DE19617389C1 - Verfahren zur Laserbearbeitung von Metalloberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen aus Metall oder Metallegierungen. Darin wird die exotherme Oxidation des abzutragenden durch Laser erwärmten Metalles unter Sauerstoffzufuhr ausgenutzt, wobei entstehende Metalloxide bei der Prozeßtemperatur verdampfen und die Schmelztemperatur des Metalles nicht erreicht wird. Dadurch wird das abzutragende Metall in ein Oxid übergeführt und kann gasförmig vom Bearbeitungsort entfernt werden. Vorzugsweise geschieht diese Bearbeitungsform in Verbindung mit Molybdän oder Kupfer.

Aus der gattungsbildenden Europäischen Patentanmeldung EP 0 558 135 A1 ist be­ kannt, daß Vertiefungen in Werkstücken aus Molybdän dadurch eingebracht werden können, daß unter einem Sauerstoffstrahl das Werkstück mit einem Laserstrahl lokal in der Weise er­ wärmt wird, daß die Schmelztemperatur des Molybdäns von ca. 2620°C nicht erreicht wird. Die Verdampfungstemperatur des durch die Erwärmung und das Sauerstoffangebot gebildeten Oxi­ des wird jedoch überschritten. Bei einer Strukturierung einer Metalloberfläche wird der Laserstrahl über das Werkstück ge­ führt. Dabei entstehen gratfreie Rillen.

Soll auf der Oberfläche eines metallischen Werkstücks eine vorgegebene Struktur erzeugt werden, so muß der Abtragsprozeß an beliebigen Stellen zu unterbrechen sein. Wird jedoch der Laserstrahl während des Verfahrens entsprechend dem Stand der Technik lediglich ausgeschaltet, so entsteht am Ende einer Rille oder Nut eine erstarrte Schmelzkugel. Diese ragt über die Werkstückoberfläche hinaus. Diese Schmelzkugel besteht aus dem Oxid des jeweilig verwendeten Metalles.

Am Beispiel der Strukturierung von Molybdänoberflächen kann der mehrstufige Vorgang erklärt werden:
Durch eine exotherme Reaktion wird zunächst Molybdän in Mo­ lybdän-Dioxid (MoO₂) und danach zu Molybdäntrioxid (MoO₃) weiter oxidiert. Das Molybdäntrioxid wird anschließend bei einer Temperatur von mindestens 800°C verdampft. Die Schmelz­ temperaturen für beide Oxide liegen bei 1700°C für Molybdän­ dioxid bzw. bei 795°C für Molybdäntrioxid. Eine in der Nut oder Rille während des Abtragsprozesses vorhandene Schmelze wird demnach aus Molybdänoxiden bestehen. Da eine Schmelze sich immer in Richtung höherer Temperaturen bewegt, wird die­ se als Schmelzwall vom Laserstrahl mitgezogen. Wird nun der Laser ausgeschaltet, so nimmt die Temperatur in diesem Schmelzwall aufgrund der Wärmeableitung ins Werkstück hinein so schnell ab, daß dieser Schmelzwall nicht vollständig in Molybdäntrioxid umgewandelt und verdampft werden kann. Es entsteht aufgrund der Oberflächenspannungsverhältnisse beim Erstarren eine Schmelzkugel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermeidung einer Schmelzkugel am Ende einer für die Struktu­ rierung einer metallischen Oberfläche mit einem Laser ausge­ bildeten Nut bereit zustellen, wobei der Materialabtrag unter Sauerstoffzufuhr mit einer exothermen Oxidation des Metalles bei gleichzeitigem Verdampfen des Metalloxides geschieht.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Schmelzkugel umgangen werden kann, wenn das Verfahren derart gesteuert wird, daß zunächst weniger Metalloxid nachgebildet wird. Dies geschieht solange, bis keine aus einem Metalloxid bestehende Schmelze mehr vorhanden ist. Die Prozeßtemperatur muß derart geführt werden, daß vorhandenes flüssiges Metal­ loxid vollständig verdampft wird. Dies kann verschiedenartig realisiert werden. Zunächst kann die Laserleistung kontinu­ ierlich oder stufenweise in Form einer Rampe abgesenkt wer­ den. Eine andere Möglichkeit besteht in der Absenkung der durch den Laser in das Werkstück eingekoppelten Energie. Dazu wird der Laserfokus aus der Bearbeitungsebene herausverscho­ ben, so daß der Laserstrahlfleck (Laserspot) auf dem Werkstück ei­ nen größeren Durchmesser erhält. Eine weitere Möglichkeit be­ steht darin, die Sauerstoffzufuhr zu verringern bzw. zu un­ terbrechen.

Es ist besonders vorteilhaft, eine Kombination aus zwei oder mehreren der drei genannten Lösungsmöglichkeiten gleichzeitig anzuwenden. Besonders wirkungsvoll ist die Reduzierung der Sauerstoffzufuhr, die direkt die Neubildung von Oxiden unter­ bindet. Nachdem das Basismetall bei einer höheren Temperatur schmilzt, muß das Vorhandensein einer Metallschmelze nicht betrachtet werden. Das Absenken der Laserleistung bzw. der in das Werkstück eingebrachten Laserleistung bewirkte trotzdem, daß Metalloxide für eine bestimmte Zeit weiterhin verdampft werden können.

Ein spezieller Anwendungsfall des Verfahrens ist die Struktu­ rierung von Gleitlagern, insbesondere von Spiralrillenlagern, wie sie in der Medizintechnik, beispielsweise für Röntgenap­ paraturen verwendet werden. Diese Gleitlager bekommen auf ih­ ren laufenden Oberflächen äußerst feine Strukturierungen bei­ spielsweise in Form von V-förmig angeordneten Rillen. Als Werkstoff wird vorzugsweise Molybdän eingesetzt. Die Verfahr­ geschwindigkeit des Laserspots relativ zur Werkstückoberfläche kann beispielsweise bei 4 bis 5 mm/s lie­ gen. Als Laser kann beispielsweise ein Nd:YAG-Laser einge­ setzt werden, der beispielsweise mit 500 Hz intensitätsmodu­ liert wird. Als Prozeßgas wird reiner Sauerstoff verwendet. Die Laserleistung liegt beispielsweise bei 40 bis 300 W. Als Abtragstiefen können 5 bis 40 µm vorgegeben werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Laserbearbeitung von Metalloberflächen bei exothermer Oxidation des abzutragenden vom Laser erwärmten Metalles unter Sauerstoffzufuhr und Sublimation des entste­ henden Metalloxides mit gleichzeitiger Entfernung des gasför­ migen Metalloxides vom Bearbeitungsort, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von erstarrten Schmelzkugeln aus Metal­ loxid am Ende einer Bearbeitung das Verfahren durch kontinu­ ierliches oder stufenweises Absenken der Laserleistung oder der Sauerstoffzufuhr oder durch Verschiebung der Laserfokus­ lage aus der Verarbeitungsebene beendet wird, wobei jeweils weniger Oxid nachgebildet wird, als verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen Absenken der Laserleistung, Absenken der Sauerstoffzufuhr und Verlagerung der Laserfokuslage aus der Bearbeitungsebene teilweise oder vollständig kombiniert wer­ den.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reduzierung der Sauerstoffzufuhr durch Zumischen von anderen nichtoxidierenden Gasen geschieht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleitlager hergestellt wird, wobei in mindestens ei­ nem Teil des Gleitlagers Nuten mit einer im µm-Be­ reich liegenden Tiefe erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuttiefe im Bereich von 5-25 µm liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiralrillenlager bearbeitet wird.

7. Verfahren nach vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloberflächen aus Molybdän bestehen.