuse 28 angeordneten Planspie­ gel 24, der die Laserstrahlung 10 in Richtung auf einen Linien­ fokussierspiegel 25 um 90° umlenkt. In einstellbarem Abstand L von diesem Linienfokussierspiegel 25 ist ein elliptischer Spie­ gel 26 angeordnet, der die Strahlung 10 um 90° ablenkt und auf das zu bestrahlende Werkstück 12 richtet, das sich in einer Di­ stanz A befindet. Die Form des Strahlflecks entspricht Fig. 4.

Mit Hilfe der vorbeschriebenen Verfahren kann bei optima­ ler Bearbeitungsqualität mit hoher Prozeßgeschwindigkeit bear­ beitet werden. Als Bearbeitungsverfahren kommen infrage: Anlas­ sen, Umwandlungshärten, Umschmelzen, Legieren, Dispergieren oder Beschichten von Außenschichten bzw. Randschichten der Werkstücke. Fehlerhafte Bearbeitungen können vermieden werden, wie beispielsweise Kantenverrundungen infolge eines Aufschmel­ zens bzw. Verdampfens von Werkstoff oder ungleichmäßige Bear­ beitungsgeometrien. Als Werkstücke kommen vornehmlich solche infrage, die in zumindest einer Richtung ungewölbt sind, also Werkstücke mit planen Flächen und Werkstücke mit zylindrisch gewölbten Flächen. Bei diesen kann beispielsweise mit Strahl­ fleckspuren in der Breite von z. B. 30 bis 40 mm bearbeitet wer­ den.

Claims (7)

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Laserstrahlung durch Erhitzen von Randschichten, insbeson­ dere zur Behandlung von Wellen für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Laserstrahl mit einem von Null abweichenden Einfalls­ winkel auf die Werkstückoberfläche mit einem länglichen Strahlfleck auftrifft und quer dazu relativbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß linear polarisierte Laser­ strahlung (10) verwendet und ihr Einfallswinkel (α₂) zur Anpassung der Energieeinkopplung in das Werkstück (12) in zumindest einem Teilbereich (15) des Strahlflecks (14) ab­ weichend von den Einfallswinkeln (α₃) der verbleibenden Bereiche (z. B. 16) des Strahlflecks (14) eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Einfallswinkels (α₂) der Laserstrah­ lung (10) im Teilbereich (15) des Strahlflecks (14) mit einer auf die Geometrie der zu bearbeitenden Fläche (13) des Werkstücks (12) abgestimmten Form des Strahlflecks (14) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem Werkstück (12) mit zylindrisch gewölb­ ter Oberfläche (13) ein mondsichelförmig gebogener Strahl­ fleck (14) parallel zur Zylinderachse (17) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer der Länge (1) des Strahlflecks (14) etwa entsprechenden Werkstückbreite (B) ein Strahlfleck (14) mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung (18) in Richtung strahltiefer gelegener Oberflächenabschnitte (19) des Werkstücks (12) erstreckt, wenn die zylindrische Werkstückoberfläche (13) konvex ge­ wölbt ist, sonst umgekehrt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer die Länge (1) des Strahlflecks (14) wesent­ lich übersteigenden Werkstückbreite (B) ein Strahlfleck (14) mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung (18) in Richtung strahlhöher gelegener Oberflächenabschnitte (19′) des Werkstücks (12) erstreckt, wenn die zylindrische Werkstückoberfläche (13) konvex ge­ wölbt ist, sonst umgekehrt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Strahlfleck (14) mit einstellbarer Länge (1) und/oder mit einstellbarer Breite (b) verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Einfallswinkels (α) der Laserstrahlung (10) im Teilbereich (15) und in den verbleibenden Berei­ chen (16) des Strahlflecks (14) durch Auswahl der Richtung (20) des betroffenen Anteils der Laserstrahlung (10) vor­ genommen wird.