DE4218903C2 - Laser-Härtungsvorrichtung - Google Patents
Laser-HärtungsvorrichtungInfo
- Publication number
- DE4218903C2 DE4218903C2 DE4218903A DE4218903A DE4218903C2 DE 4218903 C2 DE4218903 C2 DE 4218903C2 DE 4218903 A DE4218903 A DE 4218903A DE 4218903 A DE4218903 A DE 4218903A DE 4218903 C2 DE4218903 C2 DE 4218903C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- laser beam
- concave mirror
- incidence
- laser
- gas nozzle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
- B23K26/1435—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means
- B23K26/1438—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means for directional control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
- B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
- B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
- B23K26/147—Features outside the nozzle for feeding the fluid stream towards the workpiece
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
- C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Laser-Härtungsvorrichtung zum Bestrahlen und
Härten der Oberfläche eines metallischen Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche 1 und 2.
In einem Artikel "Oberflächenumwandlungshärten mit CO-Laser" von Th.
Rudlaff u. a., veröffentlicht in "Laser und Optoelektronik", 1991, Heft 1, Seite
46 bis 49, insbesondere Kapitel 2.1, wird eine derartige Vorrichtung zum
Härten mit einem polarisierten Laserstrahl unter Schutzgas beschrieben. Diese Vorrichtung
weist eine Integrationsoptik für die Umformung des Laserstrahls auf und ermöglicht
daher keine einfache Veränderung des Strahles.
Aus der US-PS 40 17 708 wird ein Verfahren zur Oberflächenhärtung einer
Bohrung in einem Werkstück beschrieben, das ebenfalls mit Hilfe eines Laserstrahls
durchgeführt wird. Bei dieser Vorrichtung wird der Laserstrahl
geformt durch eine Optik, die aus zwei zueinander senkrecht orientierten
Hohlspiegeln besteht, damit der Laserstrahl an den jeweiligen zu härtenden
Bereich leicht angepaßt werden kann.
Härtungsvorrichtungen, die unter Verwendung eines Laserstrahls arbeiten,
umfassen im allgemeinen einen optischen Mechanismus, der aus einem La
ser-Oszillator, einem reflektierenden Spiegel, einer Sammellinse und einem
Schutzgas-Zufuhrsystem zum Fernhalten von Sauerstoff von den bestrahlten
Punkten besteht.
Bevor ein zu härtender Gegenstand mit Hilfe eines Laserstrahls bestrahlt
wird, wird die Oberfläche des Gegenstandes mit einem Laser-absorbierenden
Mittel überzogen, das die Laser-Absorption verstärkt und zur Bildung einer
gleichförmig gehärteten Schicht auf dem Gegenstand führt. Nach dem Be
strahlen wird der Überzug entfernt.
Der Laser ist üblicherweise ein CO₂-Laser, und das Laser-absorbierende Mit
tel kann beispielsweise die in Tabelle 4.1 "CO₂-absorbierende Überzugsmate
rialien" auf Seite 77 des Artikels "Laser Kakou Gÿutsu" von Hiromichi Kawas
umi (Nikkan Kogyo Shinbunsha, 28. Januar 1985) gezeigten Bestandteile um
fassen.
Wenn Teile, die einem hydraulischen Druck ausgesetzt sind, etwa Teile eines
Automatikgetriebes eines Fahrzeugs, gehärtet werden sollen, ist es wünschenswert,
daß Oxid-Filme oder andere Verunreinigungen nicht auf der
Oberfläche vorhanden sind und damit eine Zerstörung der Funktion des Öls
verhindert wird. Laser-absorbierende Mittel verhindern eine derartige Oxida
tion der Oberflache des Gegenstandes, die andernfalls durch die Laserbe
strahlung hervorgerufen wurde.
Laser-absorbierende Mittel haben daher einen wünschenswerten Effekt bei
der Bildung einer harten Schicht, jedoch bedeuten die Anbringung und das
Entfernen dieser Mittel einen gewissen Aufwand, der die Kosten des Härte
verfahrens erhöht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zu
erreichen, daß die Tiefe der gehärteten Schicht ei
nes Gegenstandes gleichmäßig ist, ohne daß ein Laser-absorbierendes Mittel
verwendet wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche
1 und 2.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bildung einer gehärteten Schicht auf
einem Gegenstand durch Bestrahlen der Oberfläche des Gegenstandes arbei
tet unter Verwendung eines Laserstrahls mit einer optischen Achse und ei
ner optischen Bahn. Diese Vorrichtung umfaßt einen Oszillator zur Abgabe ei
nes Laserstrahls, der linear polarisiert ist in einer Einfallebene, die die Nor
male zu der Oberfläche des Gegenstandes und die optische Achse enthält, ei
nen ersten Hohlspiegel zum Sammeln des Laserstrahls in der Einfallebene
und einen zweiten Hohlspiegel zum Sammeln des Laserstrahls in einer Ebe
ne, die zu der Einfallebene senkrecht steht. Der erste Hohlspiegel liegt näher
an dem Oszillator in der Bahn des Laserstrahls als der zweite Hohlspiegel.
