DE3726466A1

DE3726466A1 - Werkstueckbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3726466A1
Application number: DE19873726466
Authority: DE
Inventors: Werner Mueller; Friedrich Dipl Phys Dausinger; Eckart Von Dipl Chem Dr Roda
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-08-08
Filing date: 1987-08-08
Publication date: 1989-02-16
Also published as: WO1989001385A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Durch die DE-OS 22 00 696 ist eine Einrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrah len bekannt geworden, welche eine genaue, direkte Temperaturmessung eines erhitzten Bereiches des zu bearbeitenden Werkstückes erlaubt. Hierzu ist die Einrichtung mit einem Strahlungsdetektor ausgerüstet, welcher der Wärmestrahlung des vom Laserstrahl erhitzten Werkstücks ausgesetzt ist. Der Strahlungsdetektor gibt ein von der Stärke der Wärmestrahlung abhängiges Ausgangssignal ab, das zur Leistungssteue rung des Lasers ausgewertet wird. Die zu bearbeitende, beispielswei se zu härtende Zone des Werkstücks wird durch den Laserstrahl aufge heizt, der im wesentlichen eine einzige, relativ große Wellenlänge aufweist. Die Intensität der infolge der örtlichen Erhitzung des Werkstücks abgegebenen Wärmestrahlung wird gemessen und die Leistung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Intensität der gemessenen Wärmestrahlung gesteuert. Die Aufheizung der Werkstückzone wird be endet, sobald die gemessene Intensität einen vorgegebenen Schwell wert erreicht. Hierzu wird der Laser entweder abgeschaltet oder der Laserstrahl mittels einer in den Strahlengang einbringbaren Abdek kung unterbrochen. Damit lassen sich gute Resultate erzielen, da die Werkstückoberfläche nicht länger und nicht mit höherer Temperatur erhitzt wird als es für die jeweilige Bearbeitung erforderlich ist. Der Strahlungsdetektor ist bei der bekannten Vorrichtung so angeord net, daß er von der vom Werkstück ausgehenden Wärmestrahlung direkt getroffen wird. Dies bedeutet, daß die Steuerung des Lasers nur dann zufriedenstellend funktioniert, wenn außenliegende Zonen eines Werk stücks bearbeitet werden, die der Strahlungsdetektor "sehen" kann. Für die Bearbeitung innenliegender Flächen von Werkstücken, wie Boh rungen, Innengewinde und dergleichen ist die bekannte Einrichtung hingegen nicht oder weniger gut geeignet, da die Wärmestrahlung zum Detektor hin durch das Werkstück abgeschirmt ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Werkstückbearbeitungsvorrichtung mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor teil, daß sie zum temperaturgesteuerten bzw. temperaturgeregelten Bearbeiten sowohl außen- als auch innenliegender Werkstückflächen mittels Laserstrahlung bei gleichbleibender Genauigkeit der Tempe raturmessung geeignet ist. Jeder Wärmebehandlungsprozeß an einem Werkstück kann so temperaturgesteuert bzw. temperaturgeregelt aus geführt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch vorgeschlagenen Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung möglich. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß als Reflektor ein Wärmereflexionsfilter dient, welches im we sentlichen durchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge der Laserstrahlung und im wesentlichen undurchlässig ist für die vom Werkstück ausgehende Wärmestrahlung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Gesamtansicht der Werkstück-Bearbei tungsvorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist mit 1 ein Laser an sich bekannter Bauart bezeich net, der ein im wesentlichen eine einzige Wellenlänge aufweisendes Strahlenbündel 2 aussendet. Ein zu bearbeitendes Werkstück 3 mit ei ner Innenbohrung 4 ist auf einem nicht gezeigten, verstellbaren Trä ger so angeordnet, daß der Boden 5 der Bohrung 4 durch den Laser strahl 2, beispielsweise zwecks Oberflächenhärtung erhitzt wird. Im Wege des Strahlenbündels 2 ist ein Spiegel 6 angeordnet, welcher die Strahlung in Richtung des Werkstücks 3 umlenkt. Eine beispielsweise als Linse ausgebildete Fokussiereinrichtung 7 liegt zwischen Spiegel 6 und Werkstück 3 im Strahlengang des Laser-Strahlenbündels 2, um dieses am Boden 5 der Bohrung 4 oder an einer anderen gewünschten Stelle des Werkstücks zu fokussieren. Die vom Werkstück 3 bei dessen Erhitzung ausgehende Wärmestrahlung (IR-Strahlung der Wellenlänge 780 nm-1 mm) wird von einem auf den Wellenlängenbereich dieser Strahlung ansprechenden Strahlungsdetektor 9 aufgenommen. Zu diesem Zweck ist im Strahlengang 2 des Lasers 1 ein als Planplatte ausge bildeter Reflektor 10 angeordnet, welcher für die Laserstrahlung 2 durchlässig ist, während er die vom Werkstück 3 abgegebene Wärme strahlung 8 in Richtung des Detektors 9 ablenkt. Letzter liefert ein der Stärke der Wärmestrahlung 8 proportionales elektrisches Aus gangssignal, das nach Verstärkung als Istwert einem Regelkreis 11 zugeführt wird, an den der Laser 1 angeschlossen ist. Der Regelkreis 11 ist bestrebt, die Laserleistung, d.h. die Energie des Strahlen bündels 2 auf einem zuvor in den Regelkreis eingegebenen Sollwert zu halten.

