Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflä
chenbehandlung von Nocken für Wellen von Kraftfahrzeugen, bei
dem ein Laserstrahl mit einem von Null abweichenden Einfalls
winkel auf die Werkstückoberfläche mit einem länglichen Strahl
fleck auftrifft und quer dazu relativbewegt wird. Dabei wird
unter Oberflächenbehandlung beispielsweise das Anlassen, Härten
oder Umschmelzen verstanden. Die genannten Wellen von Kraft
fahrzeugen sind beispielsweise Nockenwellen oder Kurbelwellen,
deren Nocken bzw. Lagersitze behandelt 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 den Nocken in zumindest einem Teilbe
reich 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 Nockens. Diese Anpassung wird durch
Beeinflussung des Laserstrahls je nach vorhandener Werkstückge
stalt erreicht. Es wird zumindest ein Teilbereich eines Strahl
flecks der Laserstrahlung ausgewählt, in dem der Einfallswinkel
der Laserstrahlung abweichend von den Einfallswinkeln der ver
bleibenden Bereiche des Strahlflecks eingestellt wird. Infolge
dessen ist die Absorption der Energie in den angesprochenen Be
reichen des Strahlflecks unterschiedlich. Durch die Wahl der
Einfallswinkel entsprechend der bekannten Abhängigkeit zwischen
Absorption und diesem Einfallswinkel für linear parallel pola
risierte Laserstrahlung kann das Werkstück so erhitzt werden,
daß unterschiedlichen Werkstückbereichen unterschiedliche Wär
memengen zugeführt werden. Beispielsweise kann ein Kantenauf
schmelzen an einem Nocken vermieden werden, indem den Kantenbe
reichen weniger Energie zugeführt wird, ohne daß dabei die Wär
mezufuhr kantenferner Bereiche herabgesetzt werden muß. Es er
gibt sich eine Qualitätsverbesserung bei hoher Prozeßgeschwin
digkeit.
Für das Einstellen der Einfallswinkel der Laserstrahlung
sind die verschiedensten Verfahrensschritte möglich. Eine we
sentliche Möglichkeit ist es, wenn die Form des Strahlflecks
auf die Geometrie der zu bearbeitenden Fläche abgestimmt wird.
Die Beeinflussung der Form des Strahlflecks ermöglicht es, auf
unterschiedlichen horizontalen Niveaus gelegene Oberflächenab
schnitte des Werkstücks zu bestrahlen. Damit ergibt sich bei
gekrümmten Werkstückoberflächen die Möglichkeit, unterschiedli
che Einfallswinkel zur Wirkung kommen zu lassen. Dabei versteht
sich, daß die Form des Strahlflecks jeweils individuell auf die
Fläche 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. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insoweit flexi
bel, als es nicht unbedingt der Formung des Strahlflecks be
darf. Vielmehr können herkömmliche Strahlflecken verwendet wer
den, welche die Bereiche unterschiedlicher Einfallswinkel der
Laserstrahlung aufweisen. Die Erzeugung der Laserstrahlung muß
dann mit quer zum Laserstrahl entsprechend geformten Optiken
erzeugt werden, um die gewünschten Einfallswinkel zu gewährlei
sten.
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 12 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 12 ohnehin seitlich, also quer zur Relativ
bewegungsrichtung 22 zwischen Laserstrahlung 10 und Werkstück
12 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 12 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 12 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, plane Oberflächen 13.
Das Werkstück 12 der Fig. 5 ist etwa so lang, wie der nicht dar
gestellte Strahlfleck, so daß sich bei einer Relativbewegung
von Laserstrahlung 10 und Werkstück 12 in Richtung 22 quer dazu
ein Wärmestau ergibt. Infolgedessen wird so verfahren, daß in
den in der Mitte des Werkstücks 12 befindlichen Bereichen 16
ein vergleichsweise großer Einfallswinkel α3 gewählt wird, wäh
rend die Einfallswinkel α2 der am Rande gelegenen Bereiche 15
demgegenüber kleiner ist. Dementsprechend ist auch die Energie
einkopplung in den Bereichen 15 geringer. Umgekehrt ist die
Neigung der Laserstrahlung 10 in dem mittleren Bereich 16 des
Werkstücks 12 der Fig. 6, das seitlich in bezug auf die Länge
des nicht dargestellten Strahlflecks unbegrenzt ist. Der Ein
fallswinkel α3 ist also kleiner als der randseitige Einfalls
winkel α2, was zu einer gleichmäßig tiefen Erhitzung des Werk
stücks 12 über die gesamte 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 in Frage: Anlas
sen, Umwandlungshärten, Umschmelzen, Legieren, Dispergieren
oder Beschichten von Außenschichten bzw. Randschichten der Noc
ken. Fehlerhafte Bearbeitungen können vermieden werden, wie
beispielsweise Kantenverrundungen infolge eines Aufschmelzens
bzw. Verdampfens von Werkstoff oder ungleichmäßige Bearbei
tungsgeometrien. Als Werkstücke kommen vornehmlich solche in
Frage, 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.