DE4430220C2

DE4430220C2 - Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung auf der Oberfläche zu bearbeitender Bauteile

Info

Publication number: DE4430220C2
Application number: DE4430220A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr Ing Morgenthal; Dieter Dr Pollack; Andreas Mertz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: DE59509713D1; EP0698800B1; DE4430220A1; ATE207209T1; JPH08103878A; EP0698800A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung für die Bearbeitung von Bauteiloberflächen. Sie findet bei der Laserbearbeitung von Oberflächen, wie z. B. Umwandlungshärten, Umschmelzen, Legieren, Beschichten usw., von Oberflächen im festen und/oder flüssigen Zustand Anwendung. Ein Anwendungsgebiet, bei dem die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar ist, ist die Laserstrahloberflächenhärtung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen.

Es ist bekannt, daß insbesondere für die Oberflächenveredlung mit leistungsstarken Lasern eine anwendungsspezifische, dem jeweiligen Bearbeitungsfall angepaßte Strahlformung in der Regel aus technischen, technologischen und wirtschaftlichen Erwägungen erforderlich ist (Herziger/Loosen, Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung: Grundlagen, München; Wien; Hanser, 1993). Ein wesentlicher Vorteil der Randschichtbehandlung mit Laserstrahlung gegenüber konventionellen Verfahren ist die lokale Bearbeitung an komplexen Bauteilgeometrien. Um diesen Vorteil zu realisieren, muß die Geometrie und die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt werden. Außerdem muß, die werkstoffphysikalischen Gegebenheiten berücksichtigend, in der Regel eine definierte, vielfach homogene Temperaturverteilung im Werkstück garantiert werden. Erfüllt werden diese Anforderungen, wenn

- die Strahlgeometrie variabel einstellbar ist,
- die Intensitätsverteilung an die Bearbeitungsgeometrie und die gewünschte Temperaturverteilung anpaßbar ist
- die Prozeßintensität (mittlere Leistung/Flächeneinheit) ausreichend veränderbar ist.

Es ist bekannt, zur Erfüllung der obengenannten Forderungen den üblicherweise kreisrunden Laserstrahl durch einen oder zwei orthogonal zueinander stehende, um eine Achse bewegliche Spiegel (Scannerspiegel) zu einem Strich oder Rechteck auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche abzubilden (US 3,848,104; US 3,952,180; CH 616,357 A5, EP 0 445 699 A2). Weiter wird beschrieben, daß die Größe und die Form des auf der Werkstückoberfläche durch den Laserstrahl beleuchteten Gebietes durch die Ansteuerung der Scannerspiegel beeinflußt werden kann (DD 2 27 904 A1).

Bei konstanter Laserleistung (cw-Laser) wird die sich einstellende Intensitätsverteilung in diesem Gebiet durch die vorgegebene Größe und Form und vor allem durch die realisierte Schwingungsform der Spiegelbewegung, d. h. durch die Momentangeschwindigkeit des Laserspots in jedem Punkt des abgescannten Oberflächenfeldes, bestimmt. Wie der Fachwelt bekannt, ist "cw" eine Angabe zur Betriebsart von Lasern. CW bedeutet Dauerstrichbetrieb (cw = "continous wave") bzw. auch kontinuierliche Betriebsart genannt. Im Gegensatz dazu gibt es den Pulsbetrieb (P). Die Betriebsart liefert im Fall der Dauerstrichlaser einen kontinuierlichen Laserstrahl bis max. zur Nennausgangsleistung des Gerätes. Die Ausgangsleistung läßt sich in Grenzen durch Änderung der Anregungsleistung regeln.

