DE2416436C2

DE2416436C2 - Laseranordnung

Info

Publication number: DE2416436C2
Application number: DE2416436A
Authority: DE
Inventors: Edward Valentine Rockport Mass. Locke
Original assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Current assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-04
Publication date: 1984-05-10
Also published as: SE399326B; US3848104A; CA996383A; DE2416436A1; IL44499A; GB1467152A; JPS5744038B2; IT1011215B; FR2224902B1; CH591171A5; FR2224902A1; JPS503591A; IL44499A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung, in welcher ein einfallender Laserstrahl durch Reflexion zur Erzielung eines vorbestimmten Intensitätsprofils aufgefächert wird.

Eine derartige Laseranordnung ist aus der DE-OS 140 bekannt. Bei dieser bekannten Laseranordnung ist im Strahlengang des Laserstrahls ein Modulator angeordnet, der durch Fernfeldmodulation eine Aufentweder nicht ausreichend erwärmt oder das erneute Erwärmen durch die unmittelbar folgende Abtastung wird das Metall an der Oberfläche ausglühen, so daß dadurch die Aushärtung zu nichte gemacht wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Laseranordnung derart zu verbessern.

fächeriing des Laserstrahls bewirkt. Der Modulator w> daß mit einfachen Mitteln eine gleichmäßig verlaufende kann aus einem statischen Modulator oder aus einem Intensitätsverteilung des aufgefächerten Laserstrahls dynamischen Modulator bestehen oder die Modulation
kann durch Beugung, Brechung. Streuung oder durch

erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Auffächerung ein mechanisch angetriebener

AusderGB-PS 1281 773 ist eine optische Ablcnkvor- b5 Spiegel vorgesehen ist, der den reflektierten Strahl um richtung bekannt, um einen Laserstrahl mil Hilfe von eine Achse quer zu dem einfallenden Strahl räumlich

Reflexion des Laserstrahls erfolgen.

Spiegeln iib/iilcnkcn. wobei wenigstens zwei Spiegel zur Anwendung gelangen, die um zueinander senkrecht pendelt und &.\ü ein Sperrelement mit einer durch dieses verlaufenden Öffnung mil Abstund zu der reflektieren-

den Oberfläche des Spiegels und in einer derartigen Position angeordnet ist, daß" nur ein zentraler Teil des von dem pendelnden reflektierten Strahl durchlaufenen räumlichen Strahlungsmuster durch die Öffnung des Sperrelements durchläuft.

Das räumliche Pendeln des Strahls kann entweder sinusförmig, sägczahnförmig oder rechteckwellenförmig erfolgen oder es kann auch jede andere besondere Charakteristik gewählt werden. Durch das räumliche Pendeln des Strahls kann eine mittlere Strahlungsintensität an jedem Punkt der vom Strahl überstrichenen Fläche realisiert werden, der zu einem gewünschten Intensitätsprofil führt.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausfühningsbcisptele der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems zum räumlichen Pendeins eines Laserstrahls, Formen des intensitätsprofils des räumlich gependelten Strahls und zum Ablenken des gependelten Strahls vor und zurück über ein sich bewegendes Werkstück,

F i g. 2 eine bildliche Darstellung eines Teils des in F i g. 1 gezeigten Systems zur Darstellung der relativen Richtungen der Pendelbewegung, der Ablenkung des pendelnd bewegten Strahls und der Bewegung des Werkstücks,

Fig.3 ein typisches Intensitätsprofil eines Hochleistungslaserstrahls mit einer Gauss'schen Verteilung,

F i g. 4 das Intensitätsprofil über dem pendelnd bewegten Laserstrahl und einen Teil hiervon, welcher durch ein Sperrelement zwischen dem angetriebenen Spiegel und dem Werkstück abgetrennt wird, sowie die sinusförmige räumliche Pendelung, welche dieses Intensiiätsprofil des Strahls erzeugt,

Fig. 5 ein snge/ahnfönniges Intcnsitätsprofil, welches durch den gleichen Strahl wie in Fig.J erzeugt wird, jedoch entsprechend einer nicht sinusförmigen Pendelbewegung.

Fig.6 ein typisches Intensitätsprofi! eines ringförmigen oder hohlen Laserstrahls.

Fig.7 eine graphische Darstellung der Härte über der Tiefe für eine Materialprobe aus Gußeisen.

