DE2908195C2

DE2908195C2 - Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl

Info

Publication number: DE2908195C2
Application number: DE2908195A
Authority: DE
Inventors: Masahisa Hitachi Inagaki; Tomohiko Hitachi Shida; Ryutaro Hitachiota Shinbou; Tomio Umino
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-03-03
Filing date: 1979-03-02
Publication date: 1984-01-05
Also published as: JPS583478B2; GB2015813B; US4315130A; JPS54116799A; FR2418698B1; GB2015813A; FR2418698A1; DE2908195A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum in Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der US-PS 39 41 973 bekannten Art.

Die Energiedichte eines Laserstrahls aus einem Laser hat gewöhnlich eine Verteilung, die verschiedenen Bedingungen unterworfen ist, welche von den Eigenschaften des Lasers abhängen. So zeigt die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls in einer Querschnittsebene senkrecht zur Strahlrichtung ein spezifisches Muster, nämlieh ein Modusmuster, das von den Eigenschaften on des Lasers abhängt.

Wenn der auf diese Weise erzeugte Laserstrahl auf einen zu behandelnden Gegenstand gestrahlt wird, um eine Oberflächenwärmebehandlung zu bewirken, beispielsweise eine Oberflächenhärtung, eine Oberflächen- »ί legierung und dergleichen, ist als erstes eine gleichförmige Energiedichteverteilung im Strahlquerschnitt erforderlich. Bei einem Laserstrahl mit TEMo<- Modus mit einer Gaußschen-Verteilung ist beispielsweise die Energiedichte in der Mitte des kreisförmigen Strahlquerschnitts groß und nimmt exponentiell von der Mitte aus ab. Das heißt, daß die Energie in der Nähe der optischen Achse am stärksten konzentriert ist Wenn der Laserstrahl mit einer solchen Verteilung durch eine Fokussierlinse fokussiert wird und dann auf die Oberfläche des zu behandelnden Gegenstands gestrahlt wird, wird die Laserenergie auf einen Mittelabschnitt der bestrahlten Fläche konzentriert Demzufolge wird die Temperatur im Mittelabschnitt übermäßig gesteigert so daß das Material im Mittelabschnitt verdampft wird und Ausnehmungen und/oder Risse zurückläßt Dadurch wird eine ideale Oberflächenhärtung und eine Oberflächenlegierung verhindert

Als nächstes, auf die genannte Forderung folgend, ist es bei der Oberflächenwärmebehandlung nötig, die gesamte Energiemenge, die auf jede Flächeneinheit auf der bestrahlten Oberfläche des zu behandelnden Gegenstandes gestrahlt wird, gleichförmig zu machen. Es soii nun angenommen werden, daß ein Laserstrah! mit einer gleichförmigen Energiedichteverteilung über seiner kreisförmigen Querschnittsfläche mit einer geeigneten Einrichtung erhalten werden kann und daß dieser Laserstrahl in einer Richtung wirkt, um eine Wärmebehandlung herbeizuführen, beispielsweise um eine relative große Fläche auf der Oberfläche eines zu behandelnden Gegenstandes zu härten. Da die Querschnittsfläche des auf den Gegenstand gestrahlten Laserstrahls in diesem Fall kreisförmig ist, empfängt der Abschnitt der bestrahlten Oberfläche, durch den der Mittelabschnitt des Strahls geht, mehr Energie als der Abschnitt der bestrahlten Oberfläche, durch den der Umfangsabschnitt des Strahles geht. Dadurch ist es schwierig, jeden Abschnitt der zu behandelnden Oberfläche gleichförmig zu erwärmen.

Man hat bereits verschiedene Verfahren zur Erzeugung eines Laserstrahls mit gleichförmiger Energiedichteverteilung vorgeschlagen, die sich :n zwei Hauptklassen einteilen lassen. Bei der einen wird die Energiedichteverteilung mittels eines optischen Systems eingestellt und bei der anderen wird der Aufbau des Lasers so modifiziert, daß dadurch das Problem gelöst wird.

Als Verfahren zum Einstellen der E.iergiedichteverteilung eines Laserstrahls mittels eines optischen Systems ist zunächst ein Filterverfahren zu nennen (JP-PS 26 075/71). Nach diesem Verfahren wird ein Filter, welches in «einem Mittelabschnitt eine geringere Durchlässigkeit als in dem anderen Abschnitt hat, in der Strahlenbahn eines Laserstrahls mit Gaußscher-Verteilung angeordnet, um dadurch die Energiedichtevertei- !jng des Laserstrahls, der durch das Filter geht, gleichförmig zu machen.

Verwendet wird auch ein optisches Streuverfahren (Optical Integraters, SPAWR Optical Research Inc., USA, März 1975, Data Sheet No. 511), mit einem sich nach unten verjüngenden rechteckigen Reflektor mit einem Hohlraum von quadratischem Querschnitt, dessen Innenfläche als reflektierende Oberfläche dient. Ein durgh eine sphärische konkave reflektierende Oberfläche fokussierter Laserstrahl wird durch eine obere öffnung des hohlen Reflektors zu der inneren Reflexionsfläche geführt und dort mehrere Male derart reflektiert, daß der Laserstrahl gestreut wird, um die Energiedichteverteilung zu vergleichmäßigen. Der gestreute Laserstrahl wird durch eine zweite sphärische konkave Reflexionsoberfläche zur Abstrahlung auf ein Werkstück wieder fokussiert.

Man hat auch versucht, eine gleichförmige Energiedichteverteilung dadurch zu erreichen, daß man einen Laserstrahl einer nicht gleichförmigen Energiedichteverteilung um die optische Achse rotieren läßt (JP-PS 5 665/69).

Als Verfahren zum Modifizieren des Aufbaus eines Lasers zur Erzielung einer gleichförmigen Energiedichteverteilung des emittierten Laserstrahls, wurde ein COi-Laser vorgeschlagen, der eine hohe Nennabgabeleistung von 5 kW hat und einen kreisförmigen Laserstrahl abgibt, der eine große Anzahl von Spitzen der Energiedichteverteilung aufweist, die als Ganzes im wesentlichen vergleichförmigt sind (Katalog vom 1.2.1977 der GTE Sivania Ine, Modell 975).

Das bekannte oben beschriebene Filterverfahren (JP-PS 26 075/71) hat den Nachteil, daß ein Großteil der Laserenergie verlorengeht. Bei dem beschriebenen Streuverfahren erhält man zwar einen Laserstrahl mit einem quadratischen Querschnitt und einer gleichförmigen Energiedichte verteilung. Der Nachteil liegt jedoch darin, daß der Strahlquerschnitt übermäßig aufgeweitet ist und nicht in einer Richtung fokussiert werden kann, um einen schmalen streifenförmigen Strahl zu erhalten, so daß der Wirkungsgrad der thermischen Oberflächenbehandlung schlecht ist. Bei dem rotierenden Laserstrahl ergibt sich ein auf die Oberfläche eines zu behandelnden Gegenstandes gestrahlter Laserstrahl mit kreisförmigem Querschnitt. Bei einem solchen Laserstrahl kann jedoch die gesamte Menge der Strahlungsenergie auf die einzelnen Flächeneinheiten der bestrahlten Oberfläche nicht vergleichmäßigt werden. Zusätzlich ergeben sich bei diesem Verfahren Schwierigkeiten mit der Fokussierung des Strahls in eine Richtung zur Erzielung eines Strahls mit geringer Breite. Der genannte CO₂-Laser schließlich erfordert unbedingt einen Laser mit großer Leistung. Bei ihm ergibt sich das gleiche, obenerwähnte Problem aus dem kreisförmigen Querschnitt des Strahls.

Aus Fig. 2 der US-PS 39 41 973 ist es bekannt, den Laserstrahl durch einen »Kompressor« zu führen, der aus zwei symmetrisch zufh Laserstrahl angeordneten Spiegeln mit sich in Portpflanzungsrichtung des Laserstrahls verringender Spaltbreite be.'teht. Der Laserstrahl wird mittels des Kompressors in mehrere Teilstrahlen mit gleichgroßem Querschnitt geteilt. Hierbei werden die Randbereiche des Laserstrahls mit Gauß'scher Energiedichteverteilung dem mittleren Bereich überlagert, so daß sich am Austritt des Kompressors eine gleichmäßige Energieverteilung des Laserstrahls ergibt. Eine praktische Anwendung dieser Anordnung ist jedoch nicht möglich, weil, würde man das Werkstück unmittelbar am Austritt des Kompressors anordnen, die Spiegelflächen binnen kurzer Zeit beschlagen und unbrauchbar würden. Ordnet man, wie in der Ausführungsform der Fig. 2 der US-PS 39 41 973 vorgesehen, zwischen dem Austritt des Kompressors und der Oberfläche des Werkstücks eine Linse an, die den Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert, so ergibt sich zwar ebenfalls ein rechteckiger Laserstrahl mit gleichmäßiger Energiedichteverteilung, sein Querschnitt beträgt jedoch nur etwa 0,025 bis 0.05 · 0,16 mm (Spalte 4, Zeilen 9 bis 20 der US-PS 39 4! 973), so daß eine wirtschaftliche Anwendung niehl möglich ist.

Aus Fig. 8 der US-PS 39 41 973 ist schließlich eine Vorrichtung der i:,Tt Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art bekannt, bei der der Laserstrahl durch eine Prismenanorduung hindurchgeführt wird, die

aus zwei mit ihrer Grundfläche einander gegenüberliegend und mit einem Abstand zueinander angeordneten Einzelprisrnen besteht. Der mittlere Bereich d?s Laserstrahls tritt ungehindert durch den Zwischenraum zwischen den beiden Prismen hindurch, während die äußeren Bereiche durch die Prismen hindurchtreten und nach innen abgelenkt werden, so daß sich die äußeren Bereiche des Laserstrahls in einem gewissen Abstand von der Prismenanordnung über den mittleren Bereich überlagern. Eine weitere Oberlagerung erfolgt hinter einer Kondensorlinse auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks. Hierbei ließe sich zwar die zu behandelnde Oberfläche auch im Bereich der Überlagerung der äußeren Laserstrahlbereiche auf den mittleren Laserstrahlbereich anordnen, ohne daß die Prismen Schaden nehmen. Als Prismen müssen jedoch für einen CXVLaser hoher Leistung Kristallprismen aus KCl, GaAS oder dergleichen verwendet werden, die einen hohen Anteil der Strahlenergie absorbieren. Infolgedessen ist die Energieverteilung im zusammengelegten Laserstrahl hinter der Prisrp"nanordnung ungleichmäßig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art so auszubilden, daß rechteckige Flächen mit in wenigstens einer Richtung annähernd gleicher Energiedichteverteilung von der Laserstrahlung beaufschlagbar sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich ein Laserstrahl erzielen, bei dem die Energiedichteverteilung auf der bestrahlten Fläche bzw. über seinen Querschnitt in wenigstens einer Richtung gleichmäßig ist. Er kann daher thermisch behandelte Schichten gleichförmiger Tiefe bilden und die Qualität des behandelten Bereichs stabilisieren. Die Breite des zur Behandlung zur Verfügung stehenden Laserstrahls ist etwa halb so groß wie die des ursprünglichen Lasf-strahls, so daß er eine große Querschnittsfläche aufweist und eine wirtschaftliche Behandlung möglich ist.

Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich anführen, daß sie ohne entrgieabsorbierende Prismen und Linsen auskommt, die einen hohen Anteil der Energie absorbieren würden. An deren Stelle werden Spiegel mit ebenen oder konkav oder konvex gekrümmten Reflexionsflächen benutzt. Dies trägt auch zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit der Vorrichtung bei.

Aus Fig. B der Abhandlung über »Lightscanners« in IBM Tech. Disc. Bull., Band 16, No. 6, Nov. 1973, Seiten J964 his 1966 ist eine Einrichtung zur Teilung eines Lichtstrahls bekannt, die eine konkav gekrümmte Reflexionsoberfläche zweiter Ordnung aufweist. Die dort gezeigte Anordnung dient allerdings zur schattenfreien Ausleuchtung von Halbleitersubstraten.

Bevorzugte Weiterbindungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemj'.ßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.

Die dort aufgeführten Kombinationen von konkav bzw. konvex gekrümmten und ebenen fteflexionsflächen ermöglichen es, den Brennfleck auf dem zu bearbeitenden Werkstück in weiten Grenzen den speziellen Erfordernissen eir.er bestimmten Behandlung anzupassen.

Die Verwendung solcher planer bzw. konkaver

Spiegel zur Abbildung eines Lichtstrahlbündels auf die Oberfläche eines Werkstücks ist aus der US-PS 38 48 104 an sich bekannt.

Ebenso wird durch die Kombination eines konvex gekrümmten Strahlteilers mit konkav gekrümmten i Fokussierungsspiegeln erreicht, daß die Strahlungsbelastung auf eine größere Fläche auf den Fokussierungsspiegeln verteilt wird. Damit kann bei sehr hochenergetischer Strahlung eine möglicherweise auftretende Beschädigung der Reflexionsflächen vermieden werden, m

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht den Gesamtaufbau einer Ausführungsform einer Vor- π richtung zur Laserbehandlung,

Fig. 2 eine schematische Anordnung einer Vorrichtung,

F i g. 3 die Querschnittsform des mit der Anordnung von F i g. 2 auf einem zu bearbeitenden Werkstück :o erhaltenen Laserstrahls,

F i g. 4 Schema einer modifizierten Anordnung,

Fig. 5 und 6 die Querschnittsformen der Laserteilstrahlen der Anordnung von F i g. 4,

F i g. 7 die Querschnittsform und die EnergiedicKte- j-, verteilung eines mit der Anordnung nach Fig.4 erzielten, auf ein zu bearbeitendes Werkstück gestrahlten Laserstrahls.

Fig.8 in einem Schema eine weitere modifizierte Anordnung, w

Fig.9 die Querschnittsform des mit der Anordnung von Fig. 8 erhaltenen, auf einen zu bearbeitendes Werkstück gestrahlten Laserstrahls,

Fig. 10 perspektivisch eine modifizierte Ausführungsform eines Reflexionsspiegels zum Aufteilen eines r. Laserstrahls und zum Zusammensetzen der Laserteilstrahien.

Fig. 1! bis 14 perspektivisch verschiedene Ausführungsformen eines Reflexionsspiegel zum Aufteilen eines Laserstrahls, w

Fig. 15 perspektivisch eine Versuchsausführungsform einer Laserbehandlungsvorrichtung zur Behandlung eines Gegenstandes und

Fig. 16 in einer Teilansicht einen gehärteten Bereich in einem mit der Anordnung von Fig. 15 behandelten i; Gegenstand.

Der in F i g. 1 gezeigte Gesamtaufbau einer Laserbehandlungsvorrichtung enthält einen Laser 10 zur Erzeugung einer Laserstrahls 12 und einen Kopf 11 mit einer Schutzabdeckung oder einem Gehäuse 13. Der Laserstrahl 12 wird ins Innere des Kopfes 11 durch eine Laserstrahleinlaßöffnung 15 im Kopf geführt.

Der Laserstrahl 12 wird an zwei reflektierenden Oberflächen eines Spiegels 14 reflektiert und in zwei Teilstrahlen 16 und 18 aufgeteilt. Die beiden Teilsirahlen 16 und 18 werden zu Reflexionsspiegeln 20 bzw. 22 geführt, die vorzugsweise die Form einer konkaven Oberfläche zweiter Ordnung haben. Dort werden die Teilstrahlen reflektiert und zu einer Laserstrahlauslaßöffnung 30 im Gehäuse 13 derart geführt, daß sie auf einer zu bestrahlenden Fläche eines zu bearbeitenden Werkstücks 24 wiedervereinigt bzw. zusammengesetzt werden. Zur Positionierung des aufteilenden Spiegels 14 und der Reflexionsspiegel 20, 22 sind Einstelleinrichtungen 25, 26, 27 und 28 vorgesehen, mit denen die o5 Projektion der von den Reflexionsspiegeln 20 und 22 reflektierten Teilstrahlen derart eingestellt werden kann, daß die Teilstrahlen an einer gewünschten Stelle des zu bearbeitenden Werkstücks 24 zusammengesetzt werden. Die Einstelleinrichtungen 25, 26 und 27 dienen zur Einstellung der Reflexionsspiegel 20 und 22. Bei dieser Einstellung erfolgt eine Verschiebung in die Richtung, in welcher der Laserstrahl 12 läuft, im folgenden als Z-Richtung bezeichnet, eine Verschiebung in Richtung der Firstlinie zwischen den zwei reflektierenden Oberflächen des teilenden Spiegels 14 in einer Ebene senkrecht zur Z-Richtung, die im folgenden als K-Richtung bezeichnet wird, und eine Verschiebung in der Richtung senkrecht zur K-Richtung in der Ebene senkrecht zur Z-Richtung, auf die im folgenden als X- Richtung Bezug genommen wird. Die Einstelleinrichtung 28 dient zum Verschieben des teilenden Spiegels 14 in der K-Richtung.

Eine bevorzugte Ausführungsform arbeitet nach dem im folgenden näher beschriebenen Prinzip.

Bei der in F i g. 2 beschriebenen ersten Ausführungsform der Vorrichtung wird ein Laserstrahl J2, der Vorn Laser 10 emittiert wird und eine Gaußsche-Energiedichteverteilung hat, auf einen satteldachförmigen teilenden Spiegel 14 gestrahlt, der zwei ebene Reflexionsoberflächen 30 und 32 aufweist, wobei die diametrale Mittellinie des Laserstrahlquerschnitts mit der Firstlinie des Spiegels 14 zusammenfällt, um zu gewährleisten, daß der Laserstrahl 12 in zwei gleiche Laserteilstrahlen 16 und 18 aufgeteilt wird. Die beiden Laserteilstrahlen 16 und i8 werden von zwei Reflexionsspiegeln 34 und 36 so reflektiert, daß sie die Strahlenbahnen 38 und 40 bilden. Damit die reflektierten Teilstrahlen 38 und 40 positioniert in einsr in F i g. 3 gezeigten Beziehung auf einer bestrahlten Fläche des zu behandelnden Gegenstands 24 zusammengesetzt bzw. vereinigt werden, werden die Positionen des teilenden Spiegels 14 und der reflektierenden Spiegel 34 und 36 durch die Einstelleinrichtungen 25,26,27 und 28 eingestellt, wie sie in F i g. 1, nicht jedoch in F i g. 2 gezeigt sind. Das Ergebnis dieser Zusammensetzung bzw. Vereinigung der LaSerteilstrahlen besteht darin, daß die Energiedichteverteilung des Laserstrahls auf der bestrahlten Fläche des zu behandelnden Gegenstands 24 im wesentlichen gleichförmig in der X-Richtung ist, wie dies aus Fig.3 zu ersehen ist.

Da bei dieser Ausführungsform die Laserteilstrahlen 38 und 40 so gerichtet werden, daß sie sich auf der zu bestrahlenden Fläche den Gegenstand 24 überschneiden und überlappen, wird die ursprüngliche Gaußsche-Energiedichteverteilung des Laserstrahls, wie er aus dem Laser 10 kommt, in eine im wesentlichen gleichförmige Energiedichteverteilung umgeformt, so daß der aufgestrahlte Laserstrahl gleichförmiger als bei herkömmlichen Verfahren ist.

Außerdem ergibt die Einfachheit des Spiegelsystems mit dem Spiegel 14, der zwei ebene Reflexionsoberflächen 30 und 32 hat, und mit den ebenen Reflexionsspiegeln 34 und 36 zum Zusammensetzen der Teilstrahlen eine billige Konstruktion.

Die in Fig.4 gezeigte zweite Ausführungsform enthält zwei Reflexionsspiegel 42 und 44 zum Zusammensetzen der Teilstrahlen. Jeder Spiegel hat eine zylindrische konkave Reflexionsoberfläche zweiter Ordnung, die sich von den ebenen Reflexionsoberflächen der ersten Ausführungsform unterscheiden. Mit Ausnahme dieses Unterschieds entspricht diese Ausführungsform der zuerst beschriebenen.

Bei dieser zweiten Ausführungsform haben die Laserteilstrahlen 46 und 48, die an den konkaven Flächen 42 und 44 reflektiert werden, eine halbellipti-

sehe Gestalt, die sich mis clem Zusammendrücken in Sehnenridiuing >:ines ilalbkreiscs ergibt. Sie überlappen einander auf dem /u behandelnden Gegenstand 24. wobei die im wesentlichen rechteckige Quersehnittsgestalt von F i g. 7 vorliegt. Der aufgestrahlte Laserstrahl hat eine im wesentlichen gleichförmige Energiedichteverteiluiig in A'-Richtung und ist in V-Richtung ausreichend schmal, wodurch er eine hohe Energiedichte hat.

Da die Laserteilstrahlen durch konkave Reflektoren fokussiert oder konvergiert werden, kann der aufgestrahlte Laserstrahl bei einem Laser nil relativ niedriger Abgabeleistung eine hohe Energie erhalten.

Die in F i g. 8 gezeigte dritte Ausführungsform enthält einen Spiegel 58 zum Teilen des Ursprungslaserstrahls 12 in Form einer regelmäßigen Pyramide mit vier ebenen Reflexionsoberfliichen 50, 52, 54 und 56, sowie ebene Spiegel 60, 62, 64 und 66, die entsprechend angeordnet sind. Mit dieser Ausnahme entspricht diese Ausführungsform der ersten Ausführungsform. Der Laserstrahl 12 ist bei dieser dritten Ausführungsform auf den Scheitel des Spiegels 58 in Form einer regelmäßigen Pyramide zentriert. Auf die Ecken eines quadratischen Bereichs 68 von F i g. 9 wird eine hohe Energie konzentriert. Dementsprechend schneiden sich die Laserieüstrahlen untereinander und werden auf einer zu bestrahlenden Fläche des zu behandelnden Gegenstandes 24 so zusammengesetzt, daß sie einen aufgestrahlten Laserstrahl ergeben, der die in Fig. 9 gezeigte Querschnittsgestalt hat. Der aufgestrahlte Laserstrahl hat eine im wesentlichen gleichförmige F.nergiedichteverteilrng sowohl in X- als auch in V-Richtung innerhalb des quadratischen Bereichs 68.

Anstelle der ebenen Reflexionsspiegel zum Zusammensetzen der Laserteilstrahlen kann diese Ausführungsform durch Reflexionsspiegel modifiziert werden, von denen jeder eine konkave Reflexionsfläche zweiter Ordnung hat, um dadurch die Energiedichte für die Laserstrahienbehandiung zu steigern.

Bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen haben die Reflexionsspiegel zum Zusammensetzen der Teilstrahlen eine ebene Oberfläche oder konkave Reflexionsfläche zweiter Ordnung. Alternativ kann zum Erreichen ähnlicher Effekte ein Reflexionsspiegel verwendet werden, wie er in Fig. 10 gezeigt ist. Dieser Spiege¹ hat eine gekrümmte Reflexionsoberfläche mit Krümmungen in θ\- und 02-Richtung, die als Krümmungsradien R] bzw. R₂ bezeichnet sind.

Der Spiegel 14 zum Teilen des ursprünglichen Laserstrahls 12 in zwei Teilstrahlen, der ebene Reflexionsoberflächen hat und in den vorstehenden Beispielen erläutert wurde, kann so modifiziert werden, daß er jeweils eine konkave Reflexionsoberfläche 70 und 72 zweiten Grades hat. wie dies in F i g. 11 gezeigt ist, wodurch die jeweiligen Laserteilsirahlen fokussiert oder konvergiert werden können.

Außerdem kann ein teilender Spiegel mit konvexen Reflexionsflächen 74 und 76 verwendet werden, wie er in Fig. 12 gezeigt ist. Dabei werden die Laserteilstrahlen einmal durch die konvexen Reflexionsflächen

in divergiert und dann durch konkave Reflexionsspiegel reflektiert und zusammengesetzt.

Der Spiegel 58 zum Teilen des ursprünglichen Laserstrahls in vier Teilstrahlen, der ebene Reflexionsoberflächen hat. wie er vorstehend beschrieben wurde.

kann so modifiziert werden, daß er konkave Reflexionsflächcn 80, 82, 84 und 86, wie er in F i g. 13 gezeigt ist. oder konvexe Reflexionsflächen 90, 92, 94, 96 aufweist, wie er in F i g. 14 gezeigt ist.

Im Versuch wird die Oberfläche eines Kohlenstofl-

:o Stahls mit 0.44% Kohlenstoff mit einem Laserstrahl bestrichen, wie dies in Fig. 15 gezeigt ist, um die Kohlensioffstahloberfläche zu härten, wofür ein kontinuierlicher Kohlendioxidgaslaserstrahl mit einer Leistung von 2 kW, einem Durchmesser von 30 mm und einer Gaußschen-Energiedichteverteilung als Wärmequelle verwende! wird. Der Laserstrahl bestreicht mit einer Geschwindigkeit von 3 m/min das Werkstück. Nach dem Härten wird der den zu behandelnden Gegenstand bildende Kohlenstoffstahl längs der Linie

jo XVI-XVI geschnitten, damit der gehärtete Bereich 100 freiliegt, wie er in F i g. 16 gezeigt ist. Dieser Bereich hat eine I lärte von über 550 VH bei einer Tiefe von 0.4 mm. Der thermische Behandlungswirkungsgrad, nämlich die pro Zeiteinheit gehärtete Oberfläche, wird annähend verdoppelt, verglichen mit einem Verfahren, bei dem ein üblicher Laserstrahl mit Gaußscher-Energiedichteverteilung benutzt wird. Außerdem wird die Unregelmäßigkeit über der gehärteten Tiefe auf ein Minimum reduziert. Die Lageeinsteileinrichtungen 25, 26 und 27 von Fig. 1 für die zusammensetzenden Reflexionsspiegel sind in F i g. 15 mit 110 bezeichnet.

Die Vorrichtung für die Laserbehandlung gemäß dieser Ausführungsform ergibt in einfacher Weise eine Ensrgiedichteverteilung. die für die thermische Behandlung geeignet ist. wobei lediglich ein Kopf 11 mit teilenden und zusammensetzenden Spiegeln an einer herkömmlichen, für das Schweißen spezialisierten Laserbehandlungsvorrichtung befestigt und durch eine Schutzabdeckung oder ein Gehäuse 13 ergänzt zu

so werden braucht.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl

— mit einer Einrichtung (10) zur Erzeugung eines Laserstrahls,

— mit einer Reflexionsflächen (70, 72; 74, 76; 80, 82, 84, 86; 90, 92, 94, 96) aufweisenden Einrichtung (14,58) zur Teilung des Laserstrahls ι η in mehrere Teilstrahlen mit gleichgroßem Querschnitt, und

— mit einer Einrichtung zur Fokussierung der Teilstrahlen auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks so, daß der Brennfleck eine im wesentlichen rechteckige Form hat,

dadurch gekennzeichnet,

— daß dis Reflexionsflächen (70,72; 74,76; 80,82, 84,86; 90,92,94,96) der Einrichtung (14,58) zur Teilung des Laserstrahls (12) jeweils eine gekrümmte Oberfläche zweiter Ordnung aufweisen, aneinander anstoßend durch ausgeprägte Kanten voneinander getrennt angeordnet sind, und

— daß die Einrichtung zum Fokussieren der Teilstrahlen für jeden Teilstrahl jeweils einen Spiegel (20, 22; 34, 36; 42, 44; 60, 62, 64, 66) aufweist, durch die die Teilstrahlen (38, 40; 46, jo 48) auf Jer Oberfläche des Werkstücks (24) zu einer annähernd rechtc."kförmigen Fläche (68) mit in wenigsten.- einer Richtung annähernd gleicher Energiedichte ζΐίΐ mmenführbar sind.

r>

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Fokussieren der Teilstrahlen für jeden Teilstrahl jeweils einen Spiegel (20, 22; 60, 62, 64, 66) mit einer ebenen Reflexionsoberfläche aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Fokussieren <ter Teilstrahlen für jeden Teilstrahl jeweils einen Spiegel (42, 44) mit einer konkav gekrümmten Oberfläche aufweist.