DE102009054394B4 - Method for the defined modification of surfaces of a workpiece - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur definierten Modifizierung von Oberflächen eines Werkstücks, das aus einem bei Umgebungsbedingungen an der Oberfläche Oxidschichten bildenden metallischen Werkstoff gebildet ist, bei dem zumindest ein Bereich der Oberfläche eines Werkstücks mit von einer Laserlichtquelle in gepulster Form emittierter Laserstrahlung bestrahlt wird, um dabei an der Oberfläche vorhandene organische und anorganische Verunreinigungen oder eine solche Schicht durch Ablation zu entfernen und im Anschluss daran auf den so behandelten Bereich der Oberfläche von einer im cw-Mode betriebenen Laserlichtquelle mit Laserstrahlung in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung so zu bestrahlen, dass an der Oberfläche eine Temperatur von mindestens 250°C und maximal der Schmelztemperatur des metallischen Werkstoffs erreicht oder eingehalten wird und dabei eine definierte Oxidschicht auf der Oberfläche ausgebildet wird; wobei die Leistungsdichte im Brennfleck der gepulsten Laserstrahlung zur Entfernung der organischen und anorganischen Verunreinigungen oder einer Schicht größer als bei der kontinuierlichen Bestrahlung im cw-Mode ist und dabei der...A method for the defined modification of surfaces of a workpiece, which is formed from a metallic material forming oxide layers at ambient conditions, wherein at least a portion of the surface of a workpiece is irradiated with laser radiation emitted by a laser light source in pulsed form to thereby on the surface Remove existing organic and inorganic impurities or such a layer by ablation and then irradiate it on the thus treated area of the surface of a cw-mode laser light source with laser radiation in an oxygen-containing environment so that at the surface of a temperature of reached or maintained at least 250 ° C and at most the melting temperature of the metallic material and thereby a defined oxide layer is formed on the surface; wherein the power density in the focal spot of the pulsed laser radiation for the removal of the organic and inorganic impurities or a layer is greater than in the continuous irradiation in the cw-mode and thereby the ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur definierten Modifizierung von Oberflächen eines Werkstücks, das aus einem bei Umgebungsbedingungen an der Oberfläche Oxidschichten bildenden metallischen Werkstoff gebildet ist. Bevorzugt kann das Verfahren an Werkstücken, die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sind, beispielsweise auch bei Titan und seinen Legierungen eingesetzt werden.The invention relates to a method for the defined modification of surfaces of a workpiece, which is formed from a metallic material forming oxide layers at ambient conditions. Preferably, the method can be used on workpieces that are formed of aluminum or an aluminum alloy, for example, in titanium and its alloys.

Solche Modifizierungen von Werkstückoberflächen sind häufig vor nachfolgend durchzuführenden Fügeprozessen durchzuführen. Darunter fällt auch das Fügen durch Kleben, da dabei kein den oder die Werkstoff(e) der Fügepartner beeinflussender Wärmeeintrag erforderlich ist. Dadurch können auch Werkstoffverbünde aus organischen Materialien und Metallen erhalten werden.Such modifications of workpiece surfaces are often to be performed before subsequent joining processes. This also includes joining by gluing, since in this case no heat input influencing the material (s) of the joining partners is required. As a result, material composites of organic materials and metals can be obtained.

Bei metallischen Werkstücken erfolgt dabei üblicherweise eine Reinigung und Entfernung von Verunreinigungen von der Oberfläche nasschemisch durch Eintauchen in geeignete Bäder. Die Bäder müssen dabei eine ausreichende Größe aufweisen, um möglichst flexibel unterschiedliche Werkstückdimensionierungen zu berücksichtigen. Die eingesetzten Badflüssigkeiten sind aggressiv, in der Regel toxisch und müssen aufwändig entsorgt werden. Außerdem verbrauchen sich die Badflüssigkeiten und die so gereinigten Werkstücke müssen nachfolgend gespült werden.In the case of metallic workpieces, cleaning and removal of contaminants from the surface usually takes place wet-chemically by immersion in suitable baths. The baths must be of sufficient size to take into account as flexible as possible different workpiece dimensions. The bath liquids used are aggressive, usually toxic and must be disposed of with great effort. In addition, the bath liquids and the cleaned so cleaned workpieces must be subsequently rinsed.

Dabei kann auch elektrochemisch mit dem Eloxal-Verfahren für eine Reinigung und Ausbildung einer Oxidschicht an der Oberfläche gearbeitet werden. Auch dabei treten die genannten Nachteile auf.In this case, it is also possible to work electrochemically with the anodizing process for cleaning and forming an oxide layer on the surface. Here too, the mentioned disadvantages occur.

Eine mechanische Bearbeitung der Oberflächen ist ebenfalls aufwändig und schwer zugängliche Bereiche eines Werkstücks können nicht erreicht werden. Problematisch ist auch eine Reinigung oder Bearbeitung von dreidimensional konturierten Oberflächen. Bei einer Bestrahlung mit Partikeln, wie beim „Sandstrahlen”, ist eine nachfolgende Entfernung von Staub und Schmutz erforderlich. Eine definierte Ausbildung einer Oxidschicht an der Werkstückoberfläche ist nicht möglich.A mechanical processing of the surfaces is also complex and hard to reach areas of a workpiece can not be achieved. Also problematic is a cleaning or processing of three-dimensionally contoured surfaces. When irradiated with particles, such as sandblasting, subsequent removal of dust and dirt is required. A defined formation of an oxide layer on the workpiece surface is not possible.

In DE 696 05 652 T2 ist ein Verfahren beschrieben, bei der eine haftungsverbessernde Schicht vor dem Herstellen einer Klebverbindung mit einem Organosilan auf eine Oberfläche aufgebracht werden soll. Zur Aushärtung dieser Schicht soll dabei das Werkstück vor oder nach dem Auftrag des Organosilans mit Laserstrahlung bestrahlt werden. Eine direkte Modifizierung der Werkstückoberfläche und insbesondere eine definierte Oxidschicht kann so aber nicht ausgebildet bzw. erreicht werden.In DE 696 05 652 T2 For example, a method is described in which an adhesion-promoting layer is to be applied to a surface prior to making an adhesive bond with an organosilane. To harden this layer while the workpiece is to be irradiated with laser radiation before or after the order of the organosilane. However, a direct modification of the workpiece surface and in particular a defined oxide layer can not be formed or achieved.

Aus JP 61 113 756 A ist es bekannt mit einem CO2-Laser eine auf einer Stahloberfläche ausgebildete Aluminium- oder Aluminiumlegierungsschicht zu bestrahlen. Diese Schicht zu schmelzen und eine gegen Seewasser resistente Schicht aus Al2O3 zu bilden.Out JP 61 113 756 A It is known to irradiate a formed on a steel surface aluminum or aluminum alloy layer with a CO 2 laser. To melt this layer and form a seawater resistant layer of Al 2 O 3 .

Die DE 102 30 456 A1 und EP 1 598 121 A2 betreffen jeweils technische Lösungen bei denen auf Oberflächen vorhandene Verunreinigungen oder Schichten mit Laserstrahlung entfernt werden sollen.The DE 102 30 456 A1 and EP 1 598 121 A2 Respect in each case technical solutions in which existing on surfaces impurities or layers to be removed with laser radiation.

In DE 40 22 228 A1 ist ein Verfahren zur Bearbeitung mit Laserstrahlen beschrieben, bei dem die Temperatur im Auftreffpunkt des Laserstrahls und/oder in dessen Umgebung erfasst und für die Regelung der Laserleistung genutzt werden soll.In DE 40 22 228 A1 a method for processing with laser beams is described, in which the temperature at the point of impact of the laser beam and / or in its surroundings is to be detected and used for the regulation of the laser power.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Oberflächen von metallischen Werkstücken, die aus Werkstoffen gebildet sind, die bei Umgebungsbedingungen an der Oberfläche Oxidschichten bilden, in einfacher Form zu modifizieren und dabei definierte Oxidschichten auszubilden.It is therefore an object of the invention to modify surfaces of metallic workpieces which are formed from materials which form oxide layers at ambient conditions on the surface in a simple form and thereby form defined oxide layers.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest ein Bereich der Oberfläche eines Werkstücks mit von einer Laserlichtquelle in gepulster Form emittierter gen oder eine solche Schicht durch Ablation zu entfernen. Es kann sich dabei um feste und flüssige Verunreinigungen handeln. Weiterhin zu entfernende unterhalb von Verunreinigungen ausgebildete Schichten können Oxide, Hydroxide oder Carbide sein.In the method according to the invention, at least a portion of the surface of a workpiece with a gene emitted by a laser light source in pulsed form or such a layer is removed by ablation. These may be solid and liquid contaminants. Contaminated layers to be further removed below impurities may be oxides, hydroxides or carbides.

Im Anschluss daran wird der so behandelte Bereich der Oberfläche von einer im cw-Mode betriebenen Laserlichtquelle mit Laserstrahlung in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung so bestrahlt, dass an der Oberfläche eine Temperatur von mindestens 250°C, bevorzugt mindestens 300°C und maximal der Schmelztemperatur des metallischen Werkstoffs erreicht oder eingehalten wird. Dadurch wird eine definierte Oxidschicht auf der Oberfläche ausgebildet.Thereafter, the area of the surface treated in this way is irradiated by a laser light source operated in cw mode in an oxygen-containing environment such that at the surface a temperature of at least 250 ° C., preferably at least 300 ° C. and at most the melting temperature of the metallic material is achieved or maintained. As a result, a defined oxide layer is formed on the surface.

Die Leistungsdichte im Brennfleck der gepulsten Laserstrahlung zur Entfernung der organischen und anorganischen Verunreinigungen oder einer Schicht ist dabei größer als bei der kontinuierlichen Bestrahlung im cw-Mode. Der Unterschied sollte dabei mindestens den Faktor drei betragen.The power density in the focal spot of the pulsed laser radiation for removing the organic and inorganic impurities or a layer is greater than in the continuous irradiation in the cw mode. The difference should be at least a factor of three.

Der emittierte Laserstrahl und das Werkstück werden bei der Bearbeitung relativ zueinander bewegt. Dies kann durch Bewegung der Laserlichtquelle, eine Auslenkung eines Laserstrahls oder eine Bewegung des Werkstücks erreicht werden. Selbstverständlich können dies Bewegungsformen auch miteinander kombiniert eingesetzt werden. The emitted laser beam and the workpiece are moved relative to each other during machining. This can be achieved by movement of the laser light source, a deflection of a laser beam or a movement of the workpiece. Of course, this movement forms can also be used together combined.

Dabei soll unter Umgebungsbedingungen, bei denen Oxidschichten gebildet werden, eine normale übliche Umgebungsatmosphäre mit Luft im normalen Temperaturbereich zwischen 20 und 30°C und üblicher Luftfeuchtigkeit verstanden werden. Der Temperaturbereich kann aber auch größer sein.It should be understood under ambient conditions in which oxide layers are formed, a normal usual ambient atmosphere with air in the normal temperature range between 20 and 30 ° C and conventional humidity. The temperature range can also be greater.

Bei der Bestrahlung mit einer im cw-Mode betriebenen Laserlichtquelle kann dies über einen Zeitraum von einigen wenigen Sekunden bis zu 30 Sekunden erfolgen, um durch eine nichtabrasive Wirkung der Laserstrahlung am eigentlichen Werkstückwerkstoff eine ausreichende und gleichmäßige Erwärmung einhalten zu können, bei der die Oxidschicht in der gewünschten definierten Form ausgebildet werden kann.In the case of irradiation with a laser light source operated in cw mode, this can take place over a period of a few seconds up to 30 seconds in order to be able to maintain a sufficient and uniform heating by a nonabrasive effect of the laser radiation on the actual workpiece material, with which the oxide layer in the desired defined shape can be formed.

Bevorzugt soll eine durch Umschaltung gepulst und im cw-Mode betreibbare Laserlichtquelle eingesetzt werden. Dadurch ist es möglich mit ein und derselben Laserlichtquelle das gesamte Verfahren durchzuführen. Es sollte angestrebt werden, die Laserstrahlung so zu nutzen, dass jede zu behandelnde Position der Werkstückoberfläche nur zweimal bestrahlt wird, also einmal bei gepulstem Betrieb und einmal zur Ausbildung der Oxidschicht. Dabei können die Auslenkbewegung, die Leistung und die Strahlformung variiert werden. Die Geschwindigkeit mit der der Brennfleck über die Oberfläche bewegt wird kann dabei, wie auch die Größe des Brennflecks entsprechend angepasst werden.Preferably, a pulsed by switching and operated in cw-mode laser light source is to be used. This makes it possible to carry out the entire process with one and the same laser light source. It should be striven to use the laser radiation so that each position of the workpiece surface to be treated is irradiated only twice, so once in pulsed operation and once to form the oxide layer. The deflection movement, the power and the beam shaping can be varied. The speed with which the focal spot is moved over the surface can be adjusted as well as the size of the focal spot.

Bei Einsatz der gepulsten Laserstrahlung sollten diese Parameter so gewählt werden, dass beim Entfernen von Verunreinigungen oder einer Schicht kein metallischer Werkstoff des Werkstücks entfernt wird. Dabei sind auch die Pulsfrequenz und die Pulsdauer zur Variation nutzbare Parameter.When pulsed laser radiation is used, these parameters should be selected so that no metal material on the workpiece is removed when removing contaminants or a layer. The pulse frequency and the pulse duration are also usable parameters for variation.

Die Oberfläche kann mit Hilfe von Scannersystemen abgerastert werden. Es beseht auch die Möglichkeit eine bestimmte Abbildungsgeometrie, z. B. durch den Einsatz von Teleskopobjektiven einzustellen. Insbesondere im Verfahrensschritt, der zur Ausbildung der definierten Oxidschicht führt, kann auch eine von der Kreisform abweichende Geometrie des Brennflecks, beispielsweise ein rechteckiger Brennfleck eingesetzt werden, da dabei eine entsprechende Fokussierung mit hoher Leistungsdichte im Brennfleck nicht unbedingt erforderlich ist. Der Brennfleck muss und sollte auch nicht unbedingt in der Brennpunktebene auf der Werkstückoberfläche liegen.The surface can be scanned using scanner systems. There is also the possibility of a specific imaging geometry, z. B. by the use of telescopic lenses. In particular, in the process step, which leads to the formation of the defined oxide layer, a deviating from the circular geometry geometry of the focal spot, for example, a rectangular focal spot can be used, since a corresponding focus with high power density in the focal spot is not essential. The focal spot does not necessarily have to lie in the focal plane on the workpiece surface.

Für eine Regelung der Laserlichtquelle oder der Auslenkung der emittierten Laserstrahlung kann die Temperatur gemessen werden. Hierfür können CCD-Kameras, schnelle Pyrometer, die die Temperatur berührungslos bestimmen können, oder auch Temperatursensoren (Thermoelemente) eingesetzt werden. Temperatursensoren können dabei am Werkstück und auch an dessen Rückseite, die nicht bestrahlt wird, angebracht sein.For a regulation of the laser light source or the deflection of the emitted laser radiation, the temperature can be measured. For this purpose, CCD cameras, fast pyrometers, which can determine the temperature without contact, or temperature sensors (thermocouples) can be used. Temperature sensors can be mounted on the workpiece and also on its back, which is not irradiated.

Zumindest während der Ausbildung der definierten Oxidschicht sollte Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Prozessgas in den mit der Laserstrahlung bestrahlten Bereich der Werkstückoberfläche zugeführt werden. Das Verfahren kann dabei aber auch in einer Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Prozessgas enthaltenden geschlossenen Kammer durchgeführt werden. Das Prozessgas sollte dabei eine bekannte und konstant gehaltene Konsistenz aufweisen, was insbesondere den Sauerstoffanteil betrifft. Die übrigen Bestandteile sollten für den Prozess jedoch inert sein. Es sind daher bevorzugt Sauerstoff-Argon und Sauerstoff-Stickstoffgemische geeignet.At least during the formation of the defined oxide layer, oxygen or an oxygen-containing process gas should be supplied to the region of the workpiece surface irradiated with the laser radiation. However, the process can also be carried out in a closed chamber containing oxygen or an oxygen containing process gas. The process gas should have a known and constant consistency, which in particular relates to the oxygen content. The remaining ingredients should be inert to the process. It is therefore preferred oxygen-argon and oxygen-nitrogen mixtures suitable.

Prozessgas kann aber auch genutzt werden, um bei der Entfernung von Verunreinigungen oder einer Schicht auftretende Abtragsprodukte zu entfernen. Hierfür kann das Prozessgas mittels im Crossjet als Querströmung zugeführt werden. Die Abtragsprodukte können aber auch abgesaugt werden. Dies sollte insbesondere darum berücksichtigt werden, um eine Absetzung nach Kondensatbildung der Abtragsprodukte in bereits gereinigten Bereichen zu vermeiden. Ein kombinierter Einsatz einer zusätzlichen Absaugung ist möglich.However, process gas can also be used to remove erosion products occurring during the removal of impurities or a layer. For this purpose, the process gas can be supplied by means of crossjet in the cross flow. The Abtragsprodukte can also be sucked off. This should especially be taken into account in order to avoid sedimentation after condensation of the removal products in already cleaned areas. A combined use of an additional suction is possible.

Bevorzugt sollte elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer 750 nm eingesetzt werden. Strahlung im Wellenlängenbereich der nahen und mittleren Infrarotstrahlung ist besonders geeignet. Es können aber auch andere Wellenlängen genutzt werden. Als Laserlichtquelle können Diodenlaser, Festkörperlaser (z. B. Nd:YAG), Faserlaser und CO2-Laser eingesetzt werden.Preferably, electromagnetic radiation with a wavelength greater than 750 nm should be used. Radiation in the wavelength range of near and medium infrared radiation is particularly suitable. But you can also use other wavelengths. As a laser light source, diode lasers, solid-state lasers (eg Nd: YAG), fiber lasers and CO 2 lasers can be used.

Im zweiten Verfahrensschritt kann eine definierte Oxidschicht so ausgebildet werden, dass sie über die gesamte Fläche homogen ausgebildet ist. Dies betrifft ihre Schichtdicke und auch ihre Oberfläche.In the second process step, a defined oxide layer can be formed so that it is homogeneously formed over the entire surface. This affects their layer thickness and also their surface.

Durch gezielte Einstellung der Parameter mit denen die Laserstrahlung dabei auf die Oberfläche gerichtet wird, kann auch eine strukturierte Oxidschicht ausgebildet werden. So kann eine Schicht bestimmte Muster aufweisen, die durch unterschiedliche Schichtdicken der Oxidschicht gebildet sein können. Dabei kann eine strukturierte Oxidschicht auch so ausgebildet werden, dass bestimmte Oberflächenbereiche nicht mit Laserstrahlung oder mit reduzierter Leistungsdichte im Brennfleck beaufschlagt werden und bei anderen Bereichen dies aber durchgeführt wird. So können wellenförmige Strukturen oder Muster mit der Oxidschicht erhalten werden.By targeted adjustment of the parameters with which the laser radiation is directed to the surface, a structured oxide layer can also be formed. Thus, a layer may have certain patterns that are due to different layer thicknesses of the oxide layer may be formed. In this case, a structured oxide layer can also be formed so that certain surface areas are not exposed to laser radiation or reduced power density in the focal spot and in other areas but this is done. Thus, wavy structures or patterns with the oxide layer can be obtained.

Nach der Ausbildung der definierten Oxidschicht auf Oberflächenbereichen von Werkstücken, kann dort ein geeigneter Haftvermittler (Klebstoff) für die Herstellung einer stoffschlüssigen Klebverbindung aufgetragen und im Anschluss daran eine Fügeverbindung mit mindestens einem weiteren Werkstück hergestellt werden. Der Werkstoff oder das Material eines anderen Werkstücks kann dabei gleich oder auch verschieden sein. Der Auftrag des Haftvermittlers kann im Dünnstrahlverfahren, durch Spiralspritzen, mit Breitschlitz, als Raupenauftrag, mit Multipunktverfahren oder auch mit der Airless-Flatstream-Technik erfolgen.After the formation of the defined oxide layer on surface areas of workpieces, a suitable adhesion promoter (adhesive) can be applied there for the production of a bonded adhesive bond and subsequently a joining connection with at least one further workpiece can be produced. The material or the material of another workpiece may be the same or different. The application of the bonding agent can be carried out by thin-jet process, by spiral spraying, with slot, as caterpillar application, with multipoint processes or with the airless flat-stream technique.

Mit der in erfindungsgemäßer Form definiert unmittelbar auf der Oberfläche ausgebildeten Oxidschicht kann die Festigkeit und Beständigkeit des Verbundes durch Kleben durch eine mögliche Diffusion in die poröse Oberflächenzone verbessert und dabei reproduzierbare Verhältnisse eingehalten werden.With the oxide layer formed directly on the surface in the form of the invention, the strength and durability of the composite can be improved by bonding through a possible diffusion into the porous surface zone and reproducible conditions can be maintained.

Es können unterschiedliche dreidimensional geformte Oberflächen von Werkstücken mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet und dabei für die Herstellung einer sicheren Klebverbindung mit erhöhter Festigkeit vorbereitet werden. Das Verfahren kann flexibel für unterschiedlichst geformte Werkstücke eingesetzt werden. Der Werkstoff und insbesondere dessen Gefüge oder Kristallgitter werden durch das Verfahren nicht verändert.Different three-dimensionally shaped surfaces of workpieces can be processed with the method according to the invention and thereby prepared for the production of a secure bond with increased strength. The method can be used flexibly for a wide variety of shaped workpieces. The material and in particular its structure or crystal lattice are not changed by the method.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Zugscherfestigkeiten von ca. 25 MPa nach der Aushärtung einer Klebverbindung und nach 1.000 h Salzsprühnebelprüfung (DIN EN ISO 9227) von ca. 18 MPa erreicht werden. Diese Zugscherfestigkeit kann dauerhaft beibehalten werden. Dies ist um so beachtlicher, da mit den üblicherweise im Automobilbau eingesetzten zusätzlichen Haftschichten aus TiZr auf entsprechenden Werkstückoberflächen am Anfang zwar ähnliche Zugscherfestigkeiten erreichbar sind, diese sich in Folge einer nicht zu vermeidenden Alterung sehr stark reduzieren und dadurch keine ausreichende Zuverlässigkeit mit solchen herkömmlich hergestellten Klebverbindungen und Haftschichten aus TiZr erreichbar ist.With the method according to the invention, tensile shear strengths of about 25 MPa can be achieved after the curing of an adhesive bond and after 1000 h salt spray test (DIN EN ISO 9227) of about 18 MPa. This tensile shear strength can be permanently maintained. This is all the more remarkable, since similar additional tensile shear strengths can be achieved with the additional adhesive layers of TiZr usually used in the automotive industry on corresponding workpiece surfaces at the beginning, these are greatly reduced as a result of unavoidable aging and thus no sufficient reliability with such conventionally produced adhesive bonds and adhesive layers of TiZr can be achieved.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Beispiel 1:Example 1:

Ein plattenförmiges Werkstück mit einer Dicke von 1,5 mm, einer Länge von 100 mm und einer Breite von 25 mm aus AlMg3 wurde mit gepulster Laserstrahlung, die von einem Diodenlaser mit einer Leistung von 120 W emittiert worden ist, bestrahlt, um Verunreinigungen und eine bereits gebildete Oxidschicht durch Ablation zu entfernen.A plate-shaped workpiece having a thickness of 1.5 mm, a length of 100 mm and a width of 25 mm made of AlMg 3 was irradiated with pulsed laser radiation emitted by a diode laser having a power of 120 W to remove impurities and to remove an already formed oxide layer by ablation.

Die Pulsfrequenz lag dabei bei 8 kHz. Es wurde mit einer Pulslänge von 100 ns gearbeitet. Die Laserstrahlung wurde dabei so auf die Werkstückoberfläche gerichtet, dass die Brennpunktebene auf der Werkstückoberfläche lag.The pulse rate was 8 kHz. It was worked with a pulse length of 100 ns. The laser radiation was directed onto the workpiece surface in such a way that the focal plane lay on the workpiece surface.

Die dabei sublimierten Stoffe wurden abgesaugt und durch einen Filter geführt.The sublimated substances were sucked off and passed through a filter.

Im Anschluss wurde der Diodenlaser umgeschaltet, so dass er im cw-Mode kontinuierlich betrieben werden konnte und die Laserstrahlung in der Form über die Werkstückoberfläche bewegt wurde.Subsequently, the diode laser was switched so that it could be operated continuously in cw-mode and the laser radiation was moved in the mold over the workpiece surface.

Der Laserstrahl war dabei so fokussiert, dass die Brennpunktebene ober- oder unterhalb der Werkstückoberfläche angeordnet war. Bei dieser Bestrahlung an Luft bei normalen Raumtemperaturbedingungen wurde eine Temperatur im Einflussbereich der Laserstrahlung und zumindest an der Werkstückoberfläche von mindestens 300°C eingehalten. Die Werkstücktemperatur wurde mit einem an der Rückseite des Werkstücks angebrachten Temperatursensor überwacht.The laser beam was focused in such a way that the focal plane was arranged above or below the workpiece surface. In this irradiation in air at normal room temperature conditions, a temperature was maintained within the range of influence of the laser radiation and at least on the workpiece surface of at least 300 ° C. The workpiece temperature was monitored with a temperature sensor attached to the rear of the workpiece.

Da bei Einsatz eines Diodenlasers mit dieser Leistung von 120 W und dessen Betrieb im cw-Mode diese Temperaturen lediglich in der Nähe der Brennpunktebene erreichbar sind, kann es bei großflächigeren zu modifizierenden Werkstückoberflächen günstig sein, eine geeignete Laserlichtquelle einzusetzen, deren Leistung größer und bevorzugt größer 1 kW ist.Since using a diode laser with this power of 120 W and its operation in cw mode, these temperatures can only be reached near the focal plane, it may be beneficial for larger work surfaces to be modified to use a suitable laser light source whose power is greater and preferably larger 1 kW is.

Im Anschluss an diesen Verfahrensschritt, bei dem sich eine wenige Nanometer Dicke Aluminiumoxidschicht an der bestrahlten Oberfläche, mit konstanter Schichtdicke ausgebildet hatte, konnte als Haftvermittler ein heißhärtendes Epoxidharz, das unter der Handelsbezeichnung Betamate 1496 mit einer Klebstoffauftragseinrichtung aufgetragen und dann ein zweites entsprechend behandeltes Werkstück einschnittig mit einer Überlappung von 12,5 mm gefügt.Subsequent to this process step, in which a few nanometers thick aluminum oxide layer formed on the irradiated surface with a constant layer thickness, it was possible to apply a heat-curing epoxy resin under the trade name Betamate 1496 with an adhesive applicator and then a second correspondingly treated workpiece as a bonding agent joined with an overlap of 12.5 mm.

Die Laserstrahlung wurde dabei so über die Oberfläche des Werkstücks geführt und diese abgerastert, dass jede Position zweimal mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, wobei dies einmal mit gepulster Laserstrahlung und einmal mit kontinuierlicher Laserstrahlung erfolgte.The laser radiation was thereby guided over the surface of the workpiece and scanned this, that each position is applied twice with laser radiation, which was done once with pulsed laser radiation and once with continuous laser radiation.

Beispiel 2:Example 2:

Hier wurde analog zum Beispiel 1 verfahren und lediglich zusätzlich Prozessgas in Querströmung als Crossjet in den bestrahlten Oberflächenbereich gerichtet. Es handelte sich dabei um ein Argon-Sauerstoffgemisch mit einem Verhältnis 50:50.Here, the procedure was analogous to Example 1 and only additionally process gas in crossflow as a crossjet in the irradiated surface area directed. It was an argon-oxygen mixture with a ratio of 50:50.

Beispiel 3:Example 3:

Auch bei diesem Beispiel wurden die Parameter der Laserstrahlung, wie beim Beispiel 1 eingehalten. Das bearbeitete Werkstück war jedoch in einer geschlossenen Kammer aufgenommen und die Laserstrahlung wurde durch ein für die Strahlung transparentes Quarzglasfenster auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Der Haftvermittler wurde nach der Laserbehandlung mit einem pneumatischen Dosiersystem aufgetragen. In der Kammer war eine normale Luftatmosphäre.In this example too, the parameters of the laser radiation were maintained as in Example 1. However, the machined workpiece was housed in a closed chamber and the laser radiation was directed onto the workpiece surface through a quartz glass window transparent to the radiation. The adhesion promoter was applied after the laser treatment with a pneumatic metering system. In the chamber was a normal air atmosphere.

Beispiel 4:Example 4:

Im Gegensatz zum Beispiel 3 war innerhalb der Kammer ein Stickstoff-Sauerstoffgemisch mit einem Anteilsverhältnis 50:50 eingehalten. Die Kammer kann dabei aber auch mit diesem Gasgemisch kontinuierlich durchströmt werden.In contrast to Example 3, a nitrogen-oxygen mixture with a proportion ratio of 50:50 was maintained within the chamber. The chamber can also be flowed through continuously with this gas mixture.

Claims (10)

Verfahren zur definierten Modifizierung von Oberflächen eines Werkstücks, das aus einem bei Umgebungsbedingungen an der Oberfläche Oxidschichten bildenden metallischen Werkstoff gebildet ist, bei dem zumindest ein Bereich der Oberfläche eines Werkstücks mit von einer Laserlichtquelle in gepulster Form emittierter Laserstrahlung bestrahlt wird, um dabei an der Oberfläche vorhandene organische und anorganische Verunreinigungen oder eine solche Schicht durch Ablation zu entfernen und im Anschluss daran auf den so behandelten Bereich der Oberfläche von einer im cw-Mode betriebenen Laserlichtquelle mit Laserstrahlung in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung so zu bestrahlen, dass an der Oberfläche eine Temperatur von mindestens 250°C und maximal der Schmelztemperatur des metallischen Werkstoffs erreicht oder eingehalten wird und dabei eine definierte Oxidschicht auf der Oberfläche ausgebildet wird; wobei die Leistungsdichte im Brennfleck der gepulsten Laserstrahlung zur Entfernung der organischen und anorganischen Verunreinigungen oder einer Schicht größer als bei der kontinuierlichen Bestrahlung im cw-Mode ist und dabei der emittierte Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden.Method for the defined modification of surfaces of a workpiece, which is formed from a metallic material which forms oxide layers on the surface under ambient conditions, in which at least one area of the surface of a workpiece is irradiated with laser radiation emitted by a laser light source in pulsed form, in order to remove on the surface existing organic and inorganic impurities or such a layer by ablation and subsequently thereto to irradiate on the thus treated area of the surface of a cw-mode operated laser light source with laser radiation in an oxygen-containing environment so that reaches or adheres to the surface a temperature of at least 250 ° C and at most the melting temperature of the metallic material and thereby forming a defined oxide layer on the surface; in which the power density in the focal spot of the pulsed laser radiation for the removal of the organic and inorganic impurities or a layer is greater than in the continuous irradiation in the cw-mode and thereby the emitted laser beam and the workpiece are moved relative to each other. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch Umschaltung gepulst und im cw-Mode betreibbare Laserlichtquelle eingesetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that a pulsed by switching and operated in cw-mode laser light source is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entfernen von Verunreinigungen oder einer Schicht kein metallischer Werkstoff des Werkstücks entfernt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that when removing impurities or a layer no metallic material of the workpiece is removed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Regelung der Laserlichtquelle und/oder die Auslenkung der emittierten Laserstrahlung die Temperatur gemessen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature is measured for a regulation of the laser light source and / or the deflection of the emitted laser radiation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Ausbildung der definierten Oxidschicht Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Prozessgas in den mit der Laserstrahlung bestrahlten Bereich der Werkstückoberfläche zugeführt oder diese in einer Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Prozessgas enthaltenden geschlossenen Kammer durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least during the formation of the defined oxide layer oxygen or an oxygen-containing process gas supplied in the irradiated with the laser radiation region of the workpiece surface or this is carried out in a oxygen or an oxygen-containing process gas containing closed chamber. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Entfernung von Verunreinigungen oder einer Schicht auftretende Abtragsprodukte durch eine Absaugung und/oder mittels eines im Querstrom zugeführten Prozessgases abgeführt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the removal of impurities or a layer occurring Abtragsprodukten be removed by an extraction and / or by means of a cross-flow supplied process gas. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer 750 nm eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that electromagnetic radiation having a wavelength greater than 750 nm is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Ausbildung der definierten Oxidschicht ein Auftrag eines Haftvermittlers für eine entsprechende stoffschlüssige Verbindung des Werkstücks mit mindestens einem weiteren Werkstück durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that following the formation of the defined oxide layer, an application of a bonding agent for a corresponding cohesive connection of the workpiece with at least one further workpiece is performed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den mit der Laserstrahlung bestrahlten Oberflächenbereich des Werkstücks über die gesamte Fläche eine homogene Oxidschicht ausgebildet oder eine in definierter Form strukturierte Oxidschicht ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that formed over the irradiated with the laser radiation surface region of the workpiece over the entire surface, a homogeneous oxide layer or a structured oxide layer in a defined form. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Workpiece made of aluminum or an aluminum alloy is formed.
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