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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur effizienten und prozesssicheren partiellen Härtung einer z. B. Innenwandung eines Bohrloches oder einer Nut in einem Werkstück, dessen Material durch Wärmebehandlung härtbar ist, mittels Laserstrahlung.
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Es ist bekannt, dass zum Härten die Werkstücke entweder ganz oder teilweise, z. B. die Wandungen von Bohrungen, einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dazu kann neben z. B. dem Ofenhärten und induktivem Härten das Laserhärten angewendet werden. Das Laserhärten besitzt dabei den Vorteil höherer Ortauflösung bzgl. der Wärmeeinbringung. Soll der Verzug oder die Prozesszeit verringert werden, werden Werkstücke funktionsangepasst nur lokal gehärtet. Dazu werden die zu härtenden Oberflächen der Laserstrahlung ausgesetzt, sodass diese über eine Umwandlungstemperatur erhitzt werden. Da der Laserstrahl das Werkstück nur lokal erhitzt, wirkt der Rest des Werkstücks als Kühlkörper, sodass eine schnelle Kühlung durch Wärmeabfluss in das Werkstück - auch als Selbstabschreckung bekannt - erfolgt.
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Innerhalb von Bohrungen ist es möglich, mittels Umlenkspiegeln die Wandung zu bestrahlen. Die
DE 295 06 005 U1 zeigt das Bearbeiten von Bohrungen mittels eines in der Bohrung angeordneten, rotierenden Spiegels.
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Auch die
DE 10 2010 048 645 A1 beschreibt das Härten von Bohrungen mittels über einen rotierenden Spiegel auf die Innenwandung eines Bohrloches gelenkter Laserstrahlung, wobei der Spiegel direkt wassergekühlt ist.
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Nachteilig an diesen Lösungen zur Bearbeitung bzw. Härtung von Bohrlöchern mittels Spiegeln ist, dass es zu einer hohen Belastung des Spiegels, insbesondere dessen Oberfläche, auf welche der Laserstrahl auftrifft, kommt, sodass die auf die Spiegel eingestrahlte Laserleistung, z. B. durch zum Teil aufwendige Kühlung, abgeführt werden muss.
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Ein in dieser Hinsicht verbessertes Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung einer Bohrung ist bereits der
DE 10 2014 017 632 A1 zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird polarisierte Laserstrahlung verwendet, um die Belastung des Umlenkspiegels in der Bohrung gering zu halten, wobei auch die hierdurch verbesserten Reflexionseigenschaften der Spiegeloberfläche ausgenutzt werden.
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Ein prinzipieller Nachteil an diesen Lösungen zur Bearbeitung bzw. Härtung von Bohrlöchern mittels Spiegeln ist jedoch, dass die Spiegel zumeist innerhalb des Bohrloches bzw. in unmittelbarer Nähe zu dem Prozessort zu platzieren sind, sodass sie schnell verschmutzen.
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Weiter hat sich gezeigt, dass sich insbesondere kleine Bohrungen oder Sacklochbohrungen kaum durch in die Bohrung eingebrachte umlenkende Elemente härten lassen, da diese geometrisch nicht mehr in die Bohrung hineinpassen oder nicht ausreichend robust gegenüber der Einflüsse aus Laserstrahlung und Prozessbedingungen sind.
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DE 11 2013 004 368 B4 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserhärten einer Kurbelwelle, wobei ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die jeweils unterschiedliche Oberflächenbereiche der Kurbelwelle erhitzen. Durch Verwendung unterschiedlicher Polarisation in beiden Teilstrahlen ist hierbei eine optimale Absorption erzielbar. Zum Härten einer Bohrungswandung ist dieses Verfahren jedoch weniger geeignet, da verfahrensimmanent nur plane Oberflächen bearbeitbar sind. Bei komplexer Topologie der Bauteiloberfläche ist eine prozesssichere Erwärmung der Bauteiloberfläche auf Grund der variierenden Einstrahlwinkel mit der resultierenden unterschiedlichen Leistungseinkopplung und damit ein Härten kaum möglich. Außerdem bringt das Aufteilen des Laserstrahls und Polarisieren der beiden Teilstrahlen Leistungsverluste. Zusätzlich ist die Variation der Leistungsanteile in den Teilstrahlen für die nötige Prozessadaption aufwendig.
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Aus
EP 2 925 481 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung bekannt, bei denen mehrere Laserstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen auf eine Werkstückoberfläche gerichtet werden, wobei mittels Strahlabbildungsmitteln die Laserstrahlen in einer vorbestimmten Anordnung abgebildet werden.
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Durch die
DE 10 2012 014 920 A1 ist außerdem ein Verfahren zum Laserhärten bekannt, bei dem die Wärmeemission auf der Oberfläche des Werkstücks erfasst wird, um die Intensität des Laserstrahls einzustellen.
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DE 41 39 841 A1 zeigt ein Verfahren zum Laserhärten, bei dem der Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Werkstück dem Brewster-Winkel entspricht, wodurch der Wirkungsgrad des Erwärmens mittels des polarisierten Laserstrahls verbessert ist.
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Ein großer Nachteil der o.g. Verfahren speziell für eine Anwendung zum Härten von Bohrungen ist die Notwendigkeit von Rotationsachsen, d. h., das Werkstück oder die Bearbeitungsvorrichtung muss um die Bohrungsachse rotiert werden, um den Laserstrahl entlang des Umfangs der Wandung zu führen. Hierbei ist es unrealistisch, z. B. große Bauteile rotieren zu lassen. Bei einer rotierenden Bearbeitungsvorrichtung hingegen muss sichergestellt sein, dass die Zufuhr der Kühlmedien stets zuverlässig möglich ist.
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Bei bahnenweise Erwärmung von Oberflächen kommt es zudem im Stoßbereich der Einzelbahnen zum Anlassen der vorher gehärteten Bahn. Homogene Härteverläufe von größeren Flächen, insbesondere bei komplexer Topologie sind schwer zu erreichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer eine gleichmäßige Laserleistungseinkopplung auf einem zu härtenden Bauteiloberflächenbereich, z. B. der Innenwandung einer Ausnehmung oder einer Bohrung, unter Verzicht auf rotierende Bewegungen und innerhalb der Ausnehmung angeordnete optische Elemente sowie eine Vermeidung von Anlassspuren im Stoßbereich von Einzelbahnen ermöglicht ist, wobei eine für das Laserhärten ausreichende und insbesondere gleichmäßige Erwärmung durch Absorption am gesamten Bauteiloberflächenbereich erzielbar sein soll.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren zum Laserhärten mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie die Vorrichtung zum Laserhärten mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 6 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich jeweils in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Mehrzahl von - vorzugsweise kollimierten - räumlich getrennten Einzellaserstrahlen auf eine Bearbeitungsposition auf der Oberfläche des Werkstücks gerichtet, die direkt, d. h. unter Verzicht auf zusätzliche Elemente in der vorhandenen Ausnehmung, auf die Oberfläche auftreffen, sodass durch Absorption der Laserstrahlung eine wirksame Erwärmung erzielt wird. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden p-polarisierte Einzellaserstrahlen verwendet, wobei die Polarisation der Einzellaserstrahlen im Wesentlichen parallel in Bezug zu ihrer jeweiligen Einfallsebene auf die Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist.
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Um Leistungsverluste durch das Polarisieren und Ausrichten der Polarisationsebene zu vermeiden, werden Laserstrahl-Einzelmodule eingesetzt, die bereits einen im Wesentlichen linear polarisierten Laserstrahl generieren. Zusätzlich wird durch die Anordnung und Ausrichtung der Lasermodule sichergestellt, dass die jeweilige Polarisationsebene der emittierten Einzellaserstrahlen im Wesentlichen parallel in Bezug zu ihrer jeweiligen Einfallsebene auf die Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass die Absorption des Laserlichtes eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel auf die Innenwandung, d. h. dem Winkel des auf die Oberfläche einfallenden Lichtstrahles gemessen zur Flächennormale, zeigt. Beispielsweise steigt für Eisen bei einer Lichtwellenlänge von 1030 nm die Absorption für unpolarisierte Laserstrahlung mit zunehmendem Einfallswinkel von anfänglich 38% auf einen Maximalwert von ca. 42% bei einem Einfallswinkel von etwa 75°. Für größer werdende Einfallswinkel oberhalb 85° nimmt die Absorption rapide ab. Hingegen zeigt p-polarisierte Laserstrahlung eine Absorption von etwa 75% bei einem Einfallswinkel von etwa 78°.