Vorteilhafterweise ist der Einfallswinkel des Laserstrahls auf der Oberfläche
des Gegenstandes nicht geringer als 60°.
Entsprechend einer ersten Ausführungsform besteht die folgende Beziehung
zwischen dem Laser-Oszillator und dem ersten Hohlspiegel:
W₀ · cos δ 2 f Θ + K (D³/f²)
In dieser Ungleichung ist D der Durchmesser des Laserstrahls, der durch
den Laser-Oszillator abgegeben wird, Θ die Divergenz des Laserstrahls, K
der Aberrations-Koeffizient des ersten Hohlspiegels, f die Brennweite des er
sten Hohlspiegels, δ der Einfallswinkel des Laserstrahls und W0 die Länge
der gehärteten Schicht, die auf der Oberfläche des Gegenstandes durch Ein
strahlen mit dem Laserstrahl gebildet wird.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird die folgende Bedingung
zwischen dem Laser-Oszillator und dem ersten Hohlspiegel hergestellt:
W₀ · sin δ 2 (2 f Θ + K (D³/f²)) · f/D
Die Laser-Härtevorrichtung umfaßt weiterhin eine Gasdüse, die einen
Schutzgasstrom auf die Oberfläche des Gegenstandes bläst und
eine Glättungseinrichtung zum Glätten des Schutzgasstromes, bei
spielsweise ein feinmaschiges Gebilde von nicht weniger als 20 Maschen pro
2,54 cm.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Gasdüse einen Schutzgaskanal,
der den Kanal zum Hindurchführen des auf die Oberfläche des Gegenstandes fallenden Laser
strahls umgibt, und der einen Auslaß aufweist, der im wesentli
chen parallel zu der Oberfläche des Gegenstandes am Ende des Schutzgaskanals
angeordnet ist.
Die Gasdüse umfaßt alternativ eine erste Gasdüse zwischen
dem Gegenstand und dem auf diesen fallenden Laserstrahl, und eine zweite
Gasdüse zwischen dem einfallenden Laserstrahl und dem von dem Gegen
stand reflektierten Laserstrahl. In diesem Falle weist die erste Gasdüse einen
Auslaß auf, der parallel zu der Ober
fläche des Gegenstandes liegt, und die zweite Gasdüse einen Auslaß aus
einer Anzahl von nebeneinander liegenden zylindrischen Teilen mit offenen
Enden. Diese offenen Enden liegen parallel zur Achse
des einfallenden Laserstrahls im Bereich zwischen der Senkrechten und dem einfallen
den Laserstrahl und im wesentlichen parallel zur Achse des reflektierten La
serstrahls im Bereich zwischen der Senkrechten und dem reflektierten Laserstrahl.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer La
serstrahl-Härtevorrichtung mit einer ersten Ausbildungsform einer
Gasdüse;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Streuung eines durch
einen Laser-Oszillator abgegebenen Laserstrahls veranschau
licht;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die die Tiefe des Brenn
punkts zeigt, wenn der Laserstrahl durch eine Sammellinse ge
sammelt wird;
Fig. 4 zeigt das Einfallen des Laserlichts auf die Oberfläche des Gegen
standes;
Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungs
form einer Gasdüse;
Fig. 6 ist ein Schnitt durch die Gasdüse in Fig. 5;
Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausfüh
rungsform einer Gasdüse;
Fig. 8 ist wiederum ein Schnitt durch diese Gasdüse.
Eine Laserstrahl-Härtevorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt ein opti
sches System mit einem Laser-Oszillator 1, einem reflektierenden Spiegel 4,
einem ersten Hohlspiegel 5 und einem zweiten schwenkbaren Hohlspiegel 6, wie in Fig. 1
gezeigt ist.
