DE102004059260A1

DE102004059260A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung mittels Laser

Info

Publication number: DE102004059260A1
Application number: DE102004059260A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Elsner; Rudolf Paasch
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bereichs der Oberfläche eines metallischen Bauteils mit Hilfe von Laserstrahlung, wobei die Bearbeitung mit einem Bearbeitungs-Laserstrahl durchgeführt wird, dessen Wellenlänge in einem Bereich von 2,5 mum bis 50 mum liegt. Um die Einkopplung des Laserstrahls in die Bauteiloberfläche zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass vor der Bearbeitung mit dem Bearbeitungslaserstrahl der Bereich mit einem zweiten Laserstrahl, welcher eine kürzere Wellenlänge in einem Bereich von 380 nm bis 2,5 mum aufweist, bestrahlt wird. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bereichs der Oberfläche eines metallischen Bauteils mit Hilfe von Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Oberflächenbehandlungen mit Hilfe eines Laserstrahls sind aufgrund ihrer vielfältigen Vorteile für viele Anwendungsfälle in der industriellen Produktion etabliert. Ein Laserstrahl bietet die Möglichkeit, einen lokal begrenzten Bereich der Oberfläche zu bearbeiten. Dadurch, dass die Wärmeeinbringung zeitlich und örtlich eng begrenzt erfolgt, ergibt sich nur eine geringe Wärmebelastung für die Umgebung des bearbeiteten Bereichs. Weiterhin bleibt der Verzug des Bauteils beim Abkühlen sehr gering. Insbesondere beim Härten müssen durch den Einsatz von Selbstabschreckung keine zusätzlichen Kühlmaßnahmen getroffen werden.
Soll nun die Oberfläche eines metallisches Bauteils mit Hilfe eines Laserstrahls, dessen Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich liegt, also beispielsweise der Strahlung eines CO₂-Lasers, behandelt werden, so wird ein großer Teil der Strahlung an der Oberfläche des Bauteils reflektiert, während nur ein geringer Teil der Strahlung absorbiert wird, also überhaupt in das Bauteil eindringen kann und für die Bearbeitung der Oberfläche genutzt werden kann. Dieser Effekt ist dadurch begründet, dass bei einer Strahlung dieser Wellenlänge die Absorption an der Oberfläche relativ niedrig ist. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist es beispielsweise bekannt, die Oberfläche mit einer Beschichtung zu versehen, die ihre Absorptionsfähigkeit erhöht. Dadurch wird aber ein zusätzlicher Verfahrensschritt eingeführt, was Kosten und Aufwand für die Oberflächenbearbeitung stark erhöht. Weiterhin ist eine solche Beschichtung unter Umwelt- und Kosten-Gesichtspunkten nicht optimal.

Aus der DE 40 33 166 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem neben dem CO₂-Laser, mit dem die eigentliche Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird, ein zweiter CO₂-Impulslaser eingesetzt wird. Mit diesem wird während oder direkt vor der Oberflächenbearbeitung eine Plasmawolke über dem Bauteil erzeugt, welche die Reflektivität der Bauteiloberfläche absenkt. Dieses Verfahren ist jedoch durch den Einsatz eines zusätzlichen CO₂-Laserstrahls mit hohem apparativem Aufwand verbunden. Dadurch, dass erst ein Plasma auf der Bauteiloberfläche erzeugt werden muss, muss der Laser weiterhin einen entsprechend hohen Energieeintrag in das Bauteil leisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum einfachen und kostengünstigen Bearbeiten der Oberfläche eines metallischen Bauteils mit einem Laserstrahl aus dem mittleren Infrarotbereich vorzuschlagen.

Unter mittlerem Infrarotbereich wird dabei im Folgenden der Wellenlängenbereich zwischen 2,5μm und 50μm verstanden. Im Unterschied dazu versteht man unter nahem Infrarotbereich den dem sichtbaren Bereich (380nm bis 780nm) benachbarten Wellenlängenbereich von 780nm bis 2,5μm.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Danach wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem vor der Bearbeitung der Bereich mit einem zweiten Laserstrahl, welcher eine kürzere Wellenlänge im Bereich von 380nm bis 2,5μm besitzt, bestrahlt wird.

Durch dieses Verfahren können die Vorteile von Lasern aus dem mittleren Infrarotbereich, also insbesondere die hohe Strahlqualität, die geringen Kosten und die hohen erzielbaren Leistungen effektiv für die Oberflächenbearbeitung genutzt werden, da durch die Veränderung der Oberfläche aufgrund der Vorbehandlung mit dem zweiten Laserstrahl bei der eigentlichen Bearbeitung ein hoher Energieeintrag in das Bauteil stattfinden kann. Auf diese Weise kann eine sehr effektive Prozessführung bei der Oberflächenbearbeitung erzielt werden.

Vorteilhafterweise wird der Bearbeitungs-Laserstrahl von einem CO₂-Laser emittiert. Dabei sind CO₂-Laser vor allem bei der Oberflächenbearbeitung ein bereits sehr gut erprobtes Werkzeug, welches mit relativ geringen Kosten einsetzbar ist. Das Verfahren ermöglicht so die Wegbereitung für den leistungsfähigen, mit einem hohen Wirkungsgrad ausgestatteten CO₂-Laser durch einen Laser mit besseren Einkoppeleigenschaften (Anspruch 2).

Weiterhin wird vorteilhafterweise der zweite Laserstrahl von einem Festkörper- oder Dioden-Laser emittiert. Dioden-Laser weisen dabei den Vorteil eines einfachen und kompakten Aufbaus auf. Bei beiden Lasern werden in diesem Wellenlängenbereich die Strahlen im Material des Bauteils sehr gut absorbiert. Ferner sind sowohl Dioden- als auch Festkörper-Laser industriell breit verfügbar und erprobt (Anspruch 3).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Festkörper-Laser um einen Nd-YAG-Laser. Dieser zeichnet sich durch gute Einkopplungs-Eigenschaften aus (Anspruch 4).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei der Bearbeitung der Oberfläche des Bauteils um ein Härteverfahren. Bei der Härtung der Oberfläche kommt die Kombination aus den beiden Lasertypen optimal zum Tragen. Es können sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die Qualität der bearbeiteten Oberfläche erzielt werden (Anspruch 5).

Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Bereichs der Oberfläche eines metallischen Bauteils mit Hilfe von Laserstrahlung vorgeschlagen, welche eine Laseroptik zur Lenkung und Fokussierung eines Laserstrahls im mittleren Infrarotbereich umfasst. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen zweiten in Vorschubrichtung des Bauteils vor der ersten angeordneten Laserstrahl kürzerer Wellenlänge zur Vorbehandlung des Bereichs der Oberfläche (Anspruch 6).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen sowie der Beschreibung hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bearbeitung der Oberfläche.
In der einzigen Figur ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, mit der ein Bereich 3 der Oberfläche 5 eines Bauteils 7 mit Hilfe eines Laserstrahls 9 bearbeitet werden soll. Es handelt sich dabei um ein metallisches Bauteil 7. Unter Bearbeitung kann beispielsweise eine Härtung des Bereichs 3 der Oberfläche 5 verstanden werden. Denkbar sind aber auch andere Verfahren zur Oberflächenbearbeitung in Form von Umschmelzen, Legieren oder Dispergieren, allgemein sämtliche Oberflächenbearbeitungsverfahren, bei denen Wärmeenergie in die Oberfläche 5 und eine unterhalb der Oberfläche 5 liegende Umgebung 11 eingebracht wird. Je nach Verfahren wird die Umgebung 11 dabei aufgeschmolzen (wie z.B. beim Umschmelzen) oder nur erwärmt bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur. Das erwärmte Material kühlt dann nach dem Abzug der durch den Laserstrahl 9 eingebrachten Energie aus dem Bereich 3 ab.
Mit dem Verfahren geht immer eine Gefügeveränderung einher, welche lokal verbesserte mechanische Eigenschaften des Bereichs 3 der Oberfläche 5 zur Folge hat. Verwendet werden solche Verfahren vor allem an Flächen mit örtlich begrenzter hoher Flächenbelastung, beispielsweise an Lagerstellen, Laufflächen oder Dichtflächen.
Durch die Verwendung des Laserstrahls 9 kann durch dessen hohe Strahlgualität und Leistung sehr präzise Energie eingebracht werden. Der Laserstrahl 9 wird dabei durch eine in der Vorrichtung 1 angeordnete Laseroptik 10 gelenkt und fokussiert. Besonders günstig ist hierbei die Strahlung eines CO₂-Lasers 13, deren Wellenlänge mit 10,6 μm im mittleren Infrarotbereich liegt. CO₂-Laser 13 weisen hohe Leistungen auf, die im Bereich von 1 bis 20 kW liegen. Daher kann der Oberfläche 5 sehr viel Energie in einem kurzen Zeitraum zugeführt werden, was eine hohe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bedeutet. Weiterhin ist es nur bei derart schnell eingekoppelter Wärmeenergie möglich, das Prinzip der Selbstabschreckung zu nutzen, was die Oberflächenbearbeitung mit einem Laserstrahl 9 so attraktiv macht. So kann eine effektive Prozessführung mit einem optimalen Ergebnis erreicht werden, was beispielsweise die erzielbare Härte der Oberfläche bei minimalem Wärmeeintrag angeht.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 in diesem Ausführungsbeispiel einen Vorschub 14, mit dem das Bauteil 7 während der Oberflächenbearbeitung weiter transportiert wird. Alternativ kann auch das Bauteil 7 fest stehen und der Laserstrahl 9 relativ zum Bauteil 7 bewegt werden. Durch die schnelle Einbringung hoher Energieströme in das Bauteil 7 ist eine hohe Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 9 oder des Bauteils 7 möglich.
Handelt es sich jedoch bei der zu bearbeitenden Oberfläche 5 um eine blanke Oberfläche, wie sie bei metallischen Werkstoffen wie unbehandeltem Stahl, Aluminium oder Titan üblicherweise vorliegt, so tritt bei der Verwendung eines CO₂-Lasers das Problem auf, dass ein Großteil der Strahlung in diesem Wellenlängenbereich von der Oberfläche 5 reflektiert wird und daher nicht für die Energieeinbringung verwertet werden kann.
Die Ursache für diesen Effekt liegt darin, dass in diesem Wellenlängenbereich die Reflektivität des Materials des Bauteils 7 entsprechend hoch liegt. Daher koppelt der CO₂-Laser 13 schlecht in die Oberfläche 5 des Bauteils 7 ein.
Aus diesem Grund beinhaltet die Vorrichtung 1 neben der Laseroptik 10 für den Bearbeitungs-Laserstrahl 9 einen zweiten Laserstrahl 15, mit welchem der Bereich 3 der Oberfläche 5 vor der eigentlichen Bearbeitung bestrahlt wird. Dieser zweite Laserstrahl 15 kann, wie in der Figur dargestellt, durch eine zweite Laseroptik 21 geführt und auf die Oberfläche 5 gelenkt werden. Alternativ können beide Laserstrahlen 9, 15 in der gleichen Laseroptik 10 geführt sein. Die Strahlung dieses zweiten Laserstrahls 15 besitzt eine kürzere Wellenlänge, die im sichtbaren Bereich oder im nahen Infrarotbereich liegt. Typischerweise kann als zweiter Laserstrahl 15 die Strahlung eines Festkörper-Lasers 16 oder Diodenlasers aus dem nahen Infrarot- oder sichtbaren Bereich (380nm bis 2,5μm) verwendet werden. Optiken von Festkörper-Lasern zeichnen sich durch einen einfachen und kompakten Aufbau aus und sind daher leicht in die Vorrichtung 1 zu integrieren. Ein Beispiel für einen geeigneten Festkörper-Laser 16 ist ein Nd-YAG-Laser 17, der eine Wellenlänge von 1,06μm aufweist. Ein Dioden-Laser ist selbst sehr kompakt und kann daher gegebenenfalls auch direkt integriert werden.
Während die Leistung des nahen Infrarot-Lasers oder Festkörper-Lasers 16, die typischerweise unter 6 kW beträgt, allein nicht ausreicht, um eine effektive und kostengünstige Oberflächenbearbeitung durchzuführen, ist er doch für eine Vorbehandlung der Oberfläche 5 sehr gut geeignet. Denn die Strahlung dieser Wellenlänge koppelt deutlich besser in die Oberfläche 5 des Bauteils 7 ein. Dadurch, dass der Bereich 3 der Oberfläche 5 über eine gewisse Zeitdauer der Strahlung des zweiten Laserstrahls 15 ausgesetzt ist, erwärmt er sich bereits, und die Oberfläche verfärbt sich, was als Anlassfarbe bezeichnet wird. Unter Anlassfarben, auch als Anlauffarben bezeichnet, werden durch Interferenz farbig erscheinende Oxidschichten verstanden, die sich beim Erhitzen auf blankem Metall bilden und bei steigender Temperatur allmählich dicker werden. Diese Farben dienen beim Anlassen als Maß für die Temperatur. Sie treten beispielsweise bei Stahl in folgender Reihenfolge auf: strohgelb (220 °C), purpur (260 °C), violett (280 °C), kornblumenblau (300 °C), grau (400 °C).
Durch den vorausgehenden Wärmeeintrag wird die Oberfläche 5 durch die Oxidation also gewissermaßen geschädigt. Somit ist dann der Bereich 3 wesentlich besser geeignet für die eigent liche Oberflächenbearbeitung durch den Bearbeitungs-Laserstrahl 9, da nur noch ein geringerer Teil der Strahlung des CO₂-Lasers 13 reflektiert wird. Der Laserstrahl 9 koppelt besser in die Oberfläche 5 ein, und der Wirkungsgrad und die Einhärtetiefe der Wärmebehandlung kann deutlich erhöht werden.
In diesem Ausführungsbeispiel sind Bearbeitungs-Laserstrahl 9 und zweiter Laserstrahl 15 in der gleichen Vorrichtung 1 untergebracht, und der zweite Laserstrahl 15 ist, in Vorschubrichtung 19 des Bauteils 7 gesehen, vor dem Bearbeitungs-Laserstrahl 9 angeordnet, so dass die Vorbehandlung zeitlich direkt vor der Oberflächenbearbeitung erfolgen kann. Denkbar ist auch eine beinahe gleichzeitige Einwirkung der Laserstrahlen 9, 15 auf den Bereich 3.
Nachdem der Bereich 3 aus dem Bereich der Laserstrahlung 9, 15 heraus transportiert wurde, kommt es zu einer schnellen Abkühlung mit dem gewünschten Effekt eines veränderten metallischen Gefüges, also beispielsweise eine lokal erhöhte Härte oder Zähigkeit im Bereich 3.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind nicht beschränkt auf das vorgestellte Ausführungsbeispiel.
Neben dem hier dargestellten ND-Yag-Laser 17 können auch andere Festkörper-Laser 16 zum Einsatz kommen, sofern sie Strahlung in einem geeigneten Wellenlängenbereich erzeugen. Weiterhin sind Scheiben-, Dioden- oder Faserlaser denkbar. Bei Festkörper- und Diodenlasern ist eine einfache Integration in die Vorrichtung durch die Glasfaserübetragung der Laserleistung möglich.
Weiterhin kann neben der von einem CO₂-Laser 13 emittierten Strahlung eine andere Laserstrahlung aus dem gewünschten Wel lenlängenbereich mit entsprechend hoher Leistung zum Einsatz kommen.
Die zweite Laseroptik 21 kann weiterhin, je nach Bauteil 7 und gewünschter Verfahrensführung in einer separaten, räumlich getrennten bzw. relativ zur ersten Laseroptik 10 bewegbaren Einheit angeordnet sein, was unter Umständen eine höhere Flexibilität des Verfahrens bedeutet. So kann beispielsweise die Vorbearbeitung der Oberfläche 5 durch den zweiten Laserstrahl 15 in einem größeren zeitlichen Abstand vor der Oberflächenbearbeitung durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Bereichs (3) der Oberfläche (5) eines metallischen Bauteils (7) mit Hilfe von Laserstrahlung, wobei die Bearbeitung mit einem Bearbeitungs-Laserstrahl (9) durchgeführt wird, dessen Wellenlänge in einem Bereich von 2,5μm bis 50μm liegt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bearbeitung mit dem Bearbeitungslaserstrahl (9) der Bereich (3) mit einem zweiten Laserstrahl (15), welcher eine kürzere Wellenlänge in einem Bereich von 380nm bis 2,5μm aufweist, bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl (9) von einem CO₂-Laser (13) emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (15) von einem Festkörper-Laser (16) oder einem Diodenlaser emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Festkörper-Laser (16) um einen Nd-YAG-Laser (17) handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Bearbeitung der Oberfläche (5) des Bauteils (7) um ein Härteverfahren handelt.
Vorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Bereichs (3) der Oberfläche (5) eines metallischen Bauteils (7) mit Hilfe von Laserstrahlung, welche eine Laseroptik (10) zur Lenkung und Fokussierung eines Bearbeitungs-Laserstrahls (9) mit einer Wellenlänge im Bereich von 2,5μm bis 50μm umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen zweiten, in Vorschubrichtung (19) des Bauteils (7) vor der ersten Laseroptik (10) angeordneten Laserstrahl (15) mit einer Wellenlänge im Bereich von 780nm bis 2,5μm zur Vorbehandlung des Bereichs (3) der Oberfläche (5) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (15) durch eine zweite Laseroptik (21) auf die Oberfläche (5) geführt wird.