DE3007160A1

DE3007160A1 - Geraet zur laserstrahl-bearbeitung metallischer werkstuecke

Info

Publication number: DE3007160A1
Application number: DE19803007160
Authority: DE
Inventors: Rocca Aldo Vittorio La
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1979-03-05
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1980-09-11
Also published as: IT7967467A0; DE3007160C2; FR2450660B1; GB2046801A; US4288678A; FR2450660A1; GB2046801B; IT1119679B

Description

Exemplar

patäifenwälie; DH)I. tog. H, Weifcnn, CJpL PhfS. Dr. K. B«** 3 U U / 1 D U

Dipl. bsB. F. A.. V/ςΑπο, Dipl. Chem, B. «üb«

Dr.-iiig, H. UsIb _Wa MöhlstaijQ 22, COOO

FIAT AUTO S.p.A.

Corso Giovanni Agnelli 200

Turin, Italien

Gerät zur Laserstrahl-Bearbeitung metallischer Werkstücke

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Laserstrahl-Bearbeitung metallischer Werkstücke, insbesondere zum Piatieren, Legieren und zur Oberflächenhärtung ohne die Verwendung zusätzlicher Materialien.

Bei bekannten Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken mit Laserstrahlung ist der von einem Leistungs-Laser erzeugte Laserstrahl im wesentlichen senkrecht zu der zu bearbeitenden Metalloberfläche gerichtet} das hat zur Folge, daß ein beträchtlicher Anteil (etwa 60 bis 80%) der Laserstrahlung von der Oberfläche reflektiert wird und nur ein geringerer Anteil (etwa 20 bis hO%) von dem Werkstück absorbiert wird.

Zur Verstärkung der Absorption der Laserstrahlung bei der .Oberflächenhärtung ist es bekannt, die zu bearbeitende Oberfläche in einem vorangehenden Arbeitsgang zu schwärzen. Dieser Arbeitsgang besteht im Aufbringen eines Überzuges aus schwarzer Farbe, Ruß oder anderen Substanzen wie beispielsweise Manganphosphat. Diese Vorbehandlung verbessert zwar die Effizienz der anschließenden Bearbeitung, das Ausmaß der Verbesserung ist jedoch unbefriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Laserstrahl-Bearbeitung metallischer Werkstücke zu schaf-

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fen, "bei dem die Relation zwischen der von dem Leistungs-Laser gelieferten und der von dem Werkstück absorbierten Energie verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der beschriebenen Art mit einem Laser-Generator, dessen Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück fokussierbar ist, durch eine Reflektoreinrichtung gelöst, mittels derer die von dem Werkstück reflektierte Strahlung auf dieses zurückfokussierbar ist.

Die Reflektoreinrichtung verbessert nicht nur das Gesamtverhältnis der von dem Werkstück absorbierten Laser-Strahlungsenergie sondern ermöglicht es auch, physikalische und chemische Parameter des bearbeiteten Werkstückbereiches zu messen, in^dem die Strahlung ermittelt wird, die nach der Reflektion an dem bearbeiteten Werkstückbereich auf die Reflektoreinrichtung auftritt.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der Erfindung ,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Line II-II von Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 zeigt eine Querschnittszeichnung einer Varianten des in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung besitzt einen Laser-Generator 2, der so

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angeordnet und eingestellt ist, daß er einen Laserstrahl 3 hoher Leistung erzeugt und auf einem Punkt 4 der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 1 fokussiert.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Achse des Laserstrahles 3 mit einem mit A bezeichneten Winkel relativ zu der Oberfläche des Werkstückes 1 geneigt ist.

Die Vorrichtung umfaßt außer dem Laser-Generator 2 eine Reflektoreinrichtung in Form eines Spiegels 5» der als sphärische Kalotte ausgebildet ist, deren Krümmungsmittelpunkt im Punkt 4 liegt, indem auch der Laserstrahl 3 fokussiert ist.

Der Spiegel 5 ist so gerichtet, daß er die von dem Werkstück 1 reflektierte Laserstrahlung auffängt und in den Fokussierungspunkt 4 des Laserstrahles 3 zurückwirft.

Wie aus Fig. 2 ferner erkennbar ist, ist der Spiegel 5 als Hohlkörper ausgebildet. Sein mit 5a bezeichneter Hohlraum eignet sich für den Durchlauf einer Kühlflüssigkeit, die durch eine Einlaßleitung 6 zufließt und durch eine Auslaßleitung 7 abfließt.

