DE3739862A1 - Werkstueckbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

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 Bereichs 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 von einem Umlenk­ spiegel auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl aufgeheizt, der im wesentlichen eine einzige, relativ große Wellenlänge aufweist. Die Intensität der infolge der örtlichen Erhitzung des Werkstücks abge­ gebenen Wärmestrahlung wird gemessen und die Leistung des Laser­ strahls in Abhängigkeit von der Intensität der gemessenen Wärme­ strahlung gesteuert. Die Aufheizung der Werkstückzone wird beendet, sobald die gemessene Intensität einen vorgegebenen Schwellwert er­ reicht. Hierzu wird der Laser entweder abgeschaltet oder der Laser­ strahl mittels einer in den Strahlengang einbringbaren Abdeckung un­ terbrochen. Damit lassen sich gute Resultate erzielen, da die Werk­ stückoberfläche nicht länger und nicht mit höherer Temperatur er­ hitzt wird als es für die jeweilige Bearbeitung erforderlich ist. Der Strahlungsdetektor ist bei der bekannten Vorrichtung so ange­ ordnet, 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 Werkstücks bearbeitet werden, die der Strahlungsdetektor "sehen" kann. Für die Bearbeitung innenliegender Flächen von Werk­ stücken, wie Bohrungen, Innengewinde und dergleichen ist die be­ kannte Einrichtung hingegen nicht oder weniger gut geeignet, da die Wärmestrahlung zum Detektor hin durch das Werkstück abgeschirmt ist.

Um diese Nachteile zu beheben wird in einer älteren, noch nicht be­ kanntgemachten Anmeldung vorgeschlagen, daß im Strahlengang des Lasers ein für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls durchlässiger Reflektor angeordnet ist, welcher vom Werkstück abge­ gebene Wärmestrahlung zu dem außerhalb des Strahlengangs angeordne­ ten Strahlungsdetektor lenkt. Diese Vorrichtung ist zum temperatur­ gesteuerten bzw. temperaturgeregelten Bearbeiten sowohl außen - als auch innenliegender Werkstückflächen mittels Laserstrahlung bei gleichbleibender Genauigkeit der Temperaturmessung geeignet. Jeder Wärmebehandlungprozeß an einem Werkstück kann so temperaturgesteuert bzw. temperaturgeregelt ausgeführt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Werkstückbearbeitungsvorrichtung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor­ teil, daß die hochenergetische Laserstrahlung keine zusätzlichen, zum Auskoppeln der vom Werkstück reflektierten Wärmestrahlung die­ nenden optischen Elemente durchlaufen muß. Dadurch werden Leistungs­ verluste der Laserstrahlung auf ein Minimum reduziert und die Vor­ richtung arbeitet weitgehend unabhängig von der Polarisationsrich­ tung der Laserstrahlung. Außerdem wird der Aufbau der Vorrichtung durch Wegfall zusätzlicher optischer Bauelemente vereinfacht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch vorgeschlagenen Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung möglich. Eine be­ sonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß der Reflexionsbelag durch ein Reflexionsfilter gebildet ist, welches im wesentlichen durchlässig ist für die vom Werkstück aus­ gehende Wärmestrahlung und im wesentlichen undurchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls.

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, drehbare Träger so angeordnet, daß eine Randzone 5 des Bodens 6 der Bohrung 4 durch den Laserstrahl 2, beispielsweise zwecks Oberflächenhärtung, erhitzt wird. Im Wege des Strahlenbündels 2 ist ein Spiegel 7 angeordnet, welcher die Laserstrahlung in Richtung des Werkstücks 3 umlenkt. Ei­ ne beispielsweise als Sammellinse 8 ausgebildete Fokussiereinrich­ tung liegt zwischen Spiegel 7 und Werkstück 3 im Strahlengang des Laser-Strahlenbündels 2, um dieses am Boden 6 der Bohrung 4 oder an einer anderen gewünschten Stelle des Werkstücks 3 abzubilden. Die vom Werkstück 3 bei dessen Erhitzung ausgehende Wärmestrahlung (IR-Strahlung der Wellenlänge 780 nm bis 5 µm) wird von einem auf den Wellenlängenbereich dieser Strahlung ansprechenden Strahlungs­ detektor 9 aufgenommen. Zu diesem Zweck ist der im Strahlengang 2 des Lasers 1 angeordnete Umlenkspiegel 7 mit einem Reflexionsbelag 10 versehen, welcher für die Strahlung mit der Wellenlänge der vom Werkstück 3 abgegebenen Wärmestrahlung 11 durchlässig ist, während er die Laserstrahlung 2 in Richtung des Werkstücks 3 ablenkt. Der Strahlungsdetektor 9 liefert ein der Stärke der Wärmestrahlung 11 proportionales elektrisches Ausgangssignal, das nach Verstärkung in einem Verstärker 12 als Istwert einem Regelkreis 13 zugeführt wird, an dessen Ausgang der Laser 1 angeschlossen ist. Der Regelkreis 13 ist bestrebt, die Laserleistung, d.h. die Energie des Strahlenbün­ dels 2, auf einem zuvor in den Regelkreis eingegebenen Sollwert zu halten. Als Laser 1 wird vorzugsweise ein Kohlendioxyd-(CO₂)-Laser verwendet, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 10,6 µm aufweist. Als Strahlungsdetektoren können pyroelektrische Detektoren benutzt werden, die bei Wellenlängen von 800 nm bis 5 µm ihre größte Empfindlichkeit aufweisen. Die Wellenlänge und die Intensität der Wärmestrahlung des Werkstücks 3 sind von dessen Temperatur ab­ hängig. Bei einem Temperaturanstieg nimmt die Intensität der Wärme­ strahlung zu und ihre Spitzenwellenlänge verschiebt sich in Rich­ tung kleinerer Wellenlängen. Die Werte unterscheiden sich aber im­ mer deutlich von der Wellenlänge der Laserstrahlung 2, die bei einem CO₂-Laser erheblich langwelliger ist als die Wärmestrahlung des Werkstücks 3. Es ist somit möglich, die Temperaturen in dem Bereich, in dem das Werkstück 3 aufgeheizt wird, direkt zu messen. Das Werk­ stück kann damit auf gleiche Temperatur gebracht werden, unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers.