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Allgemein ist in der Optik der Brewster-Winkel (auch Polarisationswinkel genannt) bekannt. Er gibt den Winkel an, bei dem von auf die Grenzfläche zweier dielektrischer Medien einfallendem, unpolarisiertem Licht nur die senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteile reflektiert werden. Die parallel zur Einfallsebene polarisierten Anteile treten in des Medium ein. Für Metalle werden die senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteile nur teilweise reflektiert. Die parallel zur Einfallsebene polarisierten Anteile haben somit beim Einstrahlen unter dem Brewsterwinkel ein Absorptionsmaximum.
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Erfindungsgemäß wird unter Ausnutzung des Brewster-Winkels die Absorption der Einzellaserstrahlen, die jeweils eine im Wesentlichen parallel in Bezug zu ihrer jeweiligen Einfallsebene ausgerichteten Polarisation aufweisen, maximiert. D. h., die Einzellaserstrahlen werden derart auf die Oberfläche des zu härtenden Werkstückes ausgerichtet, dass der Einfallswinkel jedes auf die Oberfläche auftreffenden Einzellaserstrahls im Wesentlichen dem Brewster-Winkel entspricht.
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Zur Bearbeitung, d. h. Härtung, eines ausgedehnten Bereichs auf der Oberfläche werden die Einzellaserstrahlen derart auf die Oberfläche gerichtet, dass sich auf derselben ein ausgedehnter, zusammenhängender Gesamtbrennfleck ausbildet. D. h., die Einzelbrennflecken werden zu einem Gesamtbrennfleck überlagert. Hierbei ist vorgesehen, dass mittels separater Regelung der Leistung jedes Einzellaserstrahls eine vorgegebene räumliche Temperaturverteilung im Gesamtbrennfleck eingestellt wird. Dies erlaubt, auf der Oberfläche des Werkstücks eine beliebige Verteilung des Energieeintrags vorzugeben, sodass eine homogene Härtung durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Verteilung des Energieeintrags annähernd gleichmäßig über die gesamte Ausdehnung des Gesamtbrennflecks sein, eine Überhöhung am Rand des Gesamtbrennflecks oder eine Reduzierung an wärmestaugefährdeten Bereichen aufweisen.
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Zur exakten Regelung der Temperaturverteilung im Gesamtbrennfleck während des Laserhärtens wird die auf der Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Gesamtbrennflecks herrschende Temperatur (kontinuierlich oder zu periodisch wiederkehrenden Zeitpunkten) ortsaufgelöst gemessen. Vorzugsweise ist hierzu jedem Laserstrahl-Einzelmodul ein berührungslos arbeitender Temperatursensor, z. B. ein Wärmestrahlungsdetektor, zugeordnet, der die Temperatur auf der Oberfläche am Ort des Auftreffpunktes des Einzellaserstrahls erfasst.
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Ein Vorteil des Verfahrens ist der hohe Gesamtwirkungsgrad der Energieeinkopplung aufgrund der Verwendung von auf der Werkstückoberfläche überlappenden, p-polarisierten Einzellaserstrahlen unter Nutzung des Brewsterwinkels, da die an der Bauteiloberfläche höherer Reflektivität unterliegenden s-Anteile nicht erzeugt werden und demzufolge auch keine „Fehlreflexion“ erfolgen kann, die z.B. am Sacklochgrund zu einer stärkeren Einkopplung führt.
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Indem die Laserstrahlung direkt auf das Werkstück, dessen Oberfläche zu härten ist, eingestrahlt wird, kann auf optische Elemente, z. B. innerhalb einer Ausnehmung, verzichtet werden. Somit werden die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme von z. B. verschmutzten, zerstörten oder aufwendig zu schützenden bzw. zu kühlenden Spiegeln bei dem erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich vermieden. Dennoch sind durch die Überlagerung der Einzellaserstrahlen beliebige geometrische Formen für den Gesamtbrennfleck realisierbar.
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Auch das Härten von schwer zugänglichen Oberflächenbereichen, z. B. kleineren Sacklöchern, ist möglich, da keine Vorrichtungsteile durch die Ausnehmungsöffnung eingeführt werden müssen.
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Durch die Verwendung der p-polarisierten Einzellaserstrahlen ist eine simultane Bearbeitung des gesamten zu härtenden Teilbereichs der Werkstückoberfläche, insbesondere der Innenwandung einer Ausnehmung, möglich, sodass keine durch Rotation zu erzeugende Relativbewegung des Laserflecks entlang der Ausnehmungswandung und damit keine Rotationsachse bzw. Rotationseinrichtung erforderlich ist. In Verbindung mit verfügbaren Lasern hoher Leistung mit p-Polarisation wird dadurch auch der Durchsatz der Bearbeitungseinrichtung erhöht. Ebenso entfällt die Gefahr des Anlassens der bereits gehärteten Spur am Rand einer Spiralbahn bei für ein quasisimultanes Erwärmen nicht ausreichender Vorschubgeschwindigkeit des Laserbrennflecks.
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Ein weiterer Vorteil ist die sehr gute Skalierbarkeit durch geometrisches Stapeln und geringfügig variierenden Winkeln. Die Skalierbarkeit durch Erhöhung der Anzahl verwendeter Einzelmodule von ca. 250 bis 1000W und die Überlagerung durch geringfügige Veränderung der Einzeleinstrahlwinkel (Winkelstapelung) oder Hintereinanderanordnung in Prozessrichtung (Positionsstapelung) kann zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit genutzt werden. Die Vermeidung von Anlassspuren im Stoßbereich von Einzelbahnen kann durch geometrische Parallelanordnung von Einzellaserstrahlen senkrecht zur Bearbeitungsrichtung, wodurch ein entsprechend großer Gesamtbrennfleck gebildet wird, erfolgen.
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Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass eine oder mehrere Optikeinheiten, z. B. Zylinderlinsen, im Strahlengang der Einzellaserstrahlen oder gemeinsame Linsen für alle Einzelstrahlen vorgesehen werden, um die auf der Oberfläche des Werkstücks ausgebildete geometrische Form des Gesamtbrennflecks vorzugeben bzw. durch entsprechende Einstellung der Optikeinheiten zu variieren.
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Die Erfindung kann weiter vorteilhaft wie folgt ausgebildet sein, dass ein optisches Umlenkelement, z. B. ein Spiegel, vorgesehen wird, um an der Oberfläche reflektierte Laserstrahlung auf dieselbe zurückzuwerfen. Dadurch wird vorteilhaft die Prozesseffizienz erhöht. Das Umlenkelement kann ein Planspiegel, ein sphärischer oder asphärischer Spiegel, z. B. rotationssymmetrische Trichter- oder Kegelspiegel, sein. Das Umlenkelement kann, z. B. durch die Spiegelkontur, derart gestaltet und eingerichtet sein, um eine Verbesserung der Intensitätsverteilung auf der Oberfläche des Werkstücks zu erreichen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, die an der Oberfläche reflektierte Laserstrahlung mittels eines geeigneten Absorbers zu absorbieren, sodass eine Gefährdung von z. B. Bedienern und eine Beschädigung der Vorrichtung ausgeschlossen ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, das Werkstück, z. B. in Richtung zu oder in Richtung weg von den Laserstrahl-Einzelmodulen, translatorisch zu bewegen, wodurch die Erwärmungszone über einen gegenüber der Fläche des Gesamtbrennflecks ausgedehnteren Bereich auf der Oberfläche „verfahrbar“ ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Werkstück rotatorisch um eine Achse bewegt werden, d. h., das Bauteil rotiert um z. B. die Längsachse der zu härtenden, zylinderförmigen Ausnehmung. Hierdurch kann eine weitere Homogenisierung und Erhöhung der Prozessstabilität erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Werkstück intermittierend während des Laserhärtens und/oder nach dem Laserhärten mittels eines Kältemittels abgeschreckt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Laserbearbeitungskopf mit einer Mehrzahl von jeweils einen im Wesentlichen linear polarisierten Laserstrahl generierenden, einzeln regelbaren Laserstrahl-Einzelmodulen, eine Optikeinheit, eine Positioniereinrichtung, wenigstens einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor, z. B. ein Wärmestrahlungsmessgerät, zur ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur der Oberfläche des Werkstückes, eine Werkstückaufnahme mit einer Spanneinheit zur Aufnahme und Fixierung des Werkstückes sowie eine mit den Laserstrahl-Einzelmodulen, dem wenigstens einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor und der Positioniereinrichtung verbundene Steuereinheit zur Prozesssteuerung.
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Die Optikeinheit umfasst zumindest ein Schutzglas zum Schutz der Laserstrahl-Einzelmodule vor Verschmutzungen, die durch die Einwirkung der Einzellaserstrahlen auf die Oberfläche in Richtung der Laserstrahl-Einzelmodule gelangen können. Weiterhin kann die Optikeinheit ein Fokussierelement, z. B. eine Fokuslinse, ein Strahlformungs- und Ablenkungselement, z. B. Zylinderlinsen, zur Formgebung des aus den Einzellaserstrahlen auf der Oberfläche gebildeten Gesamtbrennflecks und/oder einen Kollimator, z. B. eine Linse, zum Kollimieren der aus den Laserstrahl-Einzelmodulen austretenden Einzellaserstrahlen aufweisen.
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Die Laserstrahl-Einzelmodule können entlang eines Kreises im Laserbearbeitungskopf angeordnet sein, wobei jedes Einzelmodul um einen Winkel zu seinen benachbart angeordneten Einzelmodulen gedreht ist. Die Laserstrahl-Einzelmodule können auch in einzelnen Gruppen über- bzw. nebeneinander gestapelt sein, wobei die Gruppen jeweils um einen Winkel, z. B. 90°, zueinander gedreht sind.
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Vorzugweise sind die Laserstrahl-Einzelmodule linear polarisiertes Laserlicht emittierende, flüssigkeitskühlbare Direktdiodenlasereinzelmodule.
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Die Positioniereinrichtung ist mit der Werkstückaufnahme (und somit indirekt mit der Spanneinheit) verbunden, sodass z. B. ein Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem zu bearbeitenden Werkstück durch eine translatorische Bewegung der Werkstückaufnahme vorgebbar ist.
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Mittels der Steuereinheit sind Vorgaben für die Prozessregelung, z. B. Sollwerte einer von der Laserstrahl-Einzelmodulen auszugebenden Laserleistung basierend auf der im Auftreffpunkt der von den jeweiligen Laserstrahl-Einzelmodulen emittierten Einzellaserstrahlen erfassten Oberflächentemperatur und/oder eine von der Positioniereinrichtung anzufahrende Position, einstellbar. Hierdurch kann die einzustrahlende Laserleistung und gegebenenfalls die mittels der Positioniereinrichtung ermöglichte Bewegung der Wärmeeinflusszone über die Oberfläche, d. h. die von der Positioniereinrichtung vorgebbare Position und/oder translatorische Bewegungsgeschwindigkeit der Wärmeeinflusszone, bei Bedarf zur Optimierung der Prozessführung verändert werden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserhärten ist der Verzicht auf optische Elemente für eine Polarisation und für eine Strahl-Umlenkung nahe der Bauteiloberfläche, die verschmutzen, zerstört oder beim Bauteilwechsel beschädigt werden können. Hierdurch werden Verluste vermieden und Kosten eingespart.
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Zusätzlich ergibt sich eine Redundanz. Auch die Wartung ist vereinfacht, indem nur Einzelmodule statt einer gesamten Quelle getauscht werden müssen.
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Gemäß einer Ausgestaltung beinhaltet jedes der Laserstrahl-Einzelmodule einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor in Form eines Pyrometers, um die Temperatur an der Position des Einzelbrennflecks, der auf der Oberfläche des Werkstücks von dem Einzellaserstrahl des Laserstrahl-Einzelmoduls gebildet ist, zu erfassen und die Temperaturwerte an die Steuereinheit zu übermitteln sowie die Einzellaserleistungen und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zu regeln.
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Weiter kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie eine Abschreckeinrichtung für das Werkstück umfasst. Die Abschreckeinrichtung kann eine Wanne aufweisen, in welcher das Werkstück angeordnet ist oder in welche das Werkstück einbringbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Abschreckeinrichtung Zuführleitungen für ein Kältefluid aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der Laserbearbeitungskopf Aktoren, mittels derer die Laserstrahl-Einzelmodule relativ zueinander bewegbar sind. Beispielsweise ist jedes der Laserstrahl-Einzelmodule mit einem ihm zugeordneten Aktor verbunden. Die Aktoren sind mit der Steuereinheit verbunden, sodass von der Steuereinheit eine relative Anordnung der Laserstrahl-Einzelmodule zueinander innerhalb des Laserbearbeitungskopfs einstellbar ist.
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Weiter kann die Vorrichtung eine Schutzeinrichtung zum Schutz vor Laserstrahlung aufweisen. Die Schutzeinrichtung kann einen oder mehrere Absorber, laserstrahlungsundurchlässige Vorhänge oder Wände und/oder reflektierende Elemente zur Lenkung von nicht-absorbierter Laserstrahlung zurück auf die Werkstückoberfläche umfassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
- 1: eine Vorrichtung zum Laserhärten gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2: eine Vorrichtung zum Laserhärten gemäß einer weiteren Ausführungsform und
- 3: eine Vorrichtung zum Laserhärten gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Eine Vorrichtung zum Laserhärten einer Wandung 6 einer Ausnehmung in dem Werkstück 5 zeigt 1 schematisch. Die entlang eines Kreises angeordneten, baugleichen Laserstrahl-Einzelmodule 2, in diesem Beispiel P2-Direktdiodenlasereinzelmodule, emittieren jeweils den kollimierten Einzellaserstrahl 1. Das Optikelement 3 umfasst Zylinderlinsen zur Strahlformung. Der durch eine Überlagerung der Einzellaserstrahlen 1 gebildete Laserstrahl 9 wird in die Ausnehmung des Werkstücks 5 geleitet, wobei die Strahlachse 8 koaxial zur Längsachse der Ausnehmung ist. Die divergente Laserstrahlung 9 trifft auf die Wandung 6 und wird dort absorbiert.
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Die Laserstrahl-Einzelmodule 2 umfassen die Anschlüsse 4 für eine direkte Wasserkühlung. Sie emittieren jeweils einen p-polarisierten, kollimierten Einzellaserstrahl 1.
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In 2 sind die Laserstrahl-Einzelmodule 2 zu Gruppen gestapelt, die jeweils um 90° um die Strahlachse 8 zueinander gedreht sind, sodass immer p-polarisierte Strahlung auf die jeweiligen Bereiche der Wandung der Nut auftrifft. Im Beispiel besitzt jedes der Laserstrahl-Einzelmodule 2 ein Pyrometer, sodass eine Temperaturerfassung in dem jeweiligen Einkopplungsbereich des Einzelmoduls 2 und eine Temperaturregelung mittels Leistungsanpassung der jeweiligen Laserstrahl-Einzelmodule 2 erfolgen kann.
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Zur Randüberhöhung des Energieeintrags für eine Homogenisierung der Temperatur an der Erwärmungszone, d. h., um bei gleicher Laserleistung der zehn baugleichen Laserstrahl-Einzelmodule 2 am Rand der Einwirkzone eine gegenüber dem Zentrum der Erwärmungszone höheren Energieeintrag zu erhalten - und damit der Verbesserung der Wechselwirkung - wird die Anordnung der Laserstrahl-Einzelmodule 2 gemäß 3 verwendet. Die Laserstrahl-Einzelmodule 2 sind hierbei derart angeordnet, dass im Zentrum der Erwärmungszone die Einzelbrennflecken nur weniger Einzellaserstrahlen 1 auftreffen, während im Randbereich der Erwärmungszone quer zur Vorschubrichtung die Einzelbrennflecken der Einzellaserstrahlen 1 stärker überlappen. Die Leistungsdichteverteilung der Erwärmungszone ist somit gegenüber den in 1 oder 2 gezeigten Beispielen inhomogen ausgeprägt.
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Durch Verschieben des Werkstückes 5 entlang der Vorschubrichtung kann die Erwärmungszone über die Bauteiloberfläche 6 geführt werden. Indem in diesem Beispiel die äußeren Paare der Laserstrahl-Einzelmodule 2 leicht gegenüber den anderen Laserstrahl-Einzelmodulen 2 verkippt sind, treffen deren Einzellaserstrahlen 1 in Bewegungsrichtung des Gesamtbrennflecks hinter den zweiten Paaren von außen auf die Bauteiloberfläche 6. Durch diese im Nachlauf auftreffenden Laserspots wird die Einwirkzeit verdoppelt, die erhöhte Wärmeabfuhr am Rand kompensiert und die Einhärtetiefe homogenisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzellaserstrahl, kollimiert
- 2
- Laserstrahl-Einzelmodul
- 3
- Optikeinheit
- 4
- Kühlung
- 5
- Werkstück
- 6
- Teilbereich der Oberfläche / Wandung der Ausnehmung
- 7
- Ausnehmung / Nut
- 8
- Strahlachse
- 9
- kumulativer Laserstrahl