Typisch ist, daß im obengenannten Anwendungsgebiet der Erfindung die hohe Wärmeleitfähigkeit der Metalle in der Regel Schwingfrequenzen von größer 100 Hz erfordert, damit die frequenzabhängigen Temperaturschwankungen an der Oberfläche ins Werkstückinnere hinein schnell abklingen. Bekannt ist ferner, daß die für steuerbare Schwingspiegelsysteme eingesetzten Galvanoscanner in diesem Frequenzbereich in der Regel nur noch harmonische Schwingungen ausführen können. Ursache dafür ist das Masseträgheitsmoment der bewegten Schwingsystemkomponenten (Rotor des Schwingmotors und Laserspiegels), wobei insbesondere die im Laserleistungsbereich ab 1 kW erforderlichen Kupferspiegel mit einem für die Strahlübertragung notwendigen Durchmesser den Hauptanteil des Trägheitsmomentes ausmachen. Das hat nachteilig zur Folge, daß beispielsweise bei einer eindimensionalen Strahloszillation im Bereich der Schwingungsumkehrpunkte am Spurrand eine Intensitätsüberhöhung auftritt, die im Vergleich zur Spurmitte umso größer wird, je mehr die Schwingamplitude bei konstantem Spotdurchmesser gesteigert wird.

Für das Randschichthärten kann dieser Effekt in einigen Fällen genutzt werden, uni durch Kompensieren der höheren Wärmeleitungsverluste an den Spurrändern eine homogene Bearbeitungsgeometrie zu erzielen (DD 2 42 358 und "Homogene Laserstrahlhärtung mittels hochfrequenter Strahloszillation", S. Völlmar; W. Rompe, H. Junge in Neue Hüfte, 31. Jg., Heft 11, Nov. 86, Seiten 414-418). Nachteilig ist jedoch, daß dabei in Abhängigkeit vom eingesetzten Werkstoff und der Laserleistung ein optimales Verhältnis Schwingamplitude A/Spotradius R (in der Regel A/R = 1,5 . . . 2,5) in engen Grenzen eingehalten werden muß, weil nur dann die Intensitätsdifferenz zwischen Spurmitte (schnelle Spotbewegung) und Spurrändern (langsame Spotbewegung) zu einem ausgeglichenen Temperaturfeld als Voraussetzung für eine homogene Bearbeitungsgeometrie führt. Das verhindert beispielsweise die wünschenswerte Erzeugung breiterer Härtespuren durch einfaches Vergrößern der Schwingbreite bei sonst gleicher Versuchsführung.

Neuere Entwicklungen versuchen, diesen Nachteil durch eine Kombination der Strahloszillationssysteme mit einer schnellen Leistungssteuerung bei hochfrequenzangeregten CO₂-Lasern zu vermeiden (Rudlaff, Th.; Dausinger, F.: Hardening with variable intensity distribution Proceedings, "ECLAT 90", Sprechsaal Publishing 1990).

Damit gelingt es zwar, die Intensitätsverteilung im abgescannten Bereich weitgehend unabhängig von der verwendeten Schwingamplitude, -frequenz und Schwingungsform zu gestalten, allerdings ist dieses Verfahren auf schnell steuerbare, d. h. hochfrequenzangeregte Laser beschränkt. Außerdem ist nachteilig, daß aufgrund der Leistungssteuerung und der erforderlichen Steuerreserven für die Bearbeitung nur eine deutlich unter der Nennleistung des Lasers liegende mittlere Leistung wirksam wird. Eine weitere neue Entwicklung zur Beeinflussung der Intensitätsverteilung bei sinusförmiger Strahloszillation beruht auf der Überlagerung der Strahloszillation mit impulsförmiger Laserstrahlung (Lepski, D.; Morgenthal, L.; Völlmar, S.: Optimierung der Oberflächenbehandlung bei Einwirkung pulsierender oszillierender Laserstrahlung, LASER 93, München 1993). Auch hiermit gelingt eine Formung der Intensitätsverteilung. Die Methode ist jedoch auf gepulst arbeitende (z. B. Nd-YAG-Laser) oder hinreichend schnell pulsbare Laser (z. B. hochfrequenzangeregte (CO₂-Laser) beschränkt.

Aus US 4,429,210, insbesondere Fig. 1 und 4, ist ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung für die Bearbeitung von Bauteiloberflächen entnehmbar, bei dem die Strahlung von einem Schwingspiegel auf der Basis einer sinusförmigen Strahloszillation auf die Oberfläche gerichtet wird. Mit der in US 4,429,210 dargestellten Lösung kann aber nachteiligerweise den heutigen Forderungen der Industrie nach effektiv arbeitenden, flexiblen Umschmelz- und Härtetechnologien, die die Bearbeitung von Bauteilen unabhängig von der gewählten Form und Größe ermöglicht und ohne daß auf den verwendeten Laser eingewirkt werden muß, nicht entsprochen werden.

Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensität für die Bearbeitung von Bauteiloberflächen mit Laserstrahlung vorzuschlagen, bei dem

- die Strahlgeometrie variabel einstellbar ist,
- die Laserstrahlintensitätsverteilung an die Bearbeitungsgeometrie und an die gewünschte Temperaturverteilung anpaßbar ist,
- die Prozeßintensität (mittlere Leistung/Flächeneinheit) ausreichend veränderbar ist,
- im Falle der eindimensionalen Strahloszillation und bei konstantem Spotdurchmesser im Bereich der Schwingungsumkehrpunkte am Spurrand auch bei Steigerung der Schwingungsamplitude keine Intensitätsüberhöhung auftritt, wenn diese nicht gewünscht ist,
- das in Abhängigkeit vom eingesetzten Werkstoff und der Laserleistung optimale Ver hältnis Schwingamplitude/Spotradius nicht in engen Grenzen eingehalten werden muß,
- die Erzeugung breiterer Härtespuren auch durch einfaches Vergrößern der Schwingbreite bei sonst gleicher Versuchsdurchführung möglich ist,
- das nicht auf bestimmte Laser (z. B. auf hochfrequenzangeregte Laser) oder bestimmte Lasertypen (z. B. Nd-YAG-Laser) beschränkt ist,
- die wirksam werdende mittlere Leistung nicht bzw. nur unwesentlich unter der Nennleistung des Lasers liegt.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit dem in Anspruch 1 vorgeschlagenen Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 dargelegt.

Vorgeschlagen wird also ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung für die Bearbeitung von Bauteilen mittels Laserstrahlung, bei dem herkömmliche Spiegel bzw. Spiegelsysteme (bei Laserleistungen ab 1 kW vorzugsweise Kupferspiegel) zur Laserstrahlformung eingesetzt werden und bei dem die Laserstrahlformung auf der Basis der sinusförmigen, harmonischen Strahloszillation als Ansteuerfunktion für den Spiegel bzw. das Spiegelsystem mittels mindestens einem Galvanoscanner erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die bei der Laserstrahlformung auf der Basis der sinusförmigen Strahloszillation auf einer Bauteiloberfläche erzeugte Intensitätsverteilung unabhängig von der gewählten Form und Größe des abgescannten Oberflächenbereiches eingestellt, ohne daß auf den verwendeten Laser eingewirkt werden muß. Das wird erreicht durch eine vorgebbare Überlagerung sinusförmiger Oszillationen als Ansteuerfunktion für das Schwingspiegelsystem (Scannersystem). Diese Einstellung der Intensitätsverteilung erfolgt derart, daß die Ansteuerfunktion durch Überlagerung mehrerer harmonische Schwingungen so moduliert wird, daß die Momentangeschwindigkeit des bewegten Laserspots in gewünschtem Sinne beeinflußt wird. Das bedeutet, daß im Bereich der Spurränder in der Regel wegen Intensitätsüberhöhungen eine Amplitudenmodulation mit hohem Modulationsgrad (Nahe 1) verwendet werden muß.

Dabei liefert, und es ist somit von Vorteil so zu verfahren, von allen bekannten Modulationsverfahren nur die Modulation der Amplitude harmonischer Schwingungen in Bezug auf die eingesetzten Galvanoscanner praktisch anwendbare Ergebnisse.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß Galvanoscanner mit den üblicherweise für die Lasermaterialbearbeitung eingesetzten Spiegeln bei den geforderten hohen Frequenzen keine anderen als harmonische Schwingungen ausführen, die, wie bereits dargestellt, erfindungsgemäß durch Überlagerung mehrerer harmonischer Ansteuerfunktionen so moduliert werden können, daß die Momentangeschwindigkeit des bewegten Laserspots in gewünschtem Sinne beeinflußt wird. Für die Werkstückbearbeitung wird in erster Linie die über viele Modulationsperioden integrierte Intensitätsverteilung wirksam. Deren Form kann nun durch die Modulation der Trägerschwingung variiert werden, ohne daß sich die wirksame Größe und Form des auf der Werkstückoberfläche abgebildeten gescannten Bereiches ändert.

