DE4139841A1

DE4139841A1 - Verfahren zur laser-umwandlungshaertung

Info

Publication number: DE4139841A1
Application number: DE4139841A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Sakamoto; Hidenobu Matsuyama; Kimihiro Shibata
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1992-06-17
Also published as: JPH04210417A; US5182433A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-Umwandlungshär tung, welches bei der Abschreckung der Oberfläche eines Werk stücks eingesetzt wird, um dessen Eigenschaften zu verbessern.

Allgemein gesprochen ist der Absorptionskoeffizient eines metallischen Materials als ein Objekt für die Laserstrahl bearbeitung klein. Daher hat es sich nach dem Stand der Tech nik als ein großes Problem herausgestellt, die Energie eines aufgestrahlten Laserstrahls wirksam auf ein Werkstück zu über tragen, um hierdurch die Temperatur des Werkstücks zu erhöhen.

Dies ist bei der Laser-Umwandlungshärtung nicht ungewöhnlich. Es wird allgemein ein Verfahren eingesetzt, bei welchem der Laserstrahl auf das Werkstück aufgestrahlt wird, nachdem ei ne Vorbehandung, wie beispielsweise das Aufbringen eines Absorbers auf die Oberfläche des Werkstücks durchgeführt wird, um den Absorptionskoeffizienten des Laserstrahls auf der Ober fläche des Werkstücks zu verbessern. Allerdings sind bei die sem Verfahren Schritte für das Aufbringen und Entfernen des Absorbers erforderlich.

Der Absorptionskoeffizient des Laserstrahls hängt von einem Einfallswinkel des Laserstrahls in bezug auf das Werkstück ab. Es ist bekannt, daß der Absorptionskoeffizient seinen Maximal wert bei dem Brewster-Winkel abhängig von dem jeweiligen Mate rial und der Wellenlänge des Laserstrahls hat.

Dies wird als der Brewster-Effekt bezeichnet. Es ist möglich, den Absorptionskoeffizienten des Laserstrahls dadurch zu er höhen, daß dieser Effekt genutzt wird, ohne eine Beschichtung des Absorbers auf der Oberfläche des Werkstücks vorzunehmen.

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten vom Einfallswinkel bei einem Kohlendioxid-Laserstrahl bei ei nem eisenhaltigen Material, welches eine verhältnismäßig glat te Oberfläche aufweist. Die durchgezogene Linie zeigt den Ab sorptionskoeffizienten des Kohlendioxid-Laserstrahls, wenn der Laserstrahl auf das Material mit einer P-Polarisation auf trifft, und die unterbrochene Linie zeigt den Absorptions koeffizienten, wenn der Laserstrahl auf das Material bei ei ner S-Polarisation auftrifft.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, weist der Absorptionskoeffizient bei der P-Polarisation seinen Maximalwert um den Einfallswin kel von 85° herum auf, wenn der Laserstrahl auf das Material bei einer P-Polarisation auftrifft. Der Maximalwert ist mehr als 10-mal so groß wie der Absorptionskoeffizient für den Fall, in welchem der Laserstrahl direkt von oben übertragen wird.

Fig. 3 zeigt, daß eine Laser-Umwandlungshärtung auf einem eisenhaltigen Material unter Verwendung des Brewster-Effekts durchgeführt wird. Fig. 4 ist ein vergrößertes Diagramm des wesentlichen Teils in Fig. 3.

In den Fig. 3 und 4 bezeichnet eine Bezugsziffer 1 ein Versuchsstück aus einem eisenhaltigen Material, welches ein Werkstück darstellt, die Bezugsziffer 2 einen Laserstrahl, die Bezugsziffer 3 eine durch Abschreckung gehärtete Schicht, R einen Einfallswinkel des Laserstrahls 2, und S eine Hori zontalebene des Werkstücks.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist das Oberflächenprofil des Werkstückes bei einer mikroskopischen Beobachtung statistisch unregelmäßig geformt. Es ist daher aus Versuchen bekannt, daß der Einfallswinkel R, der den Absorptionskoeffizienten des Laserstrahls 2 maximiert, um 79° herum liegt, also etwas ge ringer als der theoretische Wert.

Allerdings ist es bei dem konventionellen Verfahren der Laser- Umwandlungshärtung erforderlich, das Werkstück so anzuordnen, daß es in bezug auf den einfallenden Strahl um die Nähe von 90° herum geneigt ist. Daher wird die aufgestrahlte Position des Laserstrahls wesentlich durch eine geringe Lageänderung des Werkstückes geändert, welche die Lageabweichung des Laser strahls verursacht.

Aus dem gleichen Grund wird darüber hinaus die Strahlform auf der Oberfläche des Werkstücks wesentlich durch die leichte Ab weichung des Einfallswinkels auf das Werkstück geändert, und die Leistungsdichte des Laserstrahls wird ebenfalls geändert. Daher ist es verhältnismäßig schwierig, die Aufstrahlungsbe dingungen konstant zu halten, und daher läßt sich eine stabi le Laserstrahlbearbeitung nicht durchführen.

Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Lösung der voranstehen den Probleme, beispielsweise einer Lageabweichung des Laser strahls oder einer Änderung der Leistungsdichte infolge der Änderung der Strahlform.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Laser-Umwandlungshärtung, welches den Vorgang der Laser-Umwandlungshärtung stabilisie ren kann, indem ein optimaler Einfallswinkel des Laserstrahls kleiner gewählt wird als der konventionelle Wert, wodurch der zulässige Bereich für die Abweichung des Einfallswinkels so groß wie möglich gemacht wird.

Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Laser-Umwandlungshärtung zur Verfügung gestellt, welches zur Aufstrahlung eines Laserstrahls mit einer P-Pola risation auf ein Werkstück in einem Einfallswinkel auf die Oberfläche des Werkstücks von 60° oder mehr ausgebildet ist, mit folgenden Schritten:
Ausbildung mehrerer dreieckiger Stege auf einer horizontalen Ebene benachbart einer Oberfläche des Werkstückes, wobei eine erste Anzahl geneigter Oberflächen vorgesehen ist, die in ei nem ersten Winkel bezüglich der Horizontalebene geneigt sind, und eine zweite Anzahl geneigter Oberflächen vorgesehen ist, die in einem zweiten Winkel bezüglich der Horizontalebene ge neigt sind, wobei der erste Winkel kleiner als der zweite Win kel ist; und
Aufstrahlen des Lasers auf das Werkstück in dem Einfallswin kel auf die Oberfläche des Werkstücks von 65 bis 70° aus ei ner Richtung auf der Seite der zweiten Anzahl geneigter Ober flächen.

Bei diesem Verfahren zur Laser-Umwandlungshärtung beträgt der erste Winkel vorzugsweise 8 bis 12°, und der zweite Winkel be trägt vorzugsweise 28 bis 36°, die Höhe der Anzahl dreieckiger Stege beträgt vorzugsweise 8 bis 30µm, und der Abstand zwi schen der Anzahl dreieckiger Stege beträgt 50 bis 270µm.

Der Grund dafür, daß die Neigungswinkel der geneigten Oberflä chen der dreieckigen Stege, die auf der Oberfläche des Werk stücks ausgebildet werden, in den voranstehend angegebenen Bereichen festgelegt sind, liegt an folgendem.

Wenn die Neigungswinkel kleiner als die voranstehenden Werte sind, wird der erhaltene Effekt klein. Wenn andererseits die Neigungswinkel größer als die voranstehenden Werte sind, so wird das Verhältnis eines abgeschatteten Teils der Oberfläche, auf welchen der Laserstrahl nicht aufgestrahlt wird, groß, und dies führt zu einer Verringerung des Absorptionskoeffizienten.

Andererseits wurde ermittelt, daß die untere Grenze für die Höhe der Stege bei 8µm liegt. Ist die untere Grenze kleiner als 8µm, so läßt sich durch die Beugungswirkung des Laser strahls kein deutlicher Unterschied zwischen dem vorliegen den, erfindungsgemäßen Verfahren der Laser-Umwandlungshär tung und dem konventionellen Verfahren feststellen. Die Ober grenze für die Höhe der Stege wurde bei 30µm festgestellt. Ist sie größer als 30µm, so wird die Oberflächenrauhigkeit des Werkstückes vergrößert, und dies erfordert eine Nach bearbeitung des Werkstückes nach der Laser-Umwandlungshär tung.

Der Bereich für den Abstand der Stege wird so festgelegt, daß er in dem voranstehend angegebenen Bereich liegt, und zwar durch Festlegung der Höhe der Stege und der Neigungs winkel.

Da das erfindungsgemäße Verfahren zur Laser-Umwandlungshär tung die voranstehend angegebenen Merkmale aufweist, nimmt der optimale Einfallswinkel des Laserstrahls einen Wert an, der kleiner ist als der konventionelle Wert, und der zulässi ge Bereich für die Abweichung des Neigungswinkels wird ver größert. Daher werden Schwierigkeiten vermieden wie beispiels weise die Lageabweichung des Laserstrahls oder die Änderung der Leistungsdichte infolge der Änderung der Strahlform, und der Vorgang der Laser-Umwandlungshärtung wird stabilisiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell ter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm mit einer Darstellung ei ner Ausführungsform einer Laser-Umwandlungshärtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Graphen mit einer Darstellung einer Beziehung zwischen einem Einfallswinkel des Laserstrahls und einer Härtetiefe des Materials in den Fällen des er findungsgemäßen Verfahrens zur Laser-Umwandlungshär tung und des konventionellen Verfahrens der Laser Umwandlungshärtung;

Fig. 3 ein erläuterndes Diagramm mit einer Darstellung, wie die Laser-Umwandlungshärtung auf einem eisen haltigen Material unter Verwendung des Brewster Effektes durchgeführt wird;

Fig. 4 ein vergrößertes Diagramm mit einer Darstellung eines wesentlichen Teils von Fig. 3; und

Fig. 5 ein erläuterndes Diagramm mit einer Darstellung der Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von einem Einfallswinkel eines Kohlendioxid-Laserstrahls auf ein eisenhaltiges Material, welches eine verhältnis mäßig glatte Oberfläche aufweist.

Nachstehend erfolgt eine Erläuterung von Ausführungsformen des Verfahrens der Laser-Umwandlungshärtung gemäß der vorlie genden Erfindung auf der Grundlage der Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein vergrößertes Diagramm des wesentlichen Teils von Fig. 3, welcher die Leistung der Laser-Umwandlungshär tung bei dem eisenhaltigen Material unter Einsatz des Brew ster-Effektes zeigt, wenn die vorliegende Erfindung eingesetzt wird. Fig. 1 entspricht der Fig. 4 für den konventionellen Fall. Ähnlich wie in Fig. 4 bezeichnet eine Bezugsziffer 1 ein Versuchsstück aus eisenhaltigem Material, welches ein Werkstück darstellt, die Bezugsziffer 2 einen Laserstrahl, R einen Einfallswinkel des Laserstrahls 2, und S eine hori zontale Ebene des Werkstückes.

Fig. 1 erläutert den Fall, in welchem der Einfallswinkel e des Laserstrahls 2 auf 70° festgelegt wird. Eine Bezugszif fer 4 in Fig. 1 bezeichnet eine geneigte Oberfläche, die mit einem Neigungswinkel α von 10° in bezug auf die horizontale Ebene S des Werkstückes ausgebildet ist, die Bezugsziffer 5 eine geneigte Oberfläche, die mit einem Neigungswinkel β von 30° in bezug auf die horizontale Ebene S des Werkstückes aus gebildet ist, und die Bezugsziffer 6 einen dreiecksförmigen Steg.

Wie bei dieser Ausführungsform gezeigt ist, wird der Einfalls winkel 8 des Laserstrahls 2 auf 70° in bezug auf die hori zontale Ebene S des Werkstückes gesetzt, und der Laserstrahl 2 wird auf das Werkstück aus der Richtung auf der Seite der geneigten Oberfläche 5 aufgestrahlt, die einen größeren Nei gungswinkel hat. In diesem Fall wird der tatsächliche Ein fallswinkel des Laserstrahls auf die geneigte Oberfläche 4, die mit einem Neigungswinkel α von 10° in bezug auf die hori zontale Ebene S des Werkstückes gebildet ist, zu 80°, und der tatsächliche Einfallswinkel des Laserstrahls auf die ge neigte Oberfläche 5, die mit einem Neigungswinkel β von 30° ausgebildet wird, wird zu 40°.

Dies führt dazu, daß der Absorptionskoeffizient des Laser strahls 2, der auf die geneigte Oberfläche 5 auftrifft, ver ringert wird. Allerdings wird der Laserstrahl auf die geneig te Oberfläche 4 mit einem Einfallswinkel aufgestrahlt, bei welchem der Absorptionskoeffizient des Laserstrahls 2 ver größert wird. Daher läßt sich insgesamt ein Absorptionskoef fizient erreichen, der größer oder gleich dem Absorptions koeffizienten bei dem konventionellen Verfahren ist, und zwar durch einen Einfallswinkel R des Laserstrahls 2, der kleiner ist als bei dem konventionellen Verfahren.

Fig. 2 erläutert die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel und der Härtetiefe des Materials, wenn eine Laser-Umwandlungs härtung bei einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Laser-Umwandlungshärtung bzw. mit dem konventionellen Verfahren der Laser-Umwandlungs härtung durchgeführt wird. Die durchgezogene Linie zeigt den Fall für das erfindungsgemäße Verfahren, und die unterbroche ne Linie zeigt den Fall für das konventionelle Verfahren.

In diesem Fall beträgt die Ausgangsleistung des Lasers 1850 W und die Aufstrahlungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 2 be trägt 1,0 m/min.

Wie aus Fig. 2 deutlich wird, wird bei diesem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der optimale Bestrahlungswinkel um etwa 13° verringert, verglichen mit dem konventionellen Ver fahren, und es wird eine größere Härtungstiefe erreicht. Dar über hinaus wird der Bereich des Einfallswinkels, in welchem eine wirksame Härtungstiefe erreicht wird, auf mehr als das 1,5-fache vergrößert, verglichen mit dem konventionellen Ver fahren.

Eine noch bessere Wirkung wird bei der vorliegenden Erfindung in dem Bereich von Einfallswinkeln von 65 bis 68° erzielt.

Wie voranstehend erläutert wurde, werden auf der Oberfläche des Werkstückes die dreiecksförmigen Stege ausgebildet, wel che geneigte Oberflächen mit einem Neigungswinkel in bezug auf die Horizontalebene des Werkstücks von 8 bis 12° aufwei sen, und die geneigte Oberflächen mit einem Neigungswinkel von 28 bis 36° aufweisen, wobei deren Höhe h (vergleiche Fig. 1) 8 bis 30µm beträgt bei einem Abstand der Stege von 50 bis 270µm. Der Laserstrahl wird auf das Werkstück mit einem Ein fallswinkel von 65 bis 70° in bezug auf die Horizontalebene des Werkstücks von der Seite der geneigten Oberflächen aus aufgestrahlt, die einen größeren Neigungswinkel aufweisen. Daher kann der optimale Einfallswinkel des Laserstrahls klei ner gewählt werden als der konventionelle Wert. Dies führt dazu, daß es möglich wird, die Positionsabweichung des Laser strahls auf der Oberfläche des Werkstücks und die Änderung der Leistungsdichte infolge der Änderung der Strahlform we sentlich zu verringern. Daher weist die vorliegende Erfindung eine äußerst hervorragende Wirkung auf, welche die stabili sierte Laser-Umwandlungshärtung ermöglicht.

Offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Änderun gen der vorliegenden Erfindung angesichts der voranstehend erläuterten Lehre möglich. Es wird daher darauf hingewiesen, daß innerhalb des Offenbarungsgehaltes der gesamten Anmelde unterlagen die Erfindung auch anders als im einzelnen voran stehend beschrieben ausgeführt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Laser-Umwandlungshärtung mit einer Aufstrah lung eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstrahlung mit einer P-Polasisation auf ein Werkstück mit einem Einfallswinkel auf eine Oberfläche des Werkstücks von 60° oder mehr erfolgt, mit folgenden Schritten:
Ausbildung einer Anzahl dreieckiger Stege auf einer hori zontalen Ebene benachbart einer Oberfläche des Werkstücks, die eine erste Anzahl geneigter Oberflächen aufweist, die in einem ersten Winkel bezüglich der horizontalen Ebene geneigt sind, und eine zweite Anzahl geneigter Oberflächen aufweist, die in einem zweiten Winkel bezüglich der hori zontalen Ebene geneigt sind, wobei der erste Winkel klei ner als der zweite Winkel ist; und
Aufstrahlen des Lasers auf das Werkstück in einem Ein fallswinkel auf die Oberfläche des Werkstücks von 65 bis 70° aus einer Richtung auf der Seite der zweiten Anzahl geneigter Oberflächen.

2. Verfahren zur Laser-Umwandlungshärtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel 8 bis 12° be trägt, der zweite Winkel 28 bis 36° beträgt, und eine Höhe der Anzahl dreieckiger Stege 8 bis 30µm beträgt, wobei ein Abstand zwischen der Anzahl dreieckiger Stege 50 bis 270µm beträgt.

3. Verfahren zur Laser-Umwandlungshärtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel 65 bis 68° beträgt.

4. Verfahren zur Laser-Umwandlungshärtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstücks durch einen Laser bestrahlt wird, der eine Ausgangsleistung von 1850 W und eine Bestrahlungsgeschwin digkeit von 1,0 m/min aufweist.