Bei der vorgeschlagenen Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung wird der­ jenige Teil der Wärmestrahlung 11 erfaßt und ausgewertet, welcher koaxial bzw. parallel zu dem vom Spiegel 7 umgelenkten Laserstrahl 2 verläuft. Dieser Teil der Wärmestrahlung 11 tritt durch den Refle­ xionsbelag 10 des Umlenkspiegels 7 hindurch und wird über einen wei­ teren Umlenkspiegel 14 auf den Strahlungsdetektor 9 reflektiert. Da die Wellenlängen der Wärmestrahlung 11 und der Laserstrahlung 2 deutlich voneinander abweichen, ist eine saubere Trennung mittels eines die Schicht 10 bildenden Reflexionsfilters möglich, welches die ankommende Laserstrahlung in Richtung des Werkstücks 3 umlenkt, für die vom Werkstück 3 ausgehende Wärmestrahlung hingegen im we­ sentlichen durchlässig ist. Das die Schicht 10 bildende Reflexions­ filter ist in Form eines beispielsweise aufgedampften Belags auf ei­ nem für die Wärmestrahlung 11 durchlässigen Träger, beispielsweise einer Glasplatte 15, aufgebracht. Vorzugsweise ist das Reflexions­ filter als Mehrschichten-Interferenz-Filter mit einem Sperrbereich für die Laserstrahlung 2 und einem Durchlaßbereich für die Wärme­ strahlung 11 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 unter Vermei­ dung von Leistungsverlusten der Laserstrahlung möglich, wobei die Strahlführung eine wärmegeregelte Behandlung an schwierig zugäng­ lichen Stellen erlaubt.

Obwohl der bei der bevorzugten Ausführungsform gewählte Laser ein CO₂-Laser mit einer Ausgangswellenlänge von etwa 10,6 µm ist, können auch Laser verwendet werden, die mit einer anderen Wellen­ länge arbeiten. So könnte beispielsweise ein YAG-Laser verwendet werden, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 1,06 µm auf­ weist. Wesentlich ist, daß sich die Wellenlänge der Laserstrahlung von der Wellenlänge der vom erhitzten Werkstück 3 abgegebenen IR- Strahlung unterscheidet. Die parallele Strahlführung der Wärmestrah­ lung 11 zur Laserstrahlung 2 macht eine präzise Wärmebehandlung an jeder, vom Laserstrahl zu erreichenden Stelle des Werkstücks möglich.

Der Umlenkspiegel 14 für die Wärmestrahlung 11 kann entfallen, wenn der Strahlungsdetektor 9, wie in der Figur in gestrichelten Linien angedeutet, direkt oberhalb des Umlenkspiegels 7 im Strahlengang der Wärmestrahlung 11 angeordnet wird.

Claims (4)

1. Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere zum Oberflächen­ härten von Werkstücken, mit einem Laser, der eine im wesentlichen eine einzige Wellenlänge aufweisende Strahlung erzeugt, wobei im Strahlengang des Lasers ein Umlenkspiegel und eine Fokussiervorrich­ tung zum Bündeln des umgelenkten Laserstrahls vorgesehen sind, sowie mit einem Strahlungsdetektor, welcher der Wärmestrahlung des erhitz­ ten Werkstücks ausgesetzt ist und ein von der Stärke dieser Strah­ lung abhängiges Ausgangssignal liefert, das zur Leistungssteuerung bzw. Leistungsregelung des Lasers ausgewertet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflexionsschicht (10) des im Strahlengang des Lasers (1) angeordneten Umlenkspiegels (7) für die Strahlung mit der Wellenlänge der vom Werkstück (3) abgegebenen Wärmestrahlung (11) durchlässig ist, und daß der Strahlungsdetektor (9) im Strahlengang der durchgelassenen Wärmestrahlung angeordnet ist.

2. Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (10) durch ein Reflexions­ filter gebildet ist, welches im wesentlichen durchlässig ist für die vom Werkstück (3) ausgehende Wärmestrahlung (11) und im wesentlichen undurchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laser­ strahls (2).

3. Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Reflexionsfilter (10) als Mehrschichten-Inter­ ferenz-Filter mit einem Sperrbereich für die Laserstrahlung (2) und einem Durchlaßbereich für die vom Werkstück (3) ausgehende Wärme­ strahlung (11) ausgebildet ist.

4. Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein Kohlendio­ oxydlaser ist, der einen Laserstrahl (2) mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 µm abgibt.