Der Laser-Generator 2 und der Spiegel 5 sind an einem gemeinsamen Tragteil 8 montiert.

Die vorangehend beschriebene Anordnung der Bauteile, bei der der Spiegel 5 die von dem Werkstück reflektierte Strahlung wieder in dem Punkt 4 fokussiert, ermöglicht eine Verbesserung der Relation zwischen der von dem Laser-Generator gelieferten Strahlung und der von dem Werkstück 1 absorbierten Energie.

Bei dem zweiten in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Laser-Generator 3 relativ zu dem Werkstück 1 so angeordnet, daß die Achse des Laserstrahles 3 senk-

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recht zu der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes 1 gerichtet ist. Bei dieser Vorrichtung besteht die Reflektoreinrichtung aus einem Spiegel 55, der als halbkugelförmige Kalotte gestaltet ist, (wobei in Fig. 3 nur die Hälfte des Spiegels 55 dargestellt ist). Der Krümmung smittelpunkt des Spiegels 55 fällt wieder mit dem Brennpunkt 4 der Laserstrahlung zusammen. Der halbkugelförmige Spiegel 55 besitzt im Bereich seines oberen Scheitelpunktes eine Öffnung 9, durch die der Laserstrahl 3 durchtreten kann. Die gerade Linie, die die Achse dieser Öffnung 9 mit dem Krümmungsmittelpunkt der Kalotte 55 verbindet, bildet die Symmetrieachse des Spiegels 55 und fällt mit der Achse des Laserstrahles 3 zusammen.

Wie der Spiegel 5 bei dem anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist auch der Spiegel 55 des zweiten Ausführungsbeispiels ein Hohlkörper, durch dessen Hohlraum eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann. Die Einlaß- und Ausgangsleitung sind mit 66 bzw. 77 bezeichnet. Die durch den Hohlraum des Spiegels 55 fliessende Kühlflüssigkeit wird über die Leitung 77 einem Wärmetauscher 10 zugeführt, bevor sie zur Einlaßleitung 66 zurückfließt. Der Wärmetauscher 10 ist an dem gleichen Tragteil 88 montiert, das auch den Laser-Generator 2 und den halbkugelförmigen Spiegel 55 trägt.

Das in Fig. 4 dargestellte Gerät gleicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung, wobei zusätzlich eine Einrichtung zur Zuführung eines Schutzgases in den Innenraum des Spiegels 55 vorgesehen ist. Dieses Schutzgas dient zur Beseitigung des "Plasmakissens", das sich durch die Einwirkung des Plasmastrahles 3 auf das Werkstück ausbildet. Dieses Plasmakissen ändert die optische Geometrie des Systems und damit die fokussierende Reflektion der Laserstrahlung durch den Spiegel 55 und ist deshalb unerwünscht.

Es sind mit 11 und 12 bezeichnete Leitungsteile angedeu-

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tet, die zur Zuführung "bzw. zur Abführung des Schutzgases zu dem bzw. von dem zu bearbeitenden Werkstückbereich die nen. Ferner sind (nicht dargestellte) Mittel zur Rückführung des Schutzgases zu der Leitung 11 vorgesehen. Eine entsprechende Anordnung ist in der prioritätsgleichen deutschen Patentanmeldung ... (entsprechend der italienischen Patentanmeldung 67 465-A/79 vom 5.März 1979) beschrieben.

An den Reflektoreinrichtungen (den Spiegeln 5 bzw. 55) sind Sensoren 20 angebracht, die zur Messung physikalischer oder chemischer Parameter des bearbeiteten Werkstückbereiches dienen, indem sie die Strahlung messen, die nach einer Reflektion von dem bearbeiteten Bereich des Werkstückes 1 auf die Reflektoreinrichtung auftrifft.

Um diese Messung zu erleichtern, ist entweder die reflektierende Oberfläche der Spiegel 5 oder 55 mit einem geeigneten siräilungsempfindlichen Überzug versehen (beispielsweise mit dem in Fig. 4 dargestellten Überzug 21 aus thermionischen Material) oder die Spiegel 5 bzw. 55 sind als teildurchlässige Spiegel ausgebildet, wobei die durch die Spiegel übertragene Strahlungsmenge hinreichend klein ist, um eine Messung der gewünschten Eigenschaften noch zu ermöglichen. (Es sei angemerkt, daß die üblichen Sensoren ohne eine Reduzierung der Strahlungsstärke übersteuert würden). Die teildurchlässige Spiegelfläche kann beispielsweise aus Quarz bestehen, die mit einer dünnen Beschichtung aus hochreflektierendem Material, beispielsweise Gold, versehen ist.

Durch das Anbringen einer Beschichtung auf den Spiegeln 5 bzw. 55 oder durch die Verwendung teildurchlässiger Spiegel ist es möglich, die Stärke und Verteilung der von dem Werkstück herrührenden Strahlung durch an dem Spiegel 5 bzw. 55 angebrachte Sensoren zu ermitteln und damit Änderungen der physikalischen Parameter (Tempera-

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tür und Oberflächenwiderstand) oder Änderungen der chemischen und elektrochemischen Parameter (z.B. Potentialdifferenzen durch thermionische Effekte bei der Verwendung thermionischer Überzüge) zu messen. Die Sensoren 20 bestehen beispielsweise aus Thermoelementen, Pyrometern oder elektrischen Feldstärkemessern.

Die Messung der genannten Parameter mit den an dem Spiegel 5 bzw. 55 angebrachten Sensoren bringt gegenüber der Messung dieser Parameter durch an den Werkstücken selbst angebrachte Sensoren Vorteile: Im letztgenannten Fall müssen nämlich an allen Werkstücken Sensoren angebracht werden, die wegen der geringen Ausdehnung des Meßbereiches und der extrem hohen Werte der zu messenden Parameter den Werkstücken bei deren Bewegung folgen müssen.

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Claims

Patentansprüche

1 y/ Gerät zur Laserstrahl-Bearbeitung metallischer Werkstücke mit einem Laser-Generator, dessen Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück fokussierbar ist, gekennzeichnet durch eine Reflektoreinrichtung (5, 55), mittels derer die von dem Werkstück (1) reflektierte Strahlung auf dieses zurückfokussierbar ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung aus einem Spiegel (5) in Form einer teilsphärischen Kalotte besteht, deren Krümmungsmittelpunkt im Fokussierungspunkt (4) des Laserstrahles (3) liegt und der relativ zu dem Laser-Generator (2) so orientiert ist, daß er die von dem Werkstück (1) reflektierte Strahlung auffängt und in den genannten Fokussierungspunkt (4) zurückwirft, und daß der Laser-Generator (2) derart positioniert ist, daß die Achse des Laserstrahles (3) eine vorbestimmte Neigung (A) zur Oberfläche des Werkstückes (1) aufweist.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung ein halbkugelförmiger Hohlspiegel (55) ist, dessen Krümmungsmittelpunkt in Fokus si erungspunkt (4) des Laserstrahles (3) liegt und der eine Öffnung (9) für den Durchtritt des Laserstrahles (3) aufweist, wobei die die Achse dieser Öffnung (9) mit dem Krümmungsmittelpunkt des Spiegels (55) verbindende Linie die Symmetrieachse des Spiegels (55) bildet und mit der Achse des Laserstrahles (3) zusammenfällt.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionseinrichtung (5, 55) und der Laser-Generator (2) an einem gemeinsamen Trag-

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teil (8, 88) gehaltert sind.
5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Zuführung von Schutzgas zu der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes (1) vorgesehen ist.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung von Schutzgas Leitungsteile (11, 12) zur Zuführung und zur Abführung des Gases sowie Mittel zur Rückführung des Gases beinhaltet.
7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Einrichtung (5a, 6, 7) zur Kühlung der Reflektoreinrichtung (5» 55) vorgesehen ist.
8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Reflektoreinrichtung (5, 55) Sensoren (20) angebracht sind, mittels derer chemische und/oder physikalische Parameter des bearbeiteten Bereiches des Werkstückes (1) durch Messung der die Reflektoreinrichtung (5> 55) nach der Reflektion an dem bearbeiteten Bereich des Werkstückes (1) erreichenden Strahlung ermittelbar sind.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche der Reflektoreinrichtung (5, 55) mit einem thermionischen Überzug (21) zu versehen ist.
10. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung (5, 55) teildurchlässig ausgebildet ist und daß die genannten Sensoren (20) so angeordnet sind, daß sie den durch die reflektierende Oberfläche der Reflektoreinrichtung (5, 55) hindurchtretenden Strahlungsanteil messen.

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