Der Laser-Oszillator 1 gibt einen polarisierten Laserstrahl 3 ab. Der Laser-Os
zillator 1 umfaßt ein Polarisationsfilter, so daß der Strahl 3 linear in einer
Ebene polarisiert wird, die die Senkrechte oder Normale 7A zu der Oberflä
che eines zu härtenden Gegenstandes 7 und die optische Achse 3A des Laser
strahles 3 einschließt. Diese Ebene soll im weiteren Verlauf als Einfallsebene
bezeichnet werden und ist in Fig. 4 dargestellt. Als Ergebnis hat der Laser
strahl 3, der durch den Laser-Oszillator abgegeben wird, elektromagnetische
Richtungsvektoren A1, A2, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Der reflektierende Spiegel 4 ist fest angeordnet und reflektiert den Laser
strahl 3 des Laser-Oszillators 1.
Die Hohlspiegel 5 und 6 werden durch Spiegelhalter 8, 9 gehalten, so daß ih
re Winkel frei eingestellt werden können. Der Hohlspiegel 5 sammelt den La
serstrahl 3 in der Einfallsebene, und der Hohlspiegel 6 sammelt den Strahl
in einer Ebene, die zu dieser senkrecht steht. Der Winkel δ zwischen der
Normalen 7A und der optischen Achse 3A ist nicht kleiner als 60°.
Der Laserstrahl weist eine hohe Richtungstreue auf. Da es sich jedoch um ei
nen Lichtstrahl handelt, ist eine gewisse Streuung aufgrund von Beugung
nicht zu vermeiden.
Selbst wenn der Laserstrahl 3, der durch den Laser-Oszillator abgegeben
wird, eine ebene Welle ist, die einen exakt parallelen Strahl am Austritts
punkt bildet, wird die Welle zu einer kugelförmigen Welle mit vorgegebener
Divergenz Θ innerhalb des Fraunhofer-Bereichs.
Bei Verwendung eines CO₂-Lasers für den Härtevorgang liegt die
Divergenz Θ im allgemeinen in der Größenordnung von einigen
mrad. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann bei einem Laserstrahl 3 mit einem
Strahldurchmesser D und einer Divergenz Θ, wenn dieser durch eine
Sammellinse 10 der Brennweise f gesammelt wird, angenommen werden,
daß der Fokusdurchmesser d₀ nach der Beugungstheorie durch die folgende
Näherungsgleichung ausgedrückt werden kann, in der K der Aberrations-Koef
fizient der Sammellinse 10 ist:
d₀ = 2 f Θ + K (D³/f²) (1)
Wie weiterhin in Fig. 4 gezeigt ist, gilt bei einem Einfallwinkel δ des Laser
strahls 3 und einer Länge der gehärteten Oberfläche W₀ folgende Beziehung:
W₀ · cos δ d₀ (2)
Aus diesen beiden Gleichungen ergibt sich für die Krümmung des Hohlspiegels 5:
W₀ · cos δ 2 f Θ + K (D³/f²) (3)
Wenn die Krümmung des Hohlspiegels 5 so gewählt wird, daß sie dieser Be
ziehung entspricht, kann eine gehärtete Schicht der Länge W0 oder einer
größeren Länge erzielt werden, wobei die optische Achse 3A des Laserstrahls
mit dem Mittelpunkt der Schicht zusammenfällt.
Wenn der Punktdurchmesser d0 des Laserstrahls größer ist als notwendig,
wird die Energiedichte unzureichend. Es ist daher vorzuziehen, den Mindest
wert von d0 so zu wählen, daß die zuvor aufgestellten Gleichungen gelten.
Die Erfinder haben die Länge der gehärteten Schicht W0 = 6 mm, den
Strahldurchmesser D = 25 mm, den Streuwinkel Θ = 2 mrad, den Aberra
tions-Koeffizienten K = 0,0187 und den Einfallwinkel δ des Laserstrahls mit
75° gewählt und eine Rechnung auf der Grundlage der Gleichung (6) durch
geführt. Daraus ergab sich eine Brennweite f <388 mm. Auf der Grundlage
dieser Berechnung wurde unter Verwendung eines Hohlspiegels mit einer Brennwei
te f = 400 mm, einer Laser-Ausgangsenergie von 2,0 kW und einer Schwenk
geschwindigkelt des Strahls von 2 m/min gehärtet. Unter diesen Bedingun
gen wurde eine zufriedenstellende Härtung erzielt. Die gehärtete Schicht
wies keine Unregelmäßigkeiten auf.
Die Krümmung des Hohlspiegels 5 kann auch wie folgt be
stimmt werden.
In Fig. 3 ist der Brennpunkt-Abstand S der Abstand zwischen zwei Punkten,
an denen die Breite des Laserstrahls 3 gleich √ ist, so daß S durch die
folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
S = 2 d₀ · f/D (4)
Daraus folgt mit Gleichung (1) und der Beziehung:
W₀ · sin δ S (5)
für die Krümmung des Hohlspiegels 5:
W₀ · sin δ 2 {2 f Θ + K (D³/f²)} · f/D (6)
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist der Laserstrahl 3 im wesentlichen ein
paralleler Strahl auf der Oberfläche des Gegenstandes 7, und der Bestrah
lungswinkel ist im wesentlichen an allen bestrahlten Punkten derselbe. Die
Energiedichte-Verteilung ist symmetrisch auf beiden Seiten der Ebene, die
die optische Achse 3A einschließt und senkrecht zur Einfallebene des Laser
strahls 3 steht. Es gibt keine Ungleichmäßigkeiten in der Tiefe der gehärte
ten Schicht und kein teilweises Schmelzen der gehärteten Oberflächen
schicht, so daß eine gleichmäßig gehärtete Schicht der gewünschten Länge
W0 gebildet wird.
Der erste Hohlspiegel 5 liegt näher an dem Laser-Oszillator 1 als der zweite
Hohlspiegel 6, bezogen auf die Bahn des Laserstrahls. Dies beruht darauf, wie
die Gleichung (4) veranschaulicht, daß bei Vergrößerung des Wertes f die
Möglichkeit besteht, einen größeren Wert für die Tiefe des Brennpunktbe
reichs S anzusetzen, so daß der Laserstrahl 3 am Einfallspunkt besser parallel
verläuft.
Die Laser-Härtevorrichtung umfaßt weiterhin eine Gasdüse 11. Die Gasdüse
11 ist mit einem Düsenkörper 11a versehen, dessen Durchmesser vom Ein
laß zum Auslaß zunimmt. Ein Metall-Maschengewebe 12 ist in Querrichtung
in der Nähe des Auslasses angeordnet und glättet den Glasstrom. Das Metall-
Maschengewebe hat eine solche Maschenweite, daß das Gewebe feiner ist als
20 Maschen pro cm.
Nachdem Schutzgas 13a, das vom Einlaß her eintritt, durch den Düsenkörper
11a geströmt ist, wird der Gasstrom durch das Maschengewebe 12 geglättet,
so daß Turbulenzen verhindert werden. Ein laminarer Strom 13b trifft somit
auf die Oberfläche des Gegenstandes 7. Dort schützt das Gas die Position, an
der eine gehärtete Schicht hergestellt wird, vor dem Zutritt von Sauerstoff.
Durch den geglätteten Schutzgasstrom 13b werden auf den Ge
genstand 7 die Härtungspositionen daher kontinuierlich abge
schirmt, so daß atmosphärische Luft und Sauerstoff nicht
zu einem zurückbleibenden Oxid-Film führen können.
Zum Zwecke des Vergleichs haben die Erfinder experimentell einen Här
tungsvorgang durchgeführt unter Verwendung des Laserstrahls 3, bei dem
ein Gegenstand 7 aus einem niedriggekohlten Stahl unter folgenden Be
dingungen angestrahlt wurde: Laser-Ausgangsleistung = 2,5 kW, Einfallwinkel
75°, Strahlabmessungen auf der Oberfläche des Gegenstandes = 6,5 x 6,5
mm, Schwenkgeschwindigkeit des Strahls 1,5 m/min.
Unter diesen Bedingungen wurde ein Vergleich durchgeführt zwischen dem
Fall, daß N2 als Gas mit einem Durchsatz von 30 l/min aus der Düse 11 zuge
führt wurde. Der Auslaß wies einen Innendurchmesser
von 30 mm auf. Das metallische Maschengewebe wies
40 Maschen pro cm auf und befand sich in einem Punkt,
der 10 mm von der Spitze des Auslasses entfernt war. Alternativ wurde der
selbe Durchsatz N2 aus einer herkömmlichen, zylindrischen Düse abgegeben.
Bei diesem Experiment wurde eine schwarze Oxid-Ablagerung auf der gehär
teten Position der Oberfläche des Gegenstandes 7 beobachtet, wenn eine
herkömmliche zylindrische Gasdüse verwendet wurde. Kein Oxidfilm und
keine andere Ablagerung zeigte sich auf der Oberfläche des Gegenstandes 7,
wenn die Gasdüse 11 mit dem metallischen Maschengewebe 12 verwendet
wurde.
Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform
der Gasdüse.
Die Gasdüse 21 ist mit einem Kanal 21a
mit rechteckigem Querschnitt versehen, der einen Laserstrahl 3 aufnimmt,
der durch einen Schutzgaskanal 21e umgeben ist. Der Kanal 21a ist derart
ausgebildet, daß die optische Achse 3A des Laserstrahls 3 in ihrer Mitte liegt,
und der Schutzgaskanal 21e ist parallel zu dem Gaskanal 21a ausgebildet.
Der Auslaß 21c
ist am Ende 21b bzw. an der Spitze der Gasdüse 21 parallel zu der Oberfläche des Gegenstandes 7 ausgebildet.
Ein metallisches Maschengewebe 21d zum Glätten des Schutzgasstroms kreuzt den
Gaskanal 21a.
Ein Gaseinlaß 21f zum Zuführen von Schutzgas in den Schutzgaskanal 21e
befindet sich auf dem äußeren Umfang der Gasdüse 21.
Die Erfinder haben wiederum versuchsweise Härtungsvorgänge durchgeführt
unter Verwendung dieser Ausführungsform. Als Gegenstand 7 wurde ein sol
cher aus niedriggekohltem Stahl verwendet. Die Gasdüse 21 ent
hielt ein Maschengewebe aus nichtrostendem Stahl mit 60 Maschen pro
cm. N2-Gas mit einem Durchsatz von 20 l/min wurde als Schutz
gas zugeführt. Diese Laserleistung betraf 2.0 kW, und die Schwenkgeschwin
digkeit des Strahls 2,0 m/min. Der Einfallwinkel δ betrug 79°. Im Gegensatz
zu dem Fall, in dem das Schutzgas mit Hilfe einer herkömmlichen zylindri
schen Düse zugeführt wurde, entstand eine gleichmäßig gehärtete Schicht
ohne erkennbares teilweises Anschmelzen.
Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich auf
die Konstruktion der Gasdüse bezieht. Bei dieser Ausführungsform werden
zwei Gasdüsen 31 und 32 verwendet, wie Fig. 8 zeigt. Die Gasdüse 31 befin
det sich zwischen dem einfallenden Strahl und der Oberfläche des Gegen
standes 7, während die Gasdüse 32 zwischen dem einfallenden Strahl und
dem von der Oberfläche des Gegenstandes 7 reflektierten Strahl angeordnet
ist.
Die Gasdüse 31 weist einen Gaskanal 31a und einen Auslaß 31c
am Ende dieses Kanals auf. Ein Einlaß 31e dient zum Zuführen von Schutzgas
zu dem Gaskanal 31. Ein offenes Ende 31b des Auslasses 31c liegt parallel zu
dem Gegenstand 7. Ein Metall-Maschengewebe 31d dient zum Glätten des
Gasstromes und ist in dem Auslaß 31c mit geringem Abstand zum
Ende 31b der Gasdüse 31 angeordnet.
Die Gasdüse 32 umfaßt einen Gaskanal 32a, einen Auslaß 32c, einen Einlaß
32e zum Einleiten von Schutzgas und einen Gaskanal 32b.
Der Auslaß 32c wird gebildet aus einer Anzahl von nebeneinander liegenden,
zylindrischen Teilen 32c1, 32c2, 32c3 mit offenen Enden 32b. Die offenen
Enden 32b liegen parallel zu der Achse 3A des auf den Ge
genstand 7 einfallenden Laserstrahls zwischen dem einfallenden Laserstrahl
und der Normalen 7A zu der Oberfläche des Gegenstandes 7, während sie
parallel zu der Achse 3a des von dem Gegenstand 7 reflektierten
Laserstrahls zwischen der Normalen 7A und dem reflektierten Laser
strahl liegen.
Die Gasdüsen 31 und 32 liegen innerhalb eines Gehäuses 33, das gemäß Fig.
7 einteilig ausgebildet ist. Ein Kanal 34 für den Laserstrahl verläuft durch das
Gehäuse 33 zwischen den Gasdüsen 31, 32.
Bei dieser Konstruktion wird Schutzgas, das durch die Einlässe 31e und
32e zugeführt wird, wenn der Laserstrahl 3 die Oberfläche des Gegenstandes
7 bestrahlt, in Richtung des Gegenstandes durch die Auslässe 31c und 32c
geblasen. Da der aus dem Auslaß 31c austretende Gasstrom durch das metalli
sche Maschengewebe 31d geglättet wird, und da der Gasstrom, der aus dem
Auslaß 32c austritt, durch die zylindrischen Teile 32c1, 32c2 geglättet wird,
vermischt sich keine Luft mit dem Schutzgas, so daß die durch den Laser
strahl bestrahlten Teile vollständig gegenüber der Luft abgeschirmt werden.
Da der Laserstrahl 3 nicht in Berührung mit dem Gehäuse 33 kommt, besteht
nicht das Risiko, daß das Gehäuse 33 durch den Laserstrahl 3 beschädigt
wird.
Im Hinblick auf diese Ausführungsform haben die Erfinder Versuche gemacht
mit einem Maschengewebe von 60 Maschen pro cm, das aus nichtrosten
dem Stahl besteht und mit 31d bezeichnet ist. Aluminiumteile in Bienenwa
ben-Konstruktion wurden als zylindrische Teile 32c1, 32c2 verwendet.
Auch hier bestand der gehärtete Gegenstand aus niedriggekohltem Stahl
in der Form einer Platte. Die Laserleistung betrug 2,0 kW, die
Schwenkgeschwindigkeit des Strahls 2,0 m/min, und der Einfallswinkel des
Laserstrahls 79°. Es entstand eine gleichförmig gehärtete Schicht ohne teil
weise Anschmelzungen.
Claims (6)
1. Laser-Härtungsvorrichtung zur Bildung einer gehärteten Schicht auf einem
Gegenstand (7) durch Bestrahlen einer Oberfläche des Gegenstandes, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Schutzgasstromes und
mit einem Oszillator (1) zum Abgeben eines in einer Einfallebene, die die Normale (7A) zu dem Gegenstand und die optische Achse (3A) des Laserstrahls enthält, linear polarisierten Laserstrahls
(3),
gekennzeichnet durch einen
ersten Hohlspiegel (5) zum Fokussieren des Laserstrahls (3) in der Einfallebene, einen
zweiten schwenkbaren Hohlspiegel (6) zum Fokussieren des Laserstrahls (3) in einer zu der Einfallsebene
senkrechten Ebene, welcher erste Hohlspiegel (5), bezogen auf die Bahn des
Laserstrahls (3), näher an dem Oszillator (1) liegt als der schwenkbare Hohlspiegel
(6), und durch die folgende Beziehung
für die Krümmung des ersten Hohlspiegels (5):
W₀ · cos δ 2 f Θ + K (D³/f²)In dieser Ungleichung ist D der Durchmesser des Laserstrahls, der durch
den Oszillator abgegeben wird, Θ die Divergenz des Laserstrahls, K der
Aberrations-Koeffizient des ersten Hohlspiegels (5), f die Brennweite des ersten
Hohlspiegels (5), δ der Einfallwinkel des Laserstrahls und W0 die Länge
der gehärteten Schicht auf der Oberfläche des Gegenstandes.
2. Laser-Härtungsvorrichtung zur Bildung einer gehärteten Schicht auf einem
Gegenstand (7) durch Bestrahlen einer Oberfläche des Gegenstandes, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Schutzgasstromes und
mit einem Oszillator (1) zum Abgeben eines in einer Einfallebene, die die Normale (7A) zu dem Gegenstand und die optische Achse (3A) des Laserstrahls enthält, linear polarisierten Laserstrahls
(3),
gekennzeichnet durch einen
ersten Hohlspiegel (5) zum Fokussieren des Laserstrahls (3) in der Einfallebene,
einen zweiten schwenkbaren Hohlspiegel (6) zum Fokussieren des Laserstrahls (3) in einer zu der Einfallsebene
senkrechten Ebene, welcher erste Hohlspiegel (5), bezogen auf die Bahn des
Laserstrahls (3), näher an dem Oszillator (1) liegt als der schwenkbare Hohlspiegel
(6), und durch die folgende Beziehung
für die Krümmung des ersten Hohlspiegels (5):
W₀ · sin δ 2 {2 f Θ + K (D³/f²)} · f/DIn dieser Ungleichung ist D der Durchmesser des Laserstrahls, der durch
den Oszillator abgegeben wird, Θ die Divergenz des Laserstrahls, K der
Aberrations-Koeffizient des ersten Hohlspiegels (5), f die Brennweite des ersten
Hohlspiegels (5), δ der Einfallwinkel des Laserstrahls und W0 die Länge
der gehärteten Schicht auf der Oberfläche des Gegenstandes.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Gasdüse
