DE3739862C2 - - 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 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 angeordnet, 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 Werkstücken, wie Bohrungen, Innengewinde und dergleichen ist die bekannte 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 Anmeldung vorgeschlagen, daß im Strahlengang des Lasers ein für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls durchlässiger Reflektor angeordnet ist, welcher vom Werkstück abgegebene Wärmestrahlung zu dem außerhalb des Strahlengangs angeordneten Strahlungsdetektor lenkt. Diese Vorrichtung ist zum temperaturgesteuerten beziehungsweise 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.

Eine weitere, ältere Anmeldung (P 37 10 816.6) zeigt eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit einem Umlenkspiegel und einer nachgeschalteten Fokussierungsoptik für den Laserstrahl. Der Umlenkspiegel ist teildurchlässig, wobei auf seiner Rückseite in Verlängerung des vom Werkstück reflektierten Laserstrahls ein optoelektronischer Sensor angeordnet ist, der mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist. Damit soll mit Hilfe von Parametern des reflektierten Laserlichts eine unmittelbare Aussage über den durchgeführten Bearbeitungsprozeß ermöglicht werden, wobei nur ein sehr kleiner Anteil des Laserstrahls (ca. 1%) für die Auswertung zur Verfügung steht. Dies erfordert den Einsatz hochempfindlicher Detektoren mit entsprechender Verstärkung der Wandlersignale.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die hochenergetische Laserstrahlung keine zusätzlichen, zum Auskoppeln der vom Werkstück reflektierten Wärmestrahlung dienenden optischen Elemente durchlaufen muß. Dadurch werden Leistungsverluste der Laserstrahlung auf ein Minimum reduziert und die Vorrichtung arbeitet weitgehend unabhängig von der Polarisationsrichtung der Laserstrahlung. Gleichzeitig sorgt das Reflexionsfilter dafür, daß die vom Werkstück ausgehende Wärmestrahlung den Umlenkspiegel ungehindert passieren kann und für die Auswertung im Strahlungsdetektor zur Verfügung steht. Es wird somit zum Umlenken der Laserstrahlung und zum Ausfiltern der vom Werkstück reflektierten Wärmestrahlung nur ein einziges optisches Element in Form eines Umlenkspiegels benötigt, dessen Reflexionsschicht durch ein Reflexionsfilter gebildet wird, welches im wesentlichen durchlässig ist für die vom Werkstück ausgehende Wärmestrahlung und im wesentlichen undurchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Gesamtansicht der Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist mit 1 ein Laser an sich bekannter Bauart bezeichnet, der ein im wesentlichen eine einzige Wellenlänge aufweisendes Strahlenbündel 2 aussendet. Ein zu bearbeitendes Werkstück 3 mit einer 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. Eine beispielsweise als Sammellinse 8 ausgebildete Fokussiereinrichtung 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 (2)

1. Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere zum Oberflächenhärten von Werkstücken, mit einem Laser, der eine im wesentlichen eine einzige Wellenlänge aufweisende Strahlung erzeugt, wobei im Strahlengang des Lasers ein Umlenkspiegel und eine Fokussiervorrichtung zum Bündeln des umgelenkten Laserstrahls vorgesehen sind, sowie mit einem Strahlungsdetektor, welcher der Wärmestrahlung des erhitzten Werkstücks ausgesetzt ist und ein von der Stärke dieser Strahlung abhängiges Ausgangssignal liefert, das zur Leistungssteuerung beziehungsweise Leistungsregelung des Lasers ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (10) des Umlenkspiegels (7) durch ein Reflexionsfilter gebildet ist, welches im wesentlichen durchlässig ist für die vomWerkstück (3) ausgehende Wärmestrahlung (11) und im wesetlichen undurchlässig ist für die Stralung mit der Wellenlänge des Laserstrahls (2), und daß der Strahlungsdetektor (9) im Strahlengang der vom Reflexionsfilter durchgelassenen Wärmestrahlung angeordnet ist.

2. Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsfilter (10) als Mehrschichten-Interferenz-Filter mit einem Sperrbereich für die Laserstrahlung (2) und einem Durchlaßbereich für die vom Werkstück (3) ausgehende Wärmestrahlung (11) ausgebildet ist.