DD242358B1

DD242358B1 - Verfahren zum abbau von temperaturueberhoehungen in der laserwaermebehandlungszone

Info

Publication number: DD242358B1
Application number: DD28221285A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Voellmar; Wolfgang Pompe; Holger Junge; Peter Burck
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-10-30
Filing date: 1985-10-30
Publication date: 1988-10-26
Also published as: DD242358A1

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das ohne großen technischen Aufwand durchführbar ist, gleichmäßige Erwärmung der Bestrahlungszone bei sinusförmiger Ablenlcfunktion ermöglicht und bei dem im Umkehrbereich der Strahlenauslenkung keine Blenden oder andere zusätzliche Vorrichtungen vorgeschaltet werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Amplitude A der Strählablenkung so eingestellt wird, daß sie in einem definierten Verhältnis zum effektiven Strahlhalbmesser R an der Werkstückoberfläche steht. Dieses Verhältnis ist eine werkstoffabhängige Größe, die durch die dimensionslose Größe aus dem Produkt von reziproker Temperaturleitfähigkeit, Ablenkfrequenz und dem Quadrat des effektiven Strahldurchmessers bestimmt wird. In der Regel gilt für Metalle die Bedingung

д 2,5 < — < 3,5 und für Keramik

1,5 < -— < 2,5.

Die Prozeßparameter Geschwindigkeit der mittleren Relativbewegung v, Strahlamplitude A, effektiver Strahlhalbmesser R sowie Oszillationsfrequenz ω sind in einem weiten Parameterfeld variierbar, wenn die dimensionslose Größe, gebildet aus dem Produkt von effektivem Strahlhalbmesser und Sinusfrequenz, dividiert durch die Vortriebsgeschwindigkeit den Zahlenwert > 10 erreicht.

Mit diesem Verfahren läßt sich ein konstanter Temperaturverlauf in vorgegebener Tiefe der Lasereinwirkzone erzielen.

Randbedingung für die vorzunehmende Wärmebehandlung ist, daß an der Werkstückoberfläche eine maximale Temperatur nicht über- und in der geforderten, technisch realisierbaren Bearbeitungstiefe die notwendige Wärmebehandlungstemperatur nicht unterschritten wird. Insbesondere kann dieses Verfahren für die Ablenkung von cco-Laserstrahlen mit einem gaußförmigen Intensitätsprofil angewendet werden.

Auch andere, nichtrotationssymmetrische Intensitätsprofile werden durch das Verfahren erfaßt, wobei hier als effektiver Strahlhalbmesser der mittlere effektive Halbmesser in Richtung der Strahlauslenkung angenommen wird.

Der wirksame Strahlquerschnitt auf der Werkstückoberfläche ist an keine bestimmte geometrische Form gebunden.

Bei Berücksichtigung der Natur des Wärmebehandlungsprozesses und der Werkstofftemperaturleitfähigkeit wird eine Mindestablenkfrequenz festgelegt. Die Vortriebsgeschwindigkeit der Wärmequelle wird so bemessen, daß die Einwirkungszeit den ablaufenden Vorgängen im Werkstoffinneren angepaßt wird.

Ein weiterer Vorzug des Verfahrens ist dadurch gegeben, daß durch zweckmäßige Fokussierung und Defokussierung des Laserstrahls und deren zeitlicher Aufeinanderfolge während der Behandlung die Absolutwerte der Temperaturverteilung im Werkstück für die Steuerung von Strukturwandlungsvorgängen bei homogener Temperaturverteilung zielgerichtet eingestellt werden können. Dadurch sind angestrebte Werkstoffeigenschaften technisch einfach realisierbar. Für ausgewählte Materialien ist durch einfache Reihenversuche die entsprechende A/R Bedingung weiter einschränkbar.

Vorteile der Erfindung sind, daß bereits die sinusförmige Strahlauslenkung mit nur einem Spiegel die geforderte Temperaturhomogenität mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet und auch mit Lasern kleinerer Ausgangsleistung ökonomisch vertretbare Flächenbestrahlungsleistungen erzielt werden können. Das Verfahren ist für alle Werkstoffe anwendbar und führt zu homogenen Wärmebehandlungsergebnissen. Das erfindungsgemäße Verfahren widerlegt damit das zitierte Vorurteil der Fachwelt und benötigt keine zusätzlichen Vorrichtungen für die Temperaturhomogenisierung.

Ausführungsbeispiele

1. Ein Kohlenstoffstahl mit nahezu eutektoider Zusammensetzung wird mit einer effektiven Laserleistung von 640 Watt bestrahlt (Ausgangsleistung 800 Watt, Reflexionskoeffizient 0,2).

Temperaturabgleich in 50 Mikrometer Tiefe zwischen Spurmitte und Auslenkungsmaximum wird erreicht bei einem Verhältnis von Strahlamplitude zu effektivem Strahlhalbmesser A/R = 3. Die Abgleichtemperatur T ist im Bereich von 100 bis 250Hz nahezu frequenzunabhängig. Die Abgleichtemperatur von 800⁰C wird eingehalten im Bereich:

effektiver Strahlhalbmesser R = 0,11 cm bei einer Vortriebsgeschwindigkeit ν = 1,5cm/sund effektivem Strahlhalbmesser R = 0,14cm bei einer Vortriebsgeschwindigkeit ν = 0,5 cm/s.

2. Ein poröser АІ₂Оз-Когрег wird mit einer effektiven Laserleistung von 320 W bestrahlt.

Temperaturabgleich in 50 μηη Tiefe zwischen Spurmitte und Auslenkungsmaximum wird erreicht bei einem Verhältnis von Strahlamplitude A zu effektivem Strahlhalbmesser A/R = 1,7. Folgende Abgleichtemperaturen wurden für die entsprechenden Strahlhalbmesser und Amplituden erreicht:

R = 0,6cm; A = 0,9cm; T = 750⁰C R = 0,35cm; A = 0,7cm; T = 1 25O⁰C

Vortriebsgeschwindigkeit des Werkstückes beträgt ν = 1,5cm/s.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abbau von Temperaturüberhöhungen in der Laserwärmebehandlungszone bei sinusförmiger Strahlablenkung bezüglich der mittleren Relativbewegung von Werkstück und Laserstrahl und Anwendung spezieller Prozeßparameter, dadurch gekennzeichnet, daß die sinusförmige Ablenkung des Laserstrahles mit nur einem Spiegel erfolgt und die Temperaturverteilung im Werkstück nach den Bedingungen

2,5 < A/R < 3,5 (I)

für Metalle

1,5 < A/R < 2,5 (II)

für Keramiken und

-^ >10 (III)

eingestellt wird, wobei A Strahlungsamplitude, R effektiver Strahihalbmesser, ω Oszillationsfrequenz und ν Geschwindigkeit der mittleren Relativbewegung bedeuten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein cw-Laserstrahl mit gaußförmigem Intensitätsprofil abgelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl mit nichtrotationssymmetrischem Intensitätsprofil abgelenkt und dabei als R der mittlere effektive Halbmesser angenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch zweckmäßige Fokussierung oder Defokussierung des Laserstrahls und deren zeitliche Aufeinanderfolge während der Behandlung die Absolutwerte der Temperaturverteilung im Werkstück für die Steuerung von Strukturwandlungsvorgängen zielgerichtet eingestellt werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laseroberflächenveredlung von Fertigbauteilen und Halbzeugen für den Maschinen-, Werkzeug- und Fahrzeugbau, für die Elektrotechnik und Elektronik. Die Anwendung ist besonders zweckmäßig, wenn gezielt und verzugsarm Oberflächen von Bauteilen oder Halbzeugen gehärtet, rekristallisiert oder erholt werden müssen und bezüglich der Eigenschaften ein homogenes Randgefüge mit hoher Oberflächenqualität gefordert wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Literatur sind Sinusstrahloszillationstechniken bekannt, die zum Erzielen von breiten Laserbehandlungszonen und damit hohen Flächenbestrahlungsleistungen Hochleistungs- cw СОг-Laser mit Ausgangsleistungen größer ein Kilowatt einsetzen. L BONELLO und A. M. H. HOWES (Heat Treatment '79, The Metals Soc. 1980,39-44) geben ein Verfahren an, das mit zwei Oszillationsspiegeln arbeitet, die zueinander orthogonal schwingen, mit 450Hz senkrecht und 120Hz in Objektbewegungsrichtung. Mit einem Hochleistungslaser mit 15 Kilowatt Ausgangsleistung wird bei einer konstanten doppelten Strahlauslenkung (in beiden Achsen 12,5mm) der Kohlenstoffstahl AIS11045 einer reinen Festphasenhärtung unterworfen. Das Verfahren erfordert einen sehr hohen technischen Aufwand und ist damit unökonomisch. Abhängigkeiten des Temperaturverlaufes in der Laserbestrahlungszone von den Größen Strahlamplitude, Sinusfrequenz und effektivem Strahldurchmesser werden nicht untersucht.

Auch sind Verfahren mit Vorrichtungen bekannt (vgl. US-Patent 3848104), die bei sinusförmiger Strahlauslenkung im Umkehrbereich bei der größten Strahlauslenkung die Laserstrahlung von Blendensystemen abfangen, um Temperaturerhöhungen zu vermeiden, so aber Energieeinbußen bis zu 50% in Kauf nehmen. Weiterhin besteht ein Vorurteil der Fachwelt (vgl. K. WISSENBACH, A. GILLNER, Laser und Optoelektronik Nr. 3/1985,291-296), wonach bei den Sinusoszillationstechniken wegen zu großer Aufenthaltsdauer der Umlenkspiegel im Umkehrbereich der Bewegung ungleichmäßige Bearbeitungstiefen entstehen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, das Verfahren ökonomischer zu gestalten, innerhalb der Bestrahlungszone gleichmäßige Bearbeitungstiefen zu erreichen und Energieverluste zu vermeiden.