(11, 21, 31, 32), die den Schutzgasstrom auf die Oberfläche des Gegenstandes
bläst und eine Glättungseinrichtung (12, 21d, 31d, 32c) zur Glättung
des Schutzgasstroms.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungseinrichtung ein feines Maschengewebe mit einer Maschenzahl von
nicht weniger als 20 Maschen/cm umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gasdüse (11, 21) einen Kanal (21a) zum Hindurchführen des Laserstrahls in
Richtung auf die Oberfläche des Gegenstandes (7) ein Schutzgas
kanal (21e) umgibt, und daß der Schutzgas
kanal einen Auslaß aufweist,
der parallel zu der Oberfläche des Gegenstandes (7) liegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasdüse eine erste Gasdüse (31) zwischen dem Gegenstand (7)
und dem Laserstrahl (3), der auf den Gegenstand (7) fällt, und eine zweite
Gasdüse (32) umfaßt, die zwischen dem einfallenden Laserstrahl und dem reflektierten
Laserstrahl liegt, welche erste Gasdüse (31) einen Auslaß (31c)
aufweist, der parallel zu der Oberfläche
des Gegenstandes (7) liegt, und welche zweite Gasdüse (32) einen Auslaß (32c) aufweist,
der aus einer Anzahl von nebeneinander liegenden zylindrischen
Teilen (32c₁, 32c₂, 32₃) mit offenen Enden besteht, die parallel
zu der Achse (33A) des einfallenden Laserstrahls (3) im Bereich zwischen der Normalen (7A) und dem
einfallenden Laserstrahl (3) und parallel zu der Achse (3a) des von dem Gegenstand (7) reflektierten Laserstrahls im Bereich zwischen der Normalen (7A) und
dem reflektierten Laserstrahl liegen.
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13651591A JPH04362119A (ja) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | レーザ焼入れ装置 |
JP14204291A JPH04365810A (ja) | 1991-06-13 | 1991-06-13 | レーザ焼入れ用加工ヘッド |
JP14613191A JPH04371514A (ja) | 1991-06-18 | 1991-06-18 | レーザ焼入れ方法 |
JP3148800A JPH04371385A (ja) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | レーザ加工用シールドガスノズル |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4218903A1 DE4218903A1 (de) | 1992-12-10 |
DE4218903C2 true DE4218903C2 (de) | 1996-12-12 |
Family
ID=27472002
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4218903A Expired - Fee Related DE4218903C2 (de) | 1991-06-07 | 1992-06-09 | Laser-Härtungsvorrichtung |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5313042A (de) |
DE (1) | DE4218903C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10249709A1 (de) * | 2002-10-25 | 2004-05-13 | Messer Griesheim Gmbh | Anlage zum Strahlungshärten |
Families Citing this family (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT404798B (de) * | 1994-01-17 | 1999-02-25 | Fischer Gmbh | Verfahren zum härten von stahl-laufkanten für ski sowie plasmakopf zur härtung von kanten bei stahlmaterialien und vorrichtng zur härtung von kanten bei stahlmaterialien |
IL112108A (en) * | 1994-12-21 | 1998-06-15 | Laser Ind Ltd | Laser beam delivery method and system |
KR100308654B1 (ko) * | 1999-07-13 | 2001-09-26 | 마선영 | 진동을 이용한 경화 측정장치 |
DE10206082B4 (de) * | 2002-02-13 | 2004-12-09 | Ce-Sys Gmbh Ilmenau | Glas mit gehärteter Oberflächenschicht und Verfahren zu seiner Herstellung |
US7408130B2 (en) * | 2002-04-01 | 2008-08-05 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | YAG laser induced arc filler wire composite welding method and weldimg equipment |
US10029331B2 (en) * | 2009-09-14 | 2018-07-24 | Preco, Inc. | Multiple laser beam focusing head |
CN102699528A (zh) * | 2012-06-28 | 2012-10-03 | 镒生电线塑料(昆山)有限公司 | 镭射加工装置的改良结构 |
AU2014362928B2 (en) | 2013-12-13 | 2018-11-08 | International Advanced Research Centre For Powder Metallurgy And New Materials (Arci), Center For Laser Processing Of Materials | Multi-track laser surface hardening of low carbon cold rolled closely annealed (CRCA) grades of steels |
CN103934582B (zh) * | 2014-04-21 | 2017-02-15 | 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所 | 激光‑火焰复合切割方法 |