Das Masseträgheitsmoment der in der Materialbearbeitung üblicherweise eingesetzten Metallspiegel hat zur Folge, daß der den Laserstrahl ablenkende Scannerspiegel bei höherfrequenter Anregung ( 100 Hz) der eingesetzten Galvanoscanner unabhängig von der Form (Zeitverlauf) der periodischen Anregungsfunktion (Dreieck-, Rechteckfunktionen) diese zu sinusförmigen Schwingungen verschleift.

Erfindungsgemäß wird dagegen der Galvanoscanner mit solchen harmonischen Schwingungsverläufen (Sinus oder Kosinus) angeregt, die bezüglich Frequenz und Amplitude praktisch realisiert werden können. Dabei wird, aus einer Trägerschwingung B und mindestens einem weiteren, modulierten Schwingungsanteil A und/oder C, eine harmonische Gesamtschwingung zusammengesetzt. Dabei kann durch die Amplitude der Trägerschwingung (unter Berücksichtigung des Spotdurchmessers) die Spurbreite eingestellt werden, während die überlagerten modulierten Anteile (A und/oder C) die angestrebte integrale Intensitätsverteilung in der Periodendauer formen.

Durch die Variation einer Reihe weiterer, die Modulation beschreibender Parameter

- Trägerfrequenz (f_T),
- Frequenz der modulierten Schwingung (f_o),
- Zyklusdauer der modulierten Anteile (A und/oder B),
- Amplitudenverlauf des modulierten Anteils (A und/oder C) mit seinem Modulationsgrad (m),
- Verhältnis von moduliertem und unmoduliertem Anteil in der Gesamtschwingung,
- Amplitudenversatz für die verschiedenen Schwingungsanteile (Offset), siehe Fig. 2, kann die integrale Intensitätsverteilung im abgescannten Oberflächenfeld in weiten Grenzen variiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Zum besseren Verständnis dienen die Fig. 1 bis 6, in denen die erfindungsgemäße Modulation der Ansteuerfunktionen durch Überlagerung dargestellt ist.

Im einzelnen stellen

Fig. 1 Zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktion,

Fig. 2 Zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktion mit Amplitudenversatz und

Fig. 3 Blockschaltbild und Beispiele zum Strahlformungssystem dar, während jeweils in den

Fig. 4-6 Ansteuerparameter des Intensitätsprofils a), b) bzw. c) zum Betreiben des Schwingspiegelbearbeitungskopfes mit Diagrammen der jeweiligen Anre gungsfunktion und Intensitätsprofil in Plexiglas eingebrannt, das jeweils skizzenhaft zur Modulation auch die jeweilige Laserstrahlintensitäts verteilung auf der Bauteiloberfläche darstellt, aufgezeigt sind. In den Fig. 4, 5 und 6 wurden folgende Parameter realisiert:

Fig. 4 (Ansteuerparameter des Intensitätsprofils von Typ a)
Trägerfrequenz: 240 Hz
Hüllfrequenz der Korrekturfkt.: 15 Hz
Modulat.-grad d. Korrekturfkt.: 1
Spurbreite: 16 mm
Vorschubgeschw.: 75 mm/min
Laserstrahlleistung: 4300 W
Schwingspiegelbearbeitungskopf mit Fokussierspiegel, Brennweite: 400 mm

Fig. 5 (Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ b)
Trägerfrequenz: 143 Hz
Hüllfrequenz der Korrekturfkt.: 8 Hz
Modulat.-grad d. Korrekturfkt.: 1
Spurbreite: 16 mm
Vorschubgeschw.: 75 mm/min
Laserstrahlleistung: 4300 W
Schwingspiegelbearbeitungskopf mit Fokussierspiegel, Brennweite: 400 mm

Fig. 6 (Ansteuerparameter des Intensitätsprofils vom Typ c)
Trägerfrequenz: 240 Hz
Hüllfrequenz der Korrekturfkt.: 7,7 Hz
Modulat.-grad d. Korrekturfkt.: 1
Spurbreite: 16 mm
Vorschubgeschw.: 75 mm/min
Laserstrahlleistung: 4300 W
Schwingspiegelbearbeitungskopf mit Fokussierspiegel, Brennweite: 400 mm

Ausführungsbeispiel

Im nachfolgenden wird an Hand der Zeichnungen das erfinderische Verfahren näher erläutert.