Als Laser wird vorzugsweise ein Kohlendioxyd-(CO₂)-Laser verwen det, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 10,6 µm aufweist. Als Strahlungsdetektoren können pyroelektrische Detektoren benutzt werden, die bei Wellenlängen von etwa 800 nm-5 µm ihre größte Empfindlichkeiten aufweisen. Die Wellenlänge und die Intensität der Wärmestrahlung des Werkstücks 3 sind von dessen Temperatur abhängig. Bei einem Temperaturanstieg nimmt die Intensität der Wärmestrahlung zu und ihre Spitzenwellenlänge verschiebt sich in Richtung kleinerer Wellenlängen. Die Werte unterscheiden sich aber immer deutlich von der Wellenlänge der Laserstrahlung, die bei einem CO₂-Laser erheb lich langwelliger ist als die Wärmestrahlung des Werkstücks 3. Es ist somit möglich, die Temperaturen in dem Bereich, in dem das Werk stück aufgeheizt wird, direkt zu messen. Das Werkstück kann damit immer auf gleiche Temperatur gebracht werden, unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers.

Wie bereits erwähnt, wird bei der vorgeschlagenen Werkstück-Bearbei tungsvorrichtung derjenige Teil der Wärmestrahlung des erhitzten Werkstücks 3 erfaßt und ausgewertet, welcher koaxial bzw. parallel zum Laserstrahl 2 verläuft. Dieser Teil der Wärmestrahlung wird an einer Stelle - im Ausführungsbeispiel zwischen Umlenkspiegel 6 und Laser 1 - aus dem Strahlengang ausgespiegelt und dem Strahlendetek tor 9 zugeführt. Da die Wellenlängen der Wärmestrahlung und der Laserstrahlung deutlich voneinander abweichen, ist eine saubere Trennung mittels eines Wärmereflexionsfilters 12 möglich, welches für die Wärmestrahlung 8 undurchlässig, für die Laserstrahlung 2 hingegen im wesentlichen durchlässig ist. Das Wärmereflexionsfilter 12 ist in Form eines beispielsweise aufgedampften Belags auf einem für die Laserstrahlung 2 durchlässigen Träger, beispielsweise einer Glasplatte 13, aufgebracht. Vorzugsweise ist das Wärmereflexionsfil ter 11 als Mehrschichten-Interferenz-Filter mit einem Sperrbereich für die vom Werkstück 3 ausgehende Wärmestrahlung 8 und einem Durch laßbereich für die Laserstrahlung 2 ausgebildet.

Die beschriebene Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung wird vorzugsweise zum Oberflächenhärten von Werkstücken verwendet, mit dem Vorteil, daß auch innenliegende Zonen, beispielsweise Bohrungen und der gleichen, wärmegeregelt gehärtet werden können. Darüber hinaus ist die Vorrichtung aber auch zum Schneiden und Schweißen von Werkstof fen einsetzbar, wobei der Strahlungsdetektor 9 dafür sorgt, daß sich die Leistung des Lasers 1 jeweils an einem vorgegebenen Sollwert orientiert. Sowohl die Oberflächenbehandlung als auch das Fügen und Trennen sind mit einem Minimum an eingebrachter Wärme möglich, wobei die Strahlführung eine wärmegeregelte Behandlung an schwierig zu gänglichen Stellen erlaubt.

Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform der gewählte Laser ein CO₂-Laser mit einer Ausgangswellenlänge von etwa 10,6 µm ist, können auch Laser verwendet werden, die mit einer anderen Wellenlän ge arbeiten. So könnte beispielsweise ein YAG-Laser verwendet wer den, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 1,06 µm aufweist. Wesentlich ist, daß sich die Wellenlänge der Laserstrahlung von der Wellenlänge der vom erhitzten Werkstück abgegebenen IR-Strahlung un terscheidet. Die parallele Strahlführung der Hohlraumstrahlung zur Laserstrahlung macht eine präzise Wärmebehandlung an jeder, vom Laserstrahl zu erreichenden Stelle des Werkstücks möglich.

Claims

1. Werkstückbearbeitungsvorrichtung, insbesondere zum Oberflächen härten von Werkstücken, mit einem Laser, der eine im wesentlichen eine einzige Wellenlänge aufweisende Strahlung erzeugt sowie mit ei ner Fokussiervorrichtung zum Bündeln des Laserstrahls auf dem Werk stück und einem Strahlungsdetektor, welcher der Wärmestrahlung des erhitzten Werkstücks ausgesetzt ist und ein von der Stärke dieser Strahlung abhängiges Ausgangssignal liefert, das zur Leistungssteue rung des Lasers ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Lasers (1) ein für die Strahlung mit der Wellenlän ge des Laserstrahls (2) durchlässiger Reflektor (10) angeordnet ist, welcher vom Werkstück (3) abgegebene Wärmestrahlung (8) zu dem au ßerhalb des Strahlengangs angeordneten Strahlungsdetektor (9) lenkt.

2. Werkstückbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Reflektor (10) ein Wärmereflexionsfilter (12) dient, welches im wesentlichen durchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls (2) und im wesentlichen undurchläs sig ist für die vom Werkstück (3) ausgehende Wärmestrahlung (8).

3. Werkstückbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Wärmereflexionsfilter (12) als Mehrschichten-In terferenzfilter mit einem Sperrbereich für die vom Werkstück (3) ausgehende Wärmestrahlung (8) und einem Durchlaßbereich für die Laserstrahlung (2) ausgebildet ist.

4. Werkstückbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein Kohlen dioxydlaser ist, der einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 µm abgibt.