DE10118291A1

DE10118291A1 - Vorrichtung zum Laser-Belichten einer Fläche von metalischen Werkstücken und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10118291A1
Application number: DE10118291A
Authority: DE
Inventors: Edgar Stengel
Original assignee: Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: DE10118291C2; DE10118291C5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laser-Belichten einer Fläche (2) von metallischen Werkstücken, mit einem Umlenkspiegel (10) und mit einer Laserstrahlquelle, die einen auf den Umlenkspiegel (10) gerichteten und an der Reflektionsfläche (11) des Umlenkspiegels (10) umgelenkten Laserstrahl (Se) abgibt, die Reflektionsfläche in bezug auf die zu belichtende Fläche (2) derart ausgerichtet ist, daß der an ihr umgelenkte Laserstrahl (Sa) die zu belichtende Fläche (2) unter einem von 90 DEG abweichenden Winkel (gamma) trifft. Bei einer solchen Vorrichtung ist die Lebensdauer insbesondere des Umlenkspiegels dadurch erhöht, daß die Reflektionsfläche in bezug auf die zu belichtende Fläche (2) derart ausgerichtet ist, daß der an ihr umgelenkte Laserstrahl (Sa) die zu belichtende Fläche (2) unter einem von 90 DEG abweichenden Winkel (gamma) trifft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laser- Belichten einer Fläche von metallischen Werkstücken, mit einem Umlenkspiegel und mit einer Laserstrahlquelle, die einen auf den Umlenkspiegel gerichteten und an der Reflektionsfläche des Umlenkspiegels umgelenkten Laserstrahl abgibt. Solche Vorrichtungen werden beispielsweise beim Härten oder beim Auflegieren von Laufflächen der Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren eingesetzt.

Eine aus der DE 197 11 232 C1 bekannte Vorrichtung zum Laserbelichten der Laufflächen von Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren weist einen zylindrisch ausgebildeten Halter auf, der in die zu behandelnde Zylinderbohrung gesenkt wird, so daß seine Längsachse parallel zur zu härtenden Innenfläche der Bohrung ausgerichtet ist. In den Halter sind achsparallel zu seiner Längsachse eine Einfallbohrung und eine Absaugbohrung eingeformt. Zusätzlich ist eine Ausfallbohrung in den Halter eingeformt, die rechtwinklig zu dessen Längsachse ausgerichtet ist. In ihrem Verlauf schneidet sie die Absaugbohrung und geht an ihrem einen Ende in die Einfallbohrung über. Das andere Ende der Ausfallbohrung mündet in einer Austrittsöffnung auf der Umfangsfläche des Halters. An der Übergangsstelle von Einfall- und Ausfallbohrung ist ein Umlenkspiegel so angeordnet, daß seine Reflektionsfläche bezogen auf die Mittelachse des einfallenden Laserstrahls in einem Winkel von 45° ausgerichtet ist. Der auf die Reflektionsfläche treffende Laserstrahl wird auf diese Weise im rechten Winkel in die Ausfallbohrung gelenkt und trifft so senkrecht auf die zu belichtende Zylinderfläche.

Durch die bei der bekannten Vorrichtung gewählte Ausrichtung des Laserstrahls ist eine optimale Ausbeute der auf die zu belichtenden Fläche gelangenden Laserenergie sichergestellt. Diese führt zu einer intensiven, örtlich exakt begrenzten Erwärmung der zu bearbeitenden Fläche, so daß das jeweils gewünschte Behandlungsergebnis ebenso sicher erreicht wird.

Infolge der starken, kurzfristigen Erwärmung entsteht im Bereich der jeweils erwärmten Fläche eine Plasmawolke, die über die Absaugbohrung abgesaugt wird. Praktische Erfahrungen zeigen jedoch, daß das Aufschmelzen der vom Laserstrahl erwärmten Fläche so plötzlich erfolgt, daß geschmolzene Partikel, ohne vom Absaugstrom erfaßt zu werden, in Richtung des Umlenkspiegels geschleudert werden. Die mit hoher kinetischer Energie auf den Spiegel treffenden Partikel brennen sich in die Reflektionsfläche ein, die infolgedessen schon nach kurzer Einsatzdauer unbrauchbar wird.

Der Versuch, das Auftreffen von geschmolzenen Partikeln auf den Umlenkspiegel durch eine Erhöhung der Absaugleistung zu verhindern, scheiterte an den eng begrenzten räumlichen Verhältnissen, die insbesondere beim Laserbelichten der Innenflächen von Bohrungen gegeben sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik eine Vorrichtung zum Laserbelichten zu schaffen, bei der die Lebensdauer insbesondere des Umlenkspiegels erhöht ist.

Bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Reflektionsfläche in bezug auf die zu belichtende Fläche derart ausgerichtet ist, daß der an ihr umgelenkte Laserstrahl die zu belichtende Fläche unter einem von 90° abweichenden Winkel trifft.

Eine besonders praxisgerechte, für die Behandlung von ebenen oder zylindrisch gewölbten Flächen, wie beispielsweise die Innenflächen von Zylinderbohrungen, geeignete Ausgestaltung der Erfindung ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Umlenkspiegel gerichtete Laserstrahl im wesentlichen parallel zur zu belichtenden Fläche ausgerichtet ist und die Reflektionsfläche des Umlenkspiegels derart ausgerichtet ist, daß zwischen der Mittelachse des auf die Reflektionsfläche treffenden Laserstrahls und der Mittelachse des von der Reflektionsfläche des Umlenkspiegels auf die zu belichtende Fläche reflektierten Laserstrahls ein Winkel eingeschlossen ist, der größer als 90° ist, insbesondere mehr als 90° bis weniger 135° beträgt.

Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ist der Laserstrahl gezielt so geführt, daß er in einer von der senkrechten Ausrichtung abweichenden Richtung auf die zu behandelnde Fläche fällt. Auf diese Weise liegt der Punkt, in der die Mittelachse des Laserstrahls die zu behandelnde Fläche trifft, in einer Ebene, die bezogen auf die Mittelachse des einfallenden Laserstrahls beabstandet zu der Ebene angeordnet ist, in welcher der Laserstrahl bei senkrechter Ausrichtung die zu behandelnde Fläche treffen würde. Infolge der plötzlichen intensiven Erwärmung entstehendes Plasma und geschmolzene, von der erwärmten Fläche abplatzende Partikel können so den Umlenkspiegel nicht mehr erreichen, sondern verbleiben in einem Bereich, in dem sie ohne Schaden anzurichten vom Absaugstrom erfaßt und abgeführt werden können. Auf diese Weise ist mit einfachen Mitteln die Gefahr einer vorzeitigen Beschädigung des Umlenkspiegels auf ein Minimum reduziert und einhergehend damit die Lebensdauer einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen zum Laserbelichten deutlich erhöht.

Eine optimale Abstimmung der Wirkung des Laserstrahls bei gleichzeitig minimierter Gefahr der Beschädigung des Umlenkspiegels durch sich bei der Behandlung bildendes Plasma wird erreicht, wenn der eingeschlossene Winkel zwischen dem einfallenden und dem am Umlenkspiegel umgelenkten Laserstrahl < 90° bis 130° beträgt.

Erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtungen eignen sich insbesondere zum UV-Belichten von Laufflächen von Zylinderbohrungen, die einer Gleitbeanspruchung unterliegen. So lassen sich solche Vorrichtungen mit hoher Leistung und Standzeit bevorzugt zum Laserbelichten der Umfangsflächen von Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren einsetzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden im Zusammenhang mit dem nachfolgend anhand einer Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt im Längsschnitt eine Vorrichtung 1 zum Laserbelichten der Laufflächen 2 einer Zylinderbohrung 3, die in einem weiter nicht dargestellten Motorblock eingeformt ist. Die Vorrichtung 1 weist einen zylindrisch ausgebildeten, zum Belichten der Fläche 2 in seiner Längsrichtung parallel zur Fläche 2 verstellbaren Halter 4 auf, dessen Außendurchmesser bis auf ein für die freie Beweglichkeit des Halters 4 in der Zylinderbohrung 3 erforderliches Untermaß dem Innendurchmesser der Zylinderbohrung 3 entspricht.

In die eine Hälfte des Halters 4 ist eine achsparallel und beabstandet zu dessen Längsachse L des Halters 4 verlaufende Einfallbohrung 5 eingeformt. Eine ebenso achsparallel und beabstandet zur Längsachse L verlaufende Absaugbohrung 6 ist in die andere Hälfte des Halters eingeformt. Die Einfallbohrung 5 endet dabei mit kurzem Abstand oberhalb der unteren, freien Stirnfläche 7 des Halters 4. Die Absaugbohrung 6 ist demgegenüber durch den Halter 4 bis zur Stirnfläche 7 geführt, auf der sie in einer kombinierten Absaug- und Austrittsöffnung 8 mündet.

Vom Ende der Einfallbohrung 5 im Halter 4 verläuft eine Ausfallbohrung 9 schräg nach unten zur Absaug- und Austrittsöffnung 8.

Gegenüber der Mündung der Ausfallbohrung 9 ist am Ende der Einfallbohrung 5 ein Umlenkspiegel 10 angeordnet. Die ebene, rechtwinklig ausgebildete Reflektionsfläche 11 des Umlenkspiegels 10 ist in einem Winkel α von ca. 32° schräg gegenüber der Vertikalebene angeordnet, in der der untere Rand der Reflektionsfläche 11 verläuft. Aufgrund der seitlich gegenüber der Längsachse L des Halters 4 versetzten Anordnung weist der Umlenkspiegel 10 einen gegenüber einer bezogen auf die Längsachse L konzentrischen Anordnung größeren seitlichen Abstand zu der zu behandelnden Fläche 2 auf.

Ein von einer nicht dargestellten Laserquelle erzeugter Laserstrahl Se wird erforderlichenfalls über mehrere Spiegel umgelenkt in vertikaler Richtung von oben in die Einfallsbohrung 5 derart geleitet, daß seine Mittelachse im wesentlichen mit der Längsachse der Einfallsbohrung 5 übereinstimmt. An der Reflektionsfläche 11 des Umlenkspiegels 10 wird der einfallende Laserstrahl Se in die Ausfallbohrung 9 umgelenkt. Der an der Reflektionsfläche 11 umgelenkte Laserstrahl Sa tritt aus der Absaug- und Austrittsöffnung 8 aus und trifft in einem ringförmig umlaufenden Behandlungsbereich B unter einem weniger als 90° betragenden Winkel γ auf die zu belichtende Fläche 2. Der dabei zwischen der Mittelachse des einfallenden Laserstrahls Se und der Mittelachse des aus dem Halter 4 austretenden und auf die zu behandelnde Fläche 2 fallenden Laserstrahls Sa eingeschlossene Winkel β beträgt ca. 122°.

Auf diese Weise liegt der Behandlungsbereich B in Längsrichtung des Halters 4 versetzt unterhalb der unteren freien Stirnfläche 7 des Halters 4. Die infolge der starken Erwärmung im Behandlungsbereich B entstehende Plasmawolke P bildet sich so unterhalb des Bereichs, in dem der Umlenkspiegel 10 angeordnet ist. Dabei ist durch die zylindrische, in Längsrichtung geradlinig verlaufende Form der zu belichtenden Fläche 2 die Richtung, mit der sich die Plasmawolke P verteilt, so bestimmt, daß sich die Plasmawolke P gemeinsam mit von der behandelten Fläche 2 sich ablösenden Partikel im freien Bereich unterhalb des Halters 4 verteilt. Dort wird sie vom über die Absaugbohrung 9 abgesaugten Luftstrom erfaßt, ohne den Umlenkspiegel 10 zu erreichen.

Sowohl durch die gegenüber der Längsachse L des Halters seitlich versetzte Anordnung der Einfallbohrung 5 und damit einhergehend des Umlenkspiegels 10 als auch durch die schräge Umlenkung des auf die zu behandelnde Fläche 2 fallenden Laserstrahls Sa ist der Abstand zwischen dem Ort der Entstehung des Plasmas P so groß, daß die Gefahr eines Auftreffens von geschmolzenen Partikeln auf die Umlenkfläche 11 des Umlenkspiegels minimiert ist. Dabei sorgt die Anordnung der Absaug- und Austrittsöffnung 8 an der unteren freien Stirnseite 7 des Halters 4 für einen zusätzlichen Schutz des Umlenkspiegels 10, indem der unterhalb des Halters 4 vorhandene Raum für die Verteilung des Plasmas genutzt wird.

Während der Laserbelichtung der Flächen 2 führt der Halter 4 keine Rotation aus. Statt dessen rotiert der weiter nicht dargestellte Motorblock, in dem die Zylinderbohrung 3 eingeformt ist, um die Längsachse L des Halters 4. Nach der Belichtung des von dem aus dem Halter 4 austretenden Laserstrahls Sa erfaßten Behandlungsbereichs B der zu belichtenden Fläche 4 wird der Halter 4 parallel zur zu belichtenden Fläche 2 verstellt und der nächste Belichtungsvorgang durchgeführt.

Indem der Motorblock um den während der Belichtung stillstehenden Halter 4 rotiert, können einerseits auf einfache Weise die Vorteile zur Längsachse L beabstandeten Anordnung der Einfallbohrung 5 genutzt werden. Andererseits läßt sich bei stillstehendem Halter 4 der Laserstrahl Sa besonders präzise auf die zu behandelnde Fläche 2 ausrichten, so daß ein optimales Arbeitsergebnis erhalten wird.

Selbstverständlich läßt sich die Erfindung jedoch auch bei solchen Vorrichtungen einsetzen, bei denen mit einem rotierenden Umlenkspiegel gearbeitet wird. Bei solchen Vorrichtungen ist die Einfallbohrung in der Regel koaxial zur Längsachse des rotierend angetrieben Halters ausgerichtet, so daß die schräg gestellte Reflektionsfläche des Umlenkspiegels mit um die Längsachse des Halters rotiert.

BEZUGSZEICHEN

1

Vorrichtung zum Laser-Belichten

2

Laufflächen

3

Zylinderbohrung

4

Halter

5

Einfallbohrung

6

Absaugbohrung

7

Stirnfläche

8

kombinierte Absaug- und Austrittsöffnung

9

Ausfallbohrung

10

Umlenkspiegel

11

Reflektionsfläche
α, β, γ Winkel
B Behandlungsbereich
L Längsachse des Halters

4

P Plasmawolke
Se einfallender Laserstrahl
Sa Laserstrahl

Claims

1. Vorrichtung zum Laser-Belichten einer Fläche (2) von metallischen Werkstücken, mit einem Umlenkspiegel (10) und mit einer Laserstrahlquelle, die einen auf den Umlenkspiegel (10) gerichteten und an der Reflektionsfläche (11) des Umlenkspiegels (10) umgelenkten Laserstrahl (Se) abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsfläche in bezug auf die zu belichtende Fläche (2) derart ausgerichtet ist, daß der an ihr umgelenkte Laserstrahl (Sa) die zu belichtende Fläche (2) unter einem von 90° abweichenden Winkel (γ) trifft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Umlenkspiegel (10) gerichtete Laserstrahl (Se) im wesentlichen parallel zur zu belichtenden Fläche (2) ausgerichtet ist und die Reflektionsfläche (11) des Umlenkspiegels (10) derart ausgerichtet ist, daß zwischen der Mittelachse des auf die Reflektionsfläche (11) treffenden Laserstrahls (Se) und der Mittelachse des von der Reflektionsfläche (11) des Umlenkspiegels (10) auf die zu belichtende Fläche (2) reflektierten Laserstrahls (Sa) ein Winkel (β) eingeschlossen ist, der größer als 90° ist, insbesondere < 90° bis < 135° beträgt.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (10) von einem Halter (4) gehalten ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) eine Einfallbohrung (5), durch die der einfallende Laserstrahl (Se) auf den Umlenkspiegel (10) gerichtet ist, eine Absaugbohrung (6) zum Absaugen von während des Laserbeschichtens entstehenden Partikeln und Gasen und eine Austrittsöffnung (8) aufweist, über die der auf die zu belichtende Fläche (2) fallende Laserstrahl (Sa) aus dem Halter (4) austritt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallbohrung (5) und die Absaugbohrung (6) achsparallel zueinander ausgerichtet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallbohrung (5) und die Absaugbohrung (6) achsparallel und beabstandet zur Längsachse (L) des Halters (4) ausgerichtet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugbohrung (6) bis zu einer an einer freien Stirnfläche (7) des Halters (4) ausgebildeten Absaugöffnung (8) geführt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (8) für den Laserstrahl (Sa) an der freien Stirnfläche (7) des Halters (8) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugöffnung (8) und die Austrittsöffnung (8) zusammenfallen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) um eine Drehachse (L) rotierbar gelagert und mit einem Drehantrieb verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) eine zylindrische Form besitzt.

12. Verwendung einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildeten Vorrichtung (1) zum Laserbelichten der Umfangsflächen von Zylinderbohrungen (3) von Verbrennungsmotoren.