CN104668771A (zh) * | 2015-02-25 | 2015-06-03 | 昆山宝锦激光拼焊有限公司 | 一种焊接头镜片保护装置 |
DE102016215019C5 (de) * | 2016-08-11 | 2023-04-06 | Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg | Verfahren zum Laserschneiden mit optimierter Gasdynamik |
CN109266811B (zh) * | 2018-12-06 | 2023-11-14 | 淮南舜立机械有限责任公司 | 立柱油缸激光表面处理装置 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1507204A (en) * | 1974-07-12 | 1978-04-12 | Caterpillar Tractor Co | Apparatus for heat treating an internal bore in a workpiece |
DE3126953C2 (de) * | 1981-07-08 | 1983-07-21 | Arnold, Peter, Dr., 8000 München | Verfahren zur thermischen Behandlung der Oberfläche von Werkstücken mittels eines linear polarisierten Laserstrahls |
DE8405922U1 (de) * | 1984-02-27 | 1984-09-06 | Jankus, Erika, geb. Supe, 4600 Dortmund | Gaslinse für Brenner, insbesondere für WIG-Brenner |
JPH0428487A (ja) * | 1990-05-22 | 1992-01-31 | Nissan Motor Co Ltd | レーザ加熱方法 |
JPH0428488A (ja) * | 1990-05-22 | 1992-01-31 | Nissan Motor Co Ltd | レーザ加工装置 |
US5180448A (en) * | 1990-08-22 | 1993-01-19 | United Container Machinery Group, Inc. | Method of laser hardening corrugating rolls |
JPH04272122A (ja) * | 1991-02-28 | 1992-09-28 | Nissan Motor Co Ltd | レーザ加工装置 |
-
1992
- 1992-06-03 US US07/892,886 patent/US5313042A/en not_active Expired - Fee Related
- 1992-06-09 DE DE4218903A patent/DE4218903C2/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10249709A1 (de) * | 2002-10-25 | 2004-05-13 | Messer Griesheim Gmbh | Anlage zum Strahlungshärten |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4218903A1 (de) | 1992-12-10 |
US5313042A (en) | 1994-05-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE4218903C2 (de) | Laser-Härtungsvorrichtung | |
DE69316148T2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen eines Werkstoffes mit einem Laserstrahl | |
DE3036427C2 (de) | Laserstrahl-Reflexionsvorrichtung | |
EP0313594B1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum fügen mit laserstrahlung | |
EP2429755B1 (de) | Vorrichtung und verfahren zur umfangsbearbeitung eines materialstranges mittels laser | |
DE2927130A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung von oberflaechen von werkstuecken aus stahl | |
DE69831382T2 (de) | Verfahren zum schweissen von beschichteten blechen mittels eines energiestrahles wie eines laserstrahles | |
DE102018202797A1 (de) | Laserbearbeitungskopf, der zum Laser-Draht-Auftragschweißen ausgebildet ist | |
EP0450349B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Verschweissen von auf Stoss geführten Bändern mittels eines Laserstrahls | |
DE4341553C1 (de) | Vorrichtung zum Homogenisieren der Lichtverteilung eines Laserstrahles | |
DE102012208527A1 (de) | Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstückes | |
DE112018004574T5 (de) | Laserbearbeitungsmaschine | |
LU93326B1 (de) | Element zur Formung des Fokus eines Lasers | |
EP0771606B1 (de) | Strahlschweissverfahren mit Kantenverrundung | |
DE3439287C2 (de) | Lasermikrostrahlanalysiergerät | |
DE10226359A1 (de) | Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung, insbesondere zum Schneiden eines Werkstücks mittels Laserstrahl | |
DE4413158C2 (de) | Vorrichtung zum großflächigen und umweltschonenden Entfernen einer Schicht aus Lack oder Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen | |
DE3317022C2 (de) | ||
DE102019103211A1 (de) | Verfahren und System zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstahl sowie Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines zu bearbeitenden Werkstücks relativ zu einem Bearbeitungsstahl und Verwendung einer solchen | |
DE3711905C2 (de) | ||
DE3827297A1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum fuegen von werkstuecken mit laserstrahlung | |
DE3507340A1 (de) | Roentgenkollimator | |
DE4018355C2 (de) | ||
DE10157032A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln | |
DE102017103096A1 (de) | 3D-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |