DE10020327A1

DE10020327A1 - Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken, Schweißverfahren zum Erzeugen einer in sich geschlossenen Schweißnaht und Verfahren zum Härten metallischer Werkstücke

Info

Publication number: DE10020327A1
Application number: DE10020327A
Authority: DE
Inventors: Werner Mueller; Juergen Rapp; Klaus Spennemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-11-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (1a, 1b), insbesondere zum Härten und/oder Schweißen von Metallen, mit einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung (2a, 2b), die Laserstrahlung erzeugt, wobei der Energieeintrag der Laserstrahlung in das oder die Werkstücke (1a, 1b) zur Bearbeitung des oder der Werkstücke (1a, 1b) beiträgt oder diese bewirkt. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Laserstrahlung beim Energieeintrag in das Werkstück (1a, 1b) einen ringförmigen Fokus (3a, 3b) aufweist. DOLLAR A Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Schweißverfahren zum Erzeugen einer in sich geschlossenen Schweißnaht und ein Verfahren zum Härten metallischer Werkstücke.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Härten und/oder Schweißen von Metallen, mit einer Laserstrahl- Erzeugungsvorrichtung, die Laserstrahlung erzeugt, wobei der Energieeintrag der Laserstrahlung in das oder die Werkstücke zur Bearbeitung des oder der Werkstücke bei trägt oder diese bewirkt.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Schweiß verfahren zum Erzeugen einer in sich geschlossenen Schweißnaht und ein Verfahren zum Härten metallischer Werkstücke.

Stand der Technik

Zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Härten oder Schweißen von Metallen, werden zunehmend Laser strahl-Erzeugungsvorrichtungen eingesetzt.

Bei den gattungsgemäßen Vorrichtungen wird der durch die Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung erzeugte und auf einen Punkt fokussierte Laserstrahl zur Durchführung des Schweißvorgangs entlang der gewünschten Fügelinie ge führt. Zu diesem Zweck wird entweder das Werkstück unter dem ortsfesten Laserfokus entlang bewegt, oder der Laser strahl wird mit Hilfe einer geeigneten Optik über das fixierte Werkstück geführt. Durch den Energieeintrag der Laserstrahlung in das Werkstück wird das Material aufge schmolzen und es entsteht eine Schweißnaht. In Abhängig keit von der gewählten Laserleistung bzw. der Lichtinten sität auf der Oberfläche des Werkstücks unterscheidet man das sogenannte Tiefschweißen, bei dem die sich ergebende Schweißnaht schmal und tief ist, von dem sogenannten Wärmeleitungsschweißen, bei dem die Breite der Schweiß naht größer als die Tiefe der Schweißnaht ist.

Zum Härten von Metallen wird die Leistung der Laser strahl-Erzeugungsvorrichtung im Gegensatz zum Schweißen derart gewählt, dass sich eine Laserintensität ergibt, die unterhalb der Schwelle für das Anschmelzen des Mate rials an der Einwirkstelle liegt. Weiterhin wird zum Härten im Allgemeinen kein auf einen Punkt fokussierter Laserstrahl verwendet, sondern es wird ein Laserstrahl eingesetzt, der beispielsweise durch eine geeignete Optik aufgeweitet ist, sodass der aufgeweitete Laserstrahl den zu härtenden Bereich mit einer größeren Breite abdecken kann. Das zu härtende Material wird durch den Energieein trag der Laserstrahlung bis knapp unterhalb des entspre chenden Schmelzpunktes erwärmt. Anschließend wird das Material rasch abgekühlt, beispielsweise über die Wärme leitung aus dem Volumen des Werkstückes, wobei diese Art der Abkühlung auch als Selbstabschreckung bezeichnet wird. Durch die auf die Erwärmung folgende Abkühlung wird eine Aufhärtung im oberflächennahen Bereich unterhalb der von dem aufgeweiteten Laserstrahl überstrichenen Fläche erzielt.

Während beim Laserstrahl-Schweißen sowohl gepulste als auch kontinuierlich arbeitende Laser zum Einsatz kommen, werden zum Härten ausschließlich kontinuierlich arbeiten de Laser eingesetzt.

Bei den bekannten Vorrichtungen zum Schweißen und bei den bekannten Laserschweißverfahren kann das punktuelle Ein bringen der Energie in das Werkstück zu thermomechani schen Spannungen führen. Diese können einen signifikanten Verzug des Werkstücks verursachen, sodass gegebenenfalls eine Nachbehandlung des verzogenen Werkstücks erforder lich wird. Um eine in sich geschlossene Schweißnaht bzw. eine durchgehende Härtung zu erreichen, muss der Laser strahl bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren einen gewissen Teil der Bearbeitungszone zweimal über streichen, sodass sogenannte Überlappbereiche gebildet werden, die zweimal durch die Laserstrahlung bearbeitet werden. Durch die veränderte Oberflächenbeschaffenheit in den bereits bearbeiteten Bereichen ändert sich beim Schweißen auch die Einkopplung der Laserstrahlung in die Werkstückoberfläche. Zum Ausgleich dieses veränderten Einkopplungsverhaltens muss die Laserleistung entspre chend angepasst werden.

Beim Härten kann das nochmalige Erwärmen der Überlappbe reiche dazu führen, dass der angestrebte Härtungseffekt teilweise wieder aufgehoben wird.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, dass die Laserstrahlung bei der erfindungsgemä ßen Vorrichtung beim Energieeintrag in das Werkstück einen ringförmigen Fokus aufweist, kann die Entstehung von Überlappbereichen sowohl beim Schweißen als auch beim Härten vermieden werden, wodurch die vorstehend beschrie benen Probleme beseitigt werden.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Schweißverfahren zum Erzeugen einer in sich geschlossenen Schweißnaht die Schritte (a) Ausrichten des durch das Schweißverfahren zu bearbeitenden Werkstücks oder der durch das Schweißver fahren zu bearbeitenden Werkstücke bezüglich einer Laser strahl-Erzeugungsvorrichtung; und (b) Erzeugen einer Laserstrahlung mit einem ringförmigen Fokus, derart, dass (b1) der Energieeintrag der den ringförmigen Fokus auf weisenden Laserstrahlung die geschlossene Schweißnaht erzeugt, ohne dass eine Relativbewegung zwischen dem oder den Werkstücken und der Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung hervorgerufen wird, oder dass (b2) eine kreisförmige Relativbewegung der den ringförmigen Fokus aufweisenden Laserstrahlung und des oder der Werkstücke derart durch geführt wird, dass deren Rotationsachsen sowie die Mit telpunkte des ringförmigen Fokus und der zu erzeugenden Schweißnaht zusammenfallen, umfasst, können Überlappbe reiche ebenfalls verhindert werden. Weiterhin kann gegebenenfalls auf Einrichtungen verzichtet werden, die den auf einen Punkt fokussierten Laserstrahl bei den bekann ten Verfahren entlang der Fügelinie führen.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Härten metallischer Werkstücke die Schritte (a) Erzeugen einer Laserstrahlung mit einem ringförmigen Fokus; und (b) Überstreichen des zu härtenden Bereichs mit der den ring förmigen Fokus aufweisenden Laserstrahlung, wobei das Überstreichen durchgeführt wird, indem (b1) eine Relativ bewegung des ringförmigen Fokus und eines innerhalb von diesem angeordneten Werkstück durchgeführt wird, oder (b2) eine Veränderung des Radius des ringförmigen Fokus hervorgerufen wird, umfasst, können Überlappbereiche auch beim Härten vermieden werden, sodass insgesamt ein besse res Bearbeitungsergebnis erzielt werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit den erfin dungsgemäßen Verfahren kann die Energie durch die Verwen dung des ringförmigen Fokus gleichmäßig und simultan über den Umfang des oder der Werkstücke eingebracht werden. Dadurch kann das Auftreten von unsymmetrischer thermo mechanischer Spannungen weitgehend vermieden werden, sodass ein Verzug des Werkstücks durch den Bearbeitungs vorgang minimiert wird, was eine Nachbearbeitung des Werkstücks in vielen Fällen überflüssig macht.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der ringförmige Fokus bezüglich des oder der Werkstücke vorzugsweise derart ausgerichtet, dass sich auf dem oder den Werkstü cken eine ringförmige Intensitätsverteilung ergibt. Durch diese ringförmige Intensitätsverteilung kann beispielsweise eine durchgehende Schweißnaht gebildet werden, die über ihre gesamte Länge die gleichen Eigenschaften auf weist.

Bei einer Ausführungsform weist die Laserstrahl-Erzeu gungsvorrichtung ein ringförmiges Element auf, und es sind mehrere Diodenlaser an dem ringförmigen Element angeordnet, um den ringsförmigen Fokus zu erzeugen. Die Diodenlaser können beispielsweise durch Hochleistungsdio denlaser (HLDL) gebildet sein, wobei die einzelnen Dio denbarren bzw. -stacks bei dieser Ausführungsform so an dem ringförmigen Element angeordnet werden können, dass sich eine gleichmäßige Intensität der Laserstrahlung auf einem Werkstück ergibt, das innerhalb des ringförmigen Elements angeordnet oder durch das ringsförmige Element hindurchgeführt wird. Durch die Anzahl und/oder die Art der verwendeten Diodenlaser kann der maximal mögliche Energieeintrag in einfacher Gleise an die jeweiligen Er fordernisse angepasst werden.

Obwohl auch Ausführungsformen denkbar sind, bei denen das ringförmige Element und somit die Diodenlaser über der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordnet werden, bietet sich der Einsatz des ringförmigen Elements insbe sondere dann an, wenn das ringförmige Element dazu vorge sehen ist, das oder die Werkstücke zu umgeben. Die Ab strahlrichtung der Diodenlaser ist in diesem Fall vor zugsweise auf den Innenbereich des ringförmigen Elements gerichtet.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, dass die Form des ringförmigen Elements derart an das oder die Werkstücke angepasst ist, dass jeder Diodenlaser ungefähr den gleichen Abstand von der durch ihn zu bearbeitenden Werkstückoberfläche hat. Eine derartige Ausführungsform gewährleistet in besonders einfacher Weise, dass die Intensität der Laserstrahlung in dem Bearbeitungsbereich des Werkstücks gleichmäßig ist, sodass ein gleichmäßiger Energieeintrag erzielt werden kann.

Ebenso sind Ausführungsformen denkbar, bei denen die Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung einen kreisförmigen Laserstrahlen-Fokus erzeugt, wobei in diesem Fall strahl formende optische Elemente vorgesehen sind, die den ring förmigen Fokus erzeugen. Derartige Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft, wenn ebene Oberflächen zu bearbei ten sind, weil die Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung in diesem Fall derart oberhalb der zu bearbeitenden Werk stückoberfläche angeordnet werden kann, dass die Laser strahlung nach unten abgestrahlt wird.

Insbesondere dann, wenn die Vorrichtung zum Bearbeiten von rotationssymmetrischen Werkstücken vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, dass die Laserstrahlung beim Energie eintrag in das oder die Werkstücke einen kreisringförmi gen Fokus aufweist. In diesem Fall kann die Ringachse während der Bearbeitung des Werkstücks mit der Rotations achse desselben zusammenfallen, und zwar unabhängig da von, ob eine Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung mit mehre ren Diodenlasern oder eine Laserstrahl- Erzeugungsvorrichtung eingesetzt wird, die einen kreis förmigen Laserstrahlen-Fokus erzeugt, der über strahlfor mende optische Elemente in den ringförmigen Fokus umge setzt wird.

Die Vorrichtung kann beispielsweise derart ausgelegt werden, dass die den ringförmigen Fokus aufweisende La serstrahlung zur Rotationssymmetrieachse unter einem Winkel von ungefähr 90° einfällt, um einen ersten Werk stückabschnitt zu bearbeiten. Dieser Werkstückabschnitt kann beispielsweise durch den Umfangsbereich eines zylin derförmigen Werkstücks gebildet sein, wobei sich in die sem Fall eine Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung mit nach innen abstrahlenden Diodenlaser besonders anbietet.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die den ringförmigen Fokus aufweisende Laserstrahlung ungefähr parallel zur Rotationssymmetrieachse des Werkstücks einfällt, um einen zweiten Werkstückabschnitt zu bearbeiten. Auf diese Weise können beispielsweise die Stirnflächen eines zylinderför migen Werkstücks bearbeitet werden.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren kann der ringförmige Fokus kreisringförmig sein. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn rotationssymmetrische Werkstü cke durch das Schweißverfahren bearbeitet werden sollen.

Auch die bei dem Schweißverfahren eingesetzte Laser strahl-Erzeugungsvorrichtung kann ein ringförmiges Ele ment aufweisen, an dem mehrere Diodenlaser angeordnet sind, um den ringförmigen Fokus zu erzeugen. Zur Durch führung des Schweißverfahrens wird das Werkstück inner halb des ringförmigen Elements angeordnet, und die umlau fende Schweißnaht kann gebildet werden, ohne dass das Werkstück oder eine Optik während des Bearbeitungsvor gangs bewegt werden müssen. Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere dann an, wenn die in sich geschlossene Schweißnaht auf einer umlaufenden Oberfläche zu bilden ist.

Um eine gleichmäßige Einschweißtiefe zu erzielen, ist die Form des ringförmigen Elements vorzugsweise derart an das oder die Werkstücke angepasst, dass jeder Diodenlaser ungefähr den gleichen Abstand von der durch ihn zu bear beitenden Werkstückoberfläche aufweist.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfah ren kann weiterhin vorgesehen sein, dass die verwendete Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung einen kreisförmigen Laserstrahlen-Fokus erzeugt, und dass der ringförmige Fokus durch strahlformende optische Elemente erzeugt wird. Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere dann an, wenn die in sich geschlossene Schweißnaht auf einer ebenen Oberfläche gebildet werden soll, wobei auch in diesem Fall auf eine Bewegung des Werkstücks oder der optischen Elemente verzichtet werden kann.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Härten me tallischer Werkstücke kann der ringförmige Fokus ein kreisringförmiger Fokus sein. Auch zum Härten bietet sich ein kreisringförmiger Fokus insbesondere dann an, wenn rotationssymmetrische Werkstücke zu bearbeiten sind.

Wenn das Überstreichen des zu härtenden Bereich mit der den ringförmigen Fokus aufweisenden Laserstrahlung durch eine Relativbewegung des ringförmigen Fokus und eines innerhalb von diesem angeordneten Werkstücks durchgeführt wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn die den ringförmigen Fokus aufweisende Laserstrahlung durch eine Laser strahl-Erzeugungsvorrichtung erzeugt wird, die ein ring förmiges Element aufweist, an dem mehrere Diodenlaser angeordnet sind. Um den zu härtenden Bereich ohne Über lappung zu überstreichen, kann entweder das ringförmige Element oder das Werkstück bewegt werden, wobei auch Kombinationen von derartigen Bewegungen denkbar sind. Der Einsatz eines ringförmigen Elements bietet sich insbeson dere dann an, wenn Umfangsflächen zu härten sind, bei spielsweise die Umfangsoberfläche eines zylinderförmigen Werkstücks. Um eine gleichmäßige Härtung zu erzielen, ist die Form des ringförmigen Elements vorzugsweise derart an die Form des Werkstücks angepasst, dass jeder Diodenlaser ungefähr den gleichen Abstand von der durch ihn zu bear beitenden Werkstückoberfläche aufweist. Bei einer Bewe gung des Werkstücks und/oder des ringförmigen Elements bleibt der Abstand zwischen den Diodenlasern und den entsprechenden Werkstückoberflächenabschnitten vorzugs weise gleich, obwohl auch Fälle denkbar sind, in denen das ringförmige Element gegenüber dem Werkstück gekippt oder ungleichmäßig bewegt wird, um Bereiche mit unter schiedlichen Härtegraden herzustellen.

Wenn das Überstreichen des zu härtenden Bereichs mit der den ringförmigen Fokus aufweisenden Laserstrahlung durch eine Veränderung des Radius des ringförmigen Fokus her vorgerufen wird, erfolgt die Veränderung des Radius des ringförmigen Fokus vorzugsweise durch strahlformende optische Elemente. Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise in Fällen denkbar, in denen ebene Werk stückoberflächen zu bearbeiten sind. Da sich mit der Veränderung des Radius des ringförmigen Fokus auch der Einfallwinkel der Strahlung ändert, kann es in bestimmten Fällen sinnvoll sein, die abgegebene Laserleistung von dem jeweiligen Einfallwinkel abhängig zu machen und sie gegebenenfalls entsprechend zu steuern oder zu regeln. Soll beispielsweise ein kreisförmiger Bereich bearbeitet werden, so könnte der Radius eines kreisringförmigen Fokus stetig verkleinert werden, wobei zum Schluss theo retisch nur noch der Kreismittelpunkt zu bearbeiten ist. Es ist nachvollziehbar, dass die Intensität der auf das Werkstück auftreffenden Laserstrahlung mit einer Verklei nerung des momentanen Bearbeitungsbereichs ansteigt und beispielsweise im Bereich des Kreismittelpunktes Werte annehmen kann, die ein Aufschmelzen des Materials verur sachen, was beim Härten in der Regel gerade vermieden werden soll.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungs gemäßen Vorrichtung, wobei diese Ausfüh rungsform der Vorrichtung dazu geeignet ist, zur Durchführung der erfindungsgemä ßen Verfahren angewendet zu werden; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung, wobei auch diese Ausführungsform dazu geeignet ist, zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfah ren angewendet zu werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein rotationssymmetrisches Werkstück 1a, dessen Rotationssymmetrieachse mit A bezeichnet ist. Die Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung 2a umfasst bei dieser Ausführungsform ein ringförmiges Element 4, das im darge stellten Fall kreisringförmig ist. Nicht näher darge stellte Diodenlaser sind derart an dem ringförmigen Ele ment 4 angeordnet, dass ein ringförmiger Fokus 3a erzeugt wird, wie dies durch die radialen Pfeile angedeutet ist. Die Form des ringförmigen Elements 4 ist dabei derart an das Werkstück 1a angepasst, dass jeder Diodenlaser unge fähr den gleichen Abstand von der durch ihn zu bearbei tenden Werkstückoberfläche aufweist. Der im dargestellten Fall kreisringförmige Fokus 3a ist dazu vorgesehen, einen ersten Werkstückabschnitt 6 zu bearbeiten.

Zur Erzeugung einer in sich geschlossenen Schweißnaht kann die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wie folgt eingesetzt werden: Zunächst wird das Werkstück 1a bezüglich der Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung 2a derart ausgerichtet, dass jeder Diodenlaser ungefähr den gleichen Abstand zu der durch ihn zu bearbeitenden Werkstückoberfläche auf weist; dann wird der ringförmige Fokus derart erzeugt, dass der Energieeintrag in das Werkstück 1a die geschlos sene Schweißnaht erzeugt, ohne dass eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 1a und der Laserstrahl- Erzeugungsvorrichtung 2a hervorgerufen wird. Für derartige Schweißanwendungen kommen insbesondere Fügegeometrien mit einem Durchmesser in einem Bereich ≦ 30 mm in Frage. Die Einschweißtiefe kann dabei je nach Anwendungsfall beispielsweise bis zu 1 mm betragen. Um die notwendige Leistungsdichte auf dem Werkstück zu erzielen, muss bei einer Ringdicke (= Außenradius - Innenradius) < 1 mm beispielsweise mit einer Laserleistung von bis zu 6 kW gearbeitet werden. Da keine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 1a und der Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung 2a stattfindet, kann das Schmelzbad im Vergleich zu bekann ten Lösungen mit wesentlich weniger Dynamik ausgebildet werden, was eine glattere Schweißnaht-Oberfläche zur Folge hat.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Härten metallischer Werkstücke kann die Vorrichtung gemäß Fig. 1 beispielsweise wie folgt eingesetzt werden: Zu nächst wird eine Laserstrahlung mit einem ringförmigen Fokus 3a erzeugt; dann wird der zu härtende Bereich mir der den ringförmigen Fokus 3a aufweisenden Laserstrahlung überstrichen, indem eine Relativbewegung des ringförmigen Fokus 3a und des innerhalb von diesem angeordneten Werk stücks 1a durchgeführt wird. Die Relativbewegung kann dabei beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass das ringförmige Element 4 in Bezug auf Fig. 1 in der Verti kalrichtung bewegt wird, und zwar vorzugsweise derart, dass der Abstand der Diodenlaser zu der Werkstückoberflä che konstant bleibt. Bei dieser Vorgehensweise wird der gewünschte Umfangsbereich des Werkstücks 1a vollständig überstrichen, ohne dass Überlappungsbereiche entstehen.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungs gemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform erzeugt eine Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung 2b einen nicht dargestellten kreisförmigen Laserstrahlen-Fokus. Dieser Laserstrahlen-Fokus wird durch strahlformende optische Elemente 5 in einen ringförmigen Fokus 3b umgewandelt, wie dies durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist. Gemäß Fig. 2 wird auf diese Weise eine Stirnfläche eines zylinderförmigen Werkstücks 1b bearbeitet, und zwar in einem zweiten Werkstückabschnitt 7.

Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens beispielsweise wie folgt verwendet werden: Zunächst wird das durch das Schweißverfahren zu bearbeitende Werkstück 1b bezüglich der Laserstrahl- Erzeugungsvorrichtung 2b ausgerichtet, wobei die strahl formenden optischen Elemente 5 derart eingestellt werden, dass der Radius des in diesem Fall kreisringförmigen Fokus 3b dem Radius der zu bildenden in sich geschlosse nen Schweißnaht entspricht; dann wird die Laserstrahlung mit einem ringförmigen Fokus derart erzeugt, dass der Energieeintrag der den ringförmigen Fokus 3b aufweisenden Laserstrahlung die geschlossene Schweißnaht erzeugt, ohne dass eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 1b und der Laserstrahl-Erzeugungsvorrichtung 2b oder eine weite re Betätigung der strahlformenden optischen Elemente 5 hervorgerufen wird. Die Eigenschaften der Schweißnaht entsprechen den im Zusammenhang mit Fig. 1 angegebenen Eigenschaften, sodass auf eine erneute Beschreibung ver zichtet wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Härten metallischer Werkstücke kann die in Fig. 2 darge stellte Vorrichtung beispielsweise wie folgt verwendet werden: Zunächst wird die Laserstrahlung mit einem in diesem Fall kreisringförmigen Fokus 3b erzeugt, wobei der Radius des kreisringförmigen Fokus 3b zu Beginn der Bear beitung beispielsweise dem Radius der Stirnfläche des zylinderförmigen Werkstücks 1b entsprechen kann. Dann wird der zu härtende Bereich mit der den ringförmigen Fokus 3b aufweisenden Laserstrahlung überstrichen, indem der Radius des ringförmigen Fokus 3b verringert wird, bis die gesamte Stirnfläche des Werkstücks 1b überstrichen wurde. Wie bereits erwähnt, können dabei Maßnahmen sinn voll sein, die gewährleisten, dass die Intensität pro Flächeneinheit gleich bleibt. Durch das Überstreichen der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche mittels Veränderung des Radius des ringförmigen Fokus 3b kann die gesamte Fläche in einem Arbeitsgang überstrichen werden, und es entstehen keine Überlappungsbereiche, die die zu Beginn genannten Nacheile aufweisen würden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfin dung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombi nation für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (1a, 1b), insbesondere zum Härten und/oder Schweißen von Metallen, mit einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung (2a, 2b), die Laserstrahlung erzeugt, wobei der Energieeintrag der Laserstrahlung in das oder die Werkstücke (1a, 1b) zur Bearbeitung des oder der Werkstücke (1a, 1b) beiträgt oder diese bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser strahlung beim Energieeintrag in das Werkstück (1a, 1b) einen ringförmigen Fokus (3a, 3b) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Fokus (3a, 3b) bezüglich des oder der Werkstücke (1a, 1b) derart ausgerichtet ist, dass sich auf dem oder den Werkstücken (1a, 1b) eine ringförmige Inten sitätsverteilung ergibt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlerzeugungs vorrichtung (2a) ein ringförmiges Element (4) aufweist, und dass mehrere Diodenlaser an dem ringförmigen Element (4) angeordnet sind, um den ringförmigen Fokus (3a) zu erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (4) dazu vorgesehen ist das oder die Werkstücke (1a) zu umge ben.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des ringförmigen Elements (4) derart an das oder die Werkstücke (1a) ange passt ist, dass jeder Diodenlaser ungefähr den gleichen Abstand von der durch ihn zu bearbeitenden Werkstückober fläche hat.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlerzeugungs vorrichtung (2b) einen kreisförmigen Laserstrahlen-Fokus erzeugt, und dass strahlformende optische Elemente (5) vorgesehen sind, die den ringförmigen Fokus (3b) erzeu gen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Bearbei ten von rotationssymmetrischen Werkstücken (1a, 1b) vorge sehen ist, und dass die Laserstrahlung beim Energieein trag in das oder die Werkstücke (1a, 1b) einen kreisring förmigen Fokus (3a, 3b) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den ringförmigen Fokus (3a) aufweisende Laserstrahlung zur Rotationssymmetrie achse (A) unter einem Winkel von ungefähr 90° einfällt, um einen ersten Werkstückabschnitt (6) zu bearbeiten.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, dass die den ringförmigen Fokus (3b) aufweisende Laserstrahlung ungefähr parallel zur Rotationssymmetrieachse (A) einfällt, um einen zweiten Werkstückabschnitt (7) zu bearbeiten.

10. Schweißverfahren zum Erzeugen einer in sich geschlos senen Schweißnaht, mit den folgenden Schritten:

a) Ausrichten des durch das Schweißverfahren zu bearbei tenden Werkstücks (1a, 1b) oder der durch das Schweiß verfahren zu bearbeitenden Werkstücke (1a, 1b) bezüg lich einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung (2a, 2b);
b) Erzeugen einer Laserstrahlung mit einem ringförmigen Fokus (3a, 3b) derart, dass
- 1. der Energieeintrag der den ringförmigen Fokus (3a, 3b) aufweisenden Laserstrahlung die ge schlossene Schweißnaht erzeugt, ohne dass eine Relativbewegung zwischen dem oder den Werkstü cken (1a, 1b) und der Laserstrahlerzeugungsvor richtung hervorgerufen wird, oder dass
- 2. eine kreisförmige Relativbewegung der den ring förmigen Fokus aufweisenden Laserstrahlung und des oder der Werkstücke derart durchgeführt wird, dass deren Rotationsachsen sowie die Mit telpunkte des ringförmigen Fokus und der zu er zeugenden Schweißnaht zusammenfallen.

11. Schweißverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, dass der ringförmige Fokus ein kreisringförmi ger Fokus (3a, 3b) ist.

12. Schweißverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Laserstrahlerzeu gungsvorrichtung (2a) ein ringförmiges Element (4) auf weist, an dem mehrere Diodenlaser angeordnet sind, um den ringförmigen Fokus (3a) zu erzeugen.

13. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des ringförmigen Elements (4) derart an das oder die Werkstücke (1a) ange passt wird, dass jeder Diodenlaser ungefähr den gleichen Abstand von der durch ihn zu bearbeitenden Werkstückober fläche hat.

14. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Laserstrah lerzeugungsvorrichtung (2b) einen kreisförmigen Laser strahlen-Fokus erzeugt, und dass der ringförmige Fokus (3b) durch strahlformende optische Elemente (5) erzeugt wird.

15. Verfahren zum Härten metallischer Werkstücke (1a, 1b), mit den folgenden Schritten:

a) Erzeugen einer Laserstrahlung mit einem ringförmigen Fokus (3a, 3b);
b) Überstreichen des zu härtenden Bereichs mit der den ringförmigen Fokus (3a, 3b) aufweisenden Laserstrah lung, wobei das Überstreichen durchgeführt wird indem
- 1. eine Relativbewegung des ringförmigen Fokus (3a) und eines innerhalb von diesem angeordneten Werkstücks (1a) durchgeführt wird oder
- 2. eine Veränderung des Radius des ringförmigen Fo kus (3b) hervorgerufen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Fokus ein kreisringförmiger Fokus ist (3a, 3b).

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16 bei dem das Über streichen des zu härtenden Bereichs mit der den ringför migen Fokus (3a) aufweisenden Laserstrahlung durch eine Relativbewegung des ringförmigen Fokus (3a) und eines innerhalb von diesem angeordneten Werkstücks (1a) durch geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die den ring förmigen Fokus (3a) aufweisende Laserstrahlung durch eine Laserstrahlerzeugungsvorrichtung (2a) erzeugt wird, die ein ringförmiges Element (4) aufweist, an dem mehrere Diodenlaser angeordnet sind.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des ringförmigen Elements (4) derart an die Form des Werkstücks (1a) angepasst wird, dass jeder Diodenlaser ungefähr den gleichen Ab stand von der durch ihn zu bearbeitenden Werkstückober fläche hat.

19. Verfahren nach Anspruch 15 bis 18 bei dem das Über streichen des zu härtenden Bereichs mit der den ringför migen Fokus (5b) aufweisenden Laserstrahlung durch eine Veränderung des Radius des ringförmigen Fokus (3b) her vorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verän derung des Radius des ringförmigen Fokus (3b) durch strahlenformende optische Elemente (5) erfolgt.