Fig.8 ein hutförmiges Intens'üätsprofil eines pendelnd bewegten Laserstrahls unter Verwendung einer nicht sinusförmigen Pendelbewegung,

Fig.9 ein Laserstrahlprofil und doppelte Pendelbewegungen oder Pendelbewegungen in X- und Y- Richtung.

Fig. 10 eine schematische und bildliche Darstellung eines Doppelpendelsystems, und

Fig. Il eine Kardanaufhängung zum Ablenken eines einfach oder doppelt pendelnd bewegten Strahls.

Der verwendete Hochleistungslaser erzeugt einer; divergierenden ringförmigen Laserstrahl, welcher von einem an einer öffnung vorgesehenenen Brennpunkt divergierend verläuft. Die öffnung isoliert den Laseraufbau von der in Fig. 1 gezeigten externen Optik. Der Laserstrahl 1 in dem Lasergehäuse wird am Brennpunkt 2 in der Öffnung 3 fokussiert. Der Brennpunkt 2 ist der primäre Brennpunkt und wird durch einen äußeren Spiegel 4 als ein viel größerer, sog. sekundärer Brennpunkt 5 in einer entsprechenden Position wieder abgebildet. Zwischen dem wiederfokussierenden Spiegel 4 und dem sekundären Hrennpunkt befindet sich ein mechanisch angetriebener Spiegel 6. welcher auf einem Torsionsstab 7 oder einer anderen Feder- oder Lagerbefestigung angebracht ist und von einer elektromechanischen Antriebseinrichtung 8 mit einer vorbestimmten Frequenz in Schwingung gesetzt wird, welches die natürliche Schwingfrequenz des Torsionsstabes sein kann. Der Pendelantrieb ist derart, daß der Spiegel 6 um eine Achse 9 im wesentlichen in der Ebene des Spiegels und quer zu dem von dem Spiegel 4 fokussicrten einfallenden Laserstrahl schwingt So pendelt der Laserstrahl ίο von dem Spiegel 6 auf einer Bogenlinie, welche quer zur Zeichenebene in F i g. 1 verläuft.

Der pendelnde Strahl von dem Spiegel 6 verläuft durch die Öffnung 10 am zweiten Brennpunkt 5 und dann zu einem zweiten fokussierenden Spiegel 11 und von diesem zu einem Ablenk-Spiegel 12, welcher relativ langsam um seine Achse 13 pendelt, wenn er von einem Mechanismus 14 (F i g. 2) angetrieben wird, und bewirkt, daß der Strahl abtastend über einen Bogen 15 (Fig. 2) vor- und zurückgeführt wird. Die Ablenkfrequenz des Spiegels 1? ist wesentlich geringer als die Pendelfrequenz des Spiegels 6. Die Achse 13 d'.:.; Spiegels 12 kann quer oder parallel zu der Zeichenebe'.:e in. Fig. 1 angeordnet sein.

Die Ablenkfrequenz des Spiegels 12 wird mit der Bewegung des Werkstücks 16, auf welches der pendelnd bewegt? Strahl gerichtet wird, synchronisiert Dieser Synchronismus berücksichtigt auch die Abmessungen des pendelnd bewegten Strahls, wie er auf das Werkstück projiziert wird. Dies ist in F i g. 2 gezeigt, welche eine bildliche Darstellung des fokussierenden Spiegels 11, des Ablenk-Spiegels 12 und des Werkstücks 16 ist. Der Strahl von dem Ablenk-Spiegel 12 streicht über einen Zielbereich 17 auf dem Werkstück. Das Werkstück wird in Richtung eines Pfeils 18 bewegt, welcher senkrecht zu der Ablenkung des pendelnd bewegten Strahls und parallel zu der durch einen Pfeil 19 dargestellten Pendelrichtung ist. Durch geeignete Einstellungen der Größe des Pendelnd bewegten Punktes, dargestclli durch einen langgestreckten Punkt 21. der \blcnkfrequenz des Ablenk-Spiegels 12 und der Geschwindigkeit des Werkstücks in Richtung des Pfeils 18 erfolgt ein verständiges Überstreichen des abgetasteten Zielbereichs 17 des Werkstücks. Dieses Überstreichen ist in F i g. 2 durch die durchgehenden Linienzüge 22 bis 25 dargestellt, welche nebeneinander liegende Abtastungen des pendelnd bewegten Laser-Punkts 21 darstellen. Der Strahl schwingt dann sehr abrupt in eine untere Position 26 und ist bereit für die nächste Abtastung nach oben. Die plötzlichen Rückführzeilen von jedem der nebeneinander durchgeführten Abtastungen zu der nächsten Abtasturtg sind durch gestrichelte Linien 27 dargestellt. Wie klar zu sehen ist, streicht der abtastende, pendelnd bewegte Punkt 21 von dem Spiegel 12 konl'nuierlich über den gleichen räumlichen Bogen, wie er durch die Linie des Bogens 15 dargestellt wird, und diese Abtastung fc.-folgt von einer Position 31 zu einer Position 32 des Strahls mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit. Um dicht aneinander angrenzende benachbarte Abtastungen entsprechend den Linienzügen to 22 bis 25 in Fi g. 2 zu erhalten, sollte die Abtasizeit des pendelnd bewegten Strahls von der Unterseite bis zur Oberseite jeder Abtastung mal der Geschwindigkeit des Werkstücks in Richtung des Pfeils IS gleich der Breite D des pendelnd bewegten Laserstrahls sein. Weiter muß b5 der Strahl von dem oberen Ende der Abtastung zum unteren Ende in Bereitschaft für die nächste Abtastung nach oben während einer Zeitdauer viel kürzer als die Abtastzeit zurückbewegt werden, so daß sich das Werk-

stück 16 nicht wesentlich bewegt hat. Gleichzeitig dart der Laserstrahl nicht zugeführt werden, sich nicht über eine fertige Abtastung bewegen oder diese überlappen, es sei denn mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, welche wesentlich höher als die Abtastgeschwindigkeit ist. Einige Techniken, um dies zu erreichen, sind kurz beschrieben folgende:

1. Wie in Fig.2 dargestellt, kann der pendelnd bewegte Laserstrahl während des Rückführens ausgeblendet werden.

2. Ohne ein Ausblenden des Strahls kann das Rückführen bei einer sehr hohen Geschwindigkeit verglichen mit der Abtastung erfolgen, so daß die zusätzliche durch das Rückführen des Strahles im Ablastbereich abgegebene Strahlungsenergie unwesentlich ist. Diese schnelle Rückführung läßt sich durch einer» entsprechend "eforiuten Nocken 4! erreichen. Ein Beispiel einer solchen Nockenform ist eine archimedische Spirale, welche eine lineare Ablenkung mit einer schnellen Rückführung ergibt. Wenn eine schnelle Rückführung verwendet wird, sind Zahnräder 48 und 49. Welle 47 und Scheibe 38 nicht erforderlich und können weggelassen werden.

3. Die langsamen Abtastungen gefolgt von schneller Rückführung können mit einer intermittierenden Bewegung des Werkstücks in Richtung des Pfeils 18 synchronisiert werden, so daß sich das Werkstück relativ langsam während einer Abtastung und schnell während der Rückführung bewegt, mit dem Ergebnis, daß die Abtastungen nebeneinander und unmittelbar benachbart wie in Fig.2 dargestellt angeordnet sind.

4. Der Ablenk-Spiegel 14 und der Mechanismus 14 für den Antrieb des Spiegels können derart sein, daß der von dem abtastenden, pendelnd bewegten Strahl während des Rückführens gebildete räumliche Bogen nicht der gleiche ist wie der von dem Strahl während einer Abtastung durchlaufene Bogen. Zum Beispiel kann der Ablenk-Spiegel 12 um seine Achse 13 gekippt werden, um eine Abtastung entlang beispielsweise dem Linicnzug 25 von der unteren Position 26 in eine obere Position entsprechend dem Punkt 21 der Abtastung /u erzeugen, und dann würde der Spiegel 12 um eine andere Achse kippen oder die Achse 13 würde sich verschieben und der Spiegel 12 schnell um die neue Achse gekippt werden, um die Rückführung entsprechend der Linie 27 zu erreichen.

5. Der fokussierende Spiegel 11 könnte um eine Achse 35 in einer durch einen Pfeil 36 angedeuteten Richtung gerade während des Rückführungszyklus gekippt werden, um den pendelnd bewegten Strahl am Ende der Rückführung zu der Unterseite des abgetasteten Bereichs unmittelbar benachbart und entlang der vorher durchgeführten Abtastung und bereit für die nächste Abtastung zurückzuführen. In diesem Punkt würde der fokuss'erende Spiegel 11 in seine ursprüngliche Position während der nächsten Abtastung durch den Ablenk-Spiegel 12 zurückgeführt. Es ist klar /u erkennen, daß diese Technik Synchronismus zwischen dem Antrieb für den fokussierenden Spiegel 11 und dem Antrieb des Abienk-Spiegels 12erforderi.

Dies ist lediglich eine der Techniken, welche angewendet werden kann, um sicherzustellen, daß der von jeder der aufeinanderfolgenden Abtastungen des Laserstrahls, z. B. entlang der Linienzüge 22 bis 25, überdeckte Bereich eine Laserbestrahlung von durchgehend gleichmäßiger Intensität erhält, so daß die Oberfläche des derart überstrichenen Werkstücks durch den abtastenden, pendelnd bewegten Laserstrahl gleichmäßig auf eine gleichmäßige Tiefe erwärmt wird. F i g. 2 zeigt den synchron mit dem antreibenden Mechanismus 14 für den Ablenk-Spiegel 12 angetriebenen mechanischen Aufbau zum Sperren des Laserstrahls zwischen der Off-ίο nung 10 und dem fokussierenden Spiegel U derart, daß der Strahl während des Rückführens oder wenigstens unmittelbar folgend auf die Rückführung mit hoher Geschwindigkeit, gesperrt wird, welche ausreicht, das Werkstück ausreichend zu verschieben, bis der Strahl für eine weitere Abtastung bereit ist. Dieser Mechanismus 37 enthält eine abblendende Scheibe 38. welche synchron mit dem antreibenden Mechanismus 14 für den Ahlenk-Spiegel 12 gedreht wird. Der antreibende Mechanismus 14 enthält einen Antriebsmotor 39. wcl- _>« eher einen Nocken 41 in Kontakt mit einer Schwenkstangc 42 für den Ablcnk-Spicgel antreibt. Im Heiiieb bewegt sich, wenn der Nocken in Richtung eines Pfeils 43 gedreht wird, die Schwenkstange 42 vor und zurück und schwenkt den Spiegel 12 gegen die Wirkung einer >-> Feder 44. Die in F i g. 2 dargestellte Position dieses Nokkens ist die am Ende einer Abtastung, wobei sich die Schwerstange 42 an der Stufe 45 des Nockens befindet. Wenn sich der Nocken durch diese Stufe dreht. schwingt der Spiegel 12 sehr plötzlich den Strahl vom oberen Ende des abgetasteten Zielbereichs 17 des Werkstücks über den Rückführungsweg längs der Linie 27 nach unten. Das Abtasten wird dann angehalten, während sich das Werkstück genügend bewegt, um den pendelnd bewegten Strahl in die richtige Position für die nächste Abtastung zu bringen, und während dieser Pause wird der Strahl vorzugsweise ausgeblendet, so daß er nicht weiter auf einem Bereich des Werkstücks auf trifft. ehe die nächste Abtastung beginnt. Der Strahl wird während dieser Zeitdauer durch die abblendende Scheibe 38 ausgeblendet, welche sich auf der Welle 47 mit dem Zahnrad 48 dreht. Das Zahnrad 48 wird durch das entsprechende Zahnrad 49 in Form eines Kegelrades auf der Welle von dem Nocken 41 angetrieben. Wenn sich der Nocken in Richtung des Pfeiles 43 dreht, dreht sich die Scheibe 38 in Richtung eines Pfeils 51. Der Synchronismus ist derart, daß beim oder unmittelbar folgend auf die Schwenkung des Abienk-Spiegels 12 beim Rückführen die Scheibe 38 den Laserstrahl während des folgenden halben Zyklus der Umdrehung des so Nockens abblendet, zu welcher Zeit der Strahl v.«mn am unteren Ende des abgetasteten Bereichs des Werkstücks und in einer Position für den Beginn der nächsten Ablenkung ist.

Der mittlere Intensitätsgradient über den pendelnd bewegten Laserstrahl (über die Abmessung D des Strahls) wird grundsätzlich durch die Wellenform der Pendelschwingung, welche den Spiegel 6 antreibt, bestimmt- Dieses mittlere Intensitätsprofil hängt auch von dem Profil des ursprünglichen Laserstrahls ab. Als Regel wird jedoch das mittlere Intensitätsprofil über dem pendelnd bewegten Strahl Spitzen oder Flügel an den Enden zeigen, und diese sind unerwünscht, wenn es der Zweck des pendelnd bewegten Strahles ist. ein Muster wie in F i g. 2 gezeigt auf einem Werkstück zu übcrsireitö chcn und eine gleichmäßige Erwärmung mit gleichmäßiger Tiefe in dem übcrsirichencn Bereich des Werkst Gkkes zu erzeugen. Diese Hügel oder Spitzen 55 in Fig.4 werden durch die Öffnung 10 abgeschnitten. Diese Off-

nung kann variabel ausgebildet sein, so daß in jedem Falle durch Ändern dieser öffnung Einstellungen vorgenommen werden können, um das Intensitätsprofil des pendelnd bewegten Strahls zu beschneiden.

Das in F i g. 4 dargestellte Intensitätsprofil des pendelnd bewegten Strahls wird erreicht durch Verwendung eines ursprünglichen Strahls mil einem angenäherten C' luss'schen Intensitätsprofil, welcher um einen Abstand von etwa 5 mal dem ursprünglichen Strahldurchmesser gependelt wird, wobei die charakteristische Pendelwellenform sinusförmig ist. Wenn d'e natürliche Punktgröße des Laserstrahls in dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten System, während der Strahl ohne Pendelbewegung und ohne Ablenkbewegung auf das Werkstück projiziert wird, in der Größenordnung von etwa 4.76 mm im Durchmesser ist. würde die Abmessung D des bewegten Strahles auf dem Werkstück in der Größenordnung von etwa 25,4 mm sein. In diesem Falle würde die Gcsriuiiabiricssung der Pendelbewegung bei weggelassener Öffnung 10 größer als etwa 25.4 mm sein. «.la die öffnung die Iniensiiütsspii/en an den Enden des pendelnd bewegten Strahls, wie in F i g. 4 gezeigt, entfernt.

Während als Beispiel ein Strahl mit einer Gauss'schcn

den, daß es die in F i g. 5 gezeigte Form hat. Dies ergibt angenähert ein Sägezahn- oder Rampenprofil, wenn die Flügel an den Enden durch eine öffnung abgeschnitten werden. Statt z. B. den Spiegel 6 sinusförmig zu bewe-

¹J gen, was dazu führt, daß ein niedriger Abschnitt im mittleren Bereich und Spitzen an den Enden entstehen, kann das in F i g. 5 gezeigte näherungsweise sägezahnförmige Profil mit geeigneten, den Spiegel tragenden Befestigungen und einem Signalformnetzwerk zum Einspeisen eines elektromechanischen Betätigungsgliedes erzeugt werden, welche den Torsionsstab 7 und die mechanische Antriebseinrichtung 8 für den Torsionsstab ersetzen. Zum Beispiel kann der Spiegel 6 in einem sich drehenden Lager und direkt durch ein elektromechanisches Betätigungsglied angetrieben werden, welches durch elektrische Impulse von dem Netzwerk eingespeist wird, wobei diese Impulse derart vorgeformt sind, um den gewünschten Pendelzyklus zu erhalten. Als weiteres Beispiel läßt sich das hutförmige Intensitätsprofil des

>o pendelnd bewegten Strahls, wie in F i g. 8 gezeigt, erreichen, wenn ein besonders geformter F.inspciseimpuls mit Impulsspitzen auf beiden Seiten verwendet wird. Dieser würde bewirken, daß das elcktromechanische Betätigungsglied den Spiegel 6 derart antreibt, daß der

Intensitätsverteilung dargestellt worden ist. versteh« es 25 Spiegel seine Richtung von im Uhrzeigersinn zu gegen

sich, daß die Erfindung nicht auf Strahlen mit einer solchen Intensitätsverteilung beschränkt ist So kann ein ringförmiger Strahl mit einem Intensitätsprofil wie in F i g. 6 dargestellt pendelnd bewegt werden, um wenigstens angenähert das gleiche Intensitätsprofil zu erzielen, wie es in F i g. 4 gezeigt und beschrieben worden ist. Als ein Beispiel für die Verwendung des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Aufbaus sei ein Werkstück gewählt, welches aus Gußeisen besteht, und dessen Zielbereich

den Uhrzeigersinn sehr schnell ändern und dann eine konstante Geschwindigkeit während der weiteren Drehung des Spiegels bei Beendigung des Pendel-Zyklus beibehalten würde.

jo Die oben beschriebenen Techniken ergeben einen pendelnd bewegten Laserstrahl, bei welchem die Pendelbewegung in einer Richtung quer zum Strahl erfolgt, während der bewegte Strahl zum Überstreichen eines Werkstücks quer zur Pendelrichtung veranlaßt wird, ein glatter Oberflächenbereich des Gußeisens überzo- j5 Der Strahl kann auch in zwei orthogonalen Richtungen gen mit einem Material wie Manganphosphat ist. wel- wie in Fig.9 gezeigt, gependelt werden, wobei zwei chesfür !0.6 Jim Strahlung stark absorbierend ist. orthogonal gependelte Spiegel wie in Fig. 10 gezeigt.

Wenn der ursprüngliche Laserstrahl ein Strahl mit verwendet werden, um auf der Oberfläche eines Werk-10.6 μπι Wellenlänge ist, und die Strahlleistung etwa Stücks einen großen Sirahlbereich mit einem im wesent-10 kW beträgt, während die Pendclfrequenz 300 Hz und 40 liehen flachen Intensitätsprofil über dem Strahlbereich die Ablenkgeschwindigkeit über die Oberfläche des in jeder Richtung zu erhalten.

Werkstücks etwa 5.08 m/min ist. ergibt sich ein guter Das System in F i g. 10 enthält einen Teil des in F i g. 1

Aushärtvorgang der Oberfläche. Wenn z. B. die Härte gezeigten Systems. Es enthält die öffnung 3. den fokusder Oberfläche des Gußeisens etwa 30 auf der Rock- sierenden Spiegel 4 und den auf dem Torsionsstab 7 well-C-Skala vor der Behandlung war, so hat sich ge- 45 befestigten Spiegel 6. welcher von einem Betätigungszeigt, daß die Oberflächenhärte nach der Behandlung glied 60 so angetrieben wird, daß dieser Spiegel um die auf 55 bis 60 auf der gleichen Rockwell-C-Skala ange- Achse 9 schwingt Dieses ist das X- Pendelsystem 61, stiegen war, und dies ist etwa so hart wie dieses Materi- welches bei 62 einen in X-Richtung pendelnd bewegten al überhaupt gemacht werden kann. Eine graphische Strahl erzeugt Ein ähnliches Pendel-System, das V- Pen-Darstellung der Härte über der Tiefe in einer solchen 50 delsystem 63, bewegt den Strahl pendelnd in der Y-Gußeisenoberfläche ist in F i g. 7 gezeigt Wie zu erken- Richtung, so daß ein auf ein Werkstück 65 projizierter, nen ist, erstreckt sich der gehärtete Bereich in die Ober- doppelt pendelnd bewegter Strahl 64 einen großen fläche etwa 038 mm hinein. Diese Behandlung erfordert Punkt 66 erzeugt, welcher wesentlich größer sowohl in kein Abschrecken, weil nur ein sehr geringer Teil des der X- als auch in der V-Richtung ist, als der ohne Pen-Gußeisens über die kritische Temperatur des Gußeisens 55 delbewegung auf das Werkstück projizierte Punkt 67. erwärmt wird, und weil dieser erwärmte Teil ein sehr Das V-Pendelsystem 63 enthält einen Spiegel 71, wel-

großes Verhältnis Oberfläche zu Volumen hat kühlt er eher auf einem Torsionsstab 72 befestigt und von einem sich nach dem Durchgang des Strahles sehr schnell ab, V-Betätigungsglied 73 so angetrieben wird, daß der wodurch eine Oberflächenhärte erreicht wird, welche Spiegel um eine Achse 74 schwingt Die Achse 9 und 74 ebenso groß ist wie sie bisher mit üblichen Techniken 60 werden hier die X-Achse und die Y-Achse genannt In erreicht werden konnte. dem gezeigten System sind die X- und V-Betätigungs-

Das Intensitätsprofil des pendelnd bewegten Strahles kann so beschnitten werden, daß es fast jede beliebige Form hat Die in Fig.4 gezeigte Form des Intensitätsprofils ist verwendbar für die Wärmebehandlung einer Metalloberfläche, um die Oberfläche wie oben beschrieben gleichmäßig zu härten. Das Intensitätsprofil des pendelnd bewegten Strahls kann auch so geformt wer-

glieder 60 und 73 nicht synchronisiert und werden von verschiedenen, pulsformenden Netzwerken 75 und eingespeist.

Der relativ große, im wesentlichen rechteckig oder quadratisch geformte Punkt 66 wird erzeugt wenn X- und ^-Oszillatoren 77 und 78 verschiedene Frequenzen haben und nicht synchronisiert sind. Wenn diese Oszilla-

si ⁹

•'Is toren durch einen einzigen Oszillator 79 ersetzt werden,

welcher sowohl die X- als auch die V-Impulsnetzwerke Λ speist, wird die Form des pendelnd bewegten, auf das

|i Werkstück projizierten Punktes von der Phase der

Schwingung der beiden Spiegel 6 und 71 wie auch von

fS der Amplitude der Pendelbewegung abhängen.

% Wenn z. B. ein einziger Oszillator verwendet wird,

Q d. h. die X- ut.üdie V-Frequenz gleich ist, und die Spie-

$j gel mit 90° Phasenverschiebung und gleichen Amplitu-

§ii den gependelt werden, wird der projizierte Punkt ein

Ring sein. Wenn in dem gleichen Fall die Amplituden nicht gleich sind, wird der Punkt eine Ellipse sein. Wenn eine Frequenz zweimal so groß wie die andere ist, kann der Punkt die Form einer Acht haben. Es ist klar, daß durch Ändern der X- und Y-Pendelfrequenzen. Amplituden und Phasen alle bekannten Lissajous- Figuren erzeugt und auf das Werkstück projiziert werden können. Die doppelte Pendelbewegung, d. h. eine Pendelbewegung in zwei orthogonalen Richtungen, könnte auch mit einem einzigen Spiegel erreicht werden, welcher in einer doppelten kardanischen Aufhängung befestigt ist. wobei die X-Antriebseinrichtung eine Kardanachse und die V-Antriebseinrichtung die andere Kardanachse antreibt. Dieser Aufbau ist in F i g. 11 dargestellt. Die doppelte Kardanaufhängung 80 enthält eine äußere Kar- danaufhängung 81 und eine innere Kardanaufhängung 82, welche um eine in der Kardanaufhängung 81 gehaltene Achse 83 schwenkbar ist. Der Spiegel 84schwenkt um eine V-Achse 85. welche in der Kardanaufhängung 82 gehalten ist. Der X-Antrieb 86 setzt die innere Kar- jo danaufhängung in bezug auf die äußere in Schwingung und der V-Antrieb 87 setzt den Spiegel in bezug auf die innere Kardanaufhängung in Schwingung.

Die zwei in den Fig. 10 und 11 gezeigten Pendelsysteme können auch in Kombination verwendet werden, js In einer Ausführungsform würde das System nach Fi g. 10 einen doppelt pendelnd bewegten Strahl erzeugen, welcher in einem beliebigen Muster durch das in F i g. 11 gezeigte System über das Werkstück geführt würde. In einer anderen Ausführungsform würde das in Fig. 11 gezeigte Sys'em einen doppelt pendelnd bewegten Strahl erzeugen, während das System nach Fig. tO das gewünschte Ablenkmuster auf dem Werkstück erzeugen würde.

45

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

50

Claims

Patentansprüche:

1. Laseranordnung, in welcher ein einfallender Laserstrahl durch Reflexion zur Erzielung eines vorbestimmten Intensitätsprofils aufgefächert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auffächerung ein mechanisch angetriebener Spiegel (6) vorgesehen ist, der den reflektierten Strahl um eine Achse quer zu dem einfallenden Strahl räumlich ie pendelt und daß ein Sperrelement mit einer durch dieses verlaufenden öffnung (10) mit Abstand zu der reflektierenden Oberfläche des Spiegels (6) und in einer derartigen Position angeordnet ist, daß nur ein zentraler Teil des von dem pendelnden reflektierten Strahl durchlaufenen räumlichen Strahlungsmusters durch die öffnung (10) des Sperrelements durchläuft.

2. Lascranordnung nach Anspruch 1, dadurch geverlaufende Schwenkachsen verschwenkbar sind, so daß durch diese Anordnung ein vorbestimmtes Abtastraster erzeugt werden kann, und zwar durch die geeignete Auswahl der Bewegungsfrequenz der zwei SpiegeL Kürzlich ist ferner vorgeschlagen worden, die Oberfläche eines Metallstücks selektiv dadurch zu erwärmen, daß ein Hochleistungslaserstrahl über Bereiche der Oberfläche, weiche mit einem zum Absorbieren der Energie des Strahls ausgewählte Material behandelt sind, gerichtet wird. Die Vorteile dieser Technik bestehen darin, daß ausgewählte Bereiche der Oberfläche des Metallstücks mit dem Material überzogen werden können, so daß, wenn der Strahl über die Oberfläche streicht, nur die mit dem Material bedeckten Bereiche erwärmt werden. Der abtastende Laserstrahl erwärmt also selektiv die Oberfläche des Metallstücks auf eine über der kritischen Temperatur liegende Temperatur, ohne daß die Materialtemperatur des Metallstücks so weit erhöht wird, daß ernste Verformungen oder andere

kennzeichnet, daß das von der öffnung (10) austre- 20 ungünstige Wirkungen durch die Erwärmung bewirkt tende räumliche Strahlungsmuster auf eine Ziel- werden. Der Laserstrahl kann so gesteuert werden, daß

die Oberfläche des Metallstücks über die kritische Temperatur auf eine Tiefe von nur einigen Tausendstel Centimeter oder weniger erwärmt wird. Hierauf erfolgt d;is Abschrecken der Oberfläche durch Leiten der Wärme aus der Oberfläche- in das Basismetafl. Da die von dem

oberfläche (16) zum Zwecke des gleichmäßigen Besirahlens der Oberfläche auftrifft.

3. Laseranordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des auf die Zieloberfläehe (16) auftreffenden Strahlungsmusiers wenigstens zweimal so groß wie der Durchmesser des auftreffenden Strahles ist, weicher das Muster an der Zieloberfläche bildet.

Laserstrahl erwärmte Oberflächenschicht sehr dünn ist. erfolgt das Abschrecken sehr schnell. Typischerweise besteht ein Hochleistungslaserstrahl

4. Laser?nordnung nach Anspruch 2 oder 3, da- jo jedoch aus einem nadeiförmigen Strahl mit sehr kleinen:

Durchmesser. Die Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Laserstrahls, welche auch Iniensitätsprofil des Strahls genannt wird, hängt sehr wesentlich von der Art des Lasers ab. Ein übliches Profil hat die Form einer gauss'schen Verteilung und bei manchen Lasern ist das Intensitätsprofil U-förmig. Wenn der auf die Oberfläche eines Metallstücks gerichtete abgelenkte Laserstrahl die Form einer ausgeprägten g?yss'schen Verteilung hat. ist es ohne weiteres verständlieh, daß die Erwär-

durch gekennzeichnet, daß zwischen der öffnung (10) und der Zieloberflächt (16) Einrichtungen (11, 12) vorgesehen sind, welche dem aus der Öffnung austretenden räumlichen Strai .ungsmuster eine Abtastbewegung verleihen.

5. Laseranordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen des räumlichen Pendeins und der Abtastbewegung orthogonal zueinander sind.

6. Laseranordnung nach Anspruch 5. dadurch ge- 40 mung der Metalloberfläche in der Mitte des Strahls wc· kennzeichnet, daß die Amplitude der Abtasibcwe- sentlich intensiver ist als die Erwärmung an den Kanten giing wesentlich größer als die Amplitude des räum- oder Rändern des Strahls. Wenn ein solcher Strahl wiclichen Pendeins ist. derholt über die Metalloberfläche abgelenkt wird und

7. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 2 wenn sich die einzelnen Abtastungen dabei nicht übcrbis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Zieloberflä- 45 lappen, wird die Oberfläche nicht gleichmäßig erwärmt ehe (16) eine Metalloberfläche ist. die durch den La- und die Tiefe des Härtens kann somit nicht über den

gesamten Bereich, der von dem Laserstrahl übcrslrichenen Metalloberflache, gleichmäßig erfolgen. Wenn andererseits wiederholte Abtastungen des Laserstrahls auf der Oberfläche des Metalls einander überlappen, wird der Teil einer gegebenen Abtastung, welcher bei der nächsten Abtastung des Strahls überlappt wird, sich zwischen den Abtastungen etwas abkühlen und wird so

serstrahl einsatzzuhärten ist.