In Fig. 1 und 2 sind, beispielsweise, zusammengesetzte Scanner-Ansteuerfunktionen, dargestellt. Die Amplituden-Zeit-Funktionen demonstrieren die ausschließlich sinus- oder kosinusförmigen Scanner-Ansteuerfunktionen. Zusätzlich werden in Fig. 1 Anteile der Trägerschwingung B mit weiteren modulierten Schwingungsanteilen A und C dargestellt, die sich als harmonische Gesamtschwingung zusammensetzen. Der Modulationsgrad m, im Wertebereich Null bis Eins, ist ein Maß für den modulierten Zyklus.

In Fig. 3 ist das Rohstrahlprofil eines CO₂-Lasers mit der Modstruktur TEM20 dargestellt. Der Laserrohstrahl 1, mit einem Durchmesser von 32 mm, wird durch einen Fokussierspiegel 2 mit einer Brennweite von 400 mm fokussiert und über einen Planspiegel 3, der an einem Galvanoscanner 4 befestigt ist auf die Probe 5 gelenkt. Fokussierspiegel 2, Planspiegel 3 und Galvanoscanner 4 sind in einem Schwingspiegelbearbeitungskopf integriert.

Die digitale Ansteuerung des Galvanoscanners wird durch einen Hostrechner 6 realisiert, sein Ausgangssignal am Datenbus wird einer Digital-/Analogwandlung 7 und anschließend einer Verstärkung 8 (Ausgangsverstärker) unterzogen. Die gewünschten Ansteuerfunktionen, die die angestrebten Intensitätsprofile 9, hier beispielhaft als Intensitätsprofil 9 a), b) und c) dargestellt, werden softwaremäßig mit den obengenannten Parametern entsprechend des gesuchten Intensitätsprofiles generiert. Die Auslenkung des Planspiegels 3 im Schwingspiegelkopf basiert auf der Ausgabe des jeweils aktuellen Amplitudenwertes. Diese Werte werden entweder, ausgehend von der mathematischen Modellierung der Modulation berechnet, wobei, wie beschrieben, die Einführung zusätzlicher Parameter (Zyklusdauer der modulierten Anteile, Verhältnis der modulierten und nichtmodulierten Schwingungsanteile, Amplitudenversatz) erforderlich ist. Alternativ dazu kann die Ansteuerfunktion graphisch, ähnlich wie in einem Zeichenprogramm kreiert werden. Bei beiden Methoden werden die Amplitudenwerte in einem Datenarray zusammengefaßt, das für die Dauer der Bearbeitung zyklisch an den Scannerkopf ausgegeben wird und somit eine sinusförmige Strahloszillation, in der Spur 10, bewirkt. In Fig. 4, 5 und 6 sind von den Intensitätsprofilen a), b) und c) die Ansteuerparameter, die jeweilige Ansteuerfunktion und die zugehörigen Intensitätsprofile der Typen a), b) und c) in Plexiglas eingebrannt, dargestellt. Weitere vielfältigste Intensitätsprofile sind darstellbar, die entweder experimentell oder durch Computersimulation optimiert werden können. Eine derartige Vielfalt von einstellbaren Intensitätsprofilen ist mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht erreichbar.

Bezugszeichenliste

1 Laserrohstrahl
2 Fokussierspiegel
3 Planspiegel
4 Galvanoscanner
5 Probe
6 Hostrechner
7 Digital-/Analogwandler
8 Ausgangsverstärker
9 Intensitätsprofile
10 Bearbeitungsspur

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlintensitätsverteilung auf der Oberfläche zu bearbeitender Bauteile ohne Einwirkung auf den verwendeten Laser, bei dem mindestens ein Galvanometerantrieb eines Spiegels oder eines Spiegelsystems zur Laserstrahlformung mit einem Signal (Ansteuerfunktion) so angesteuert wird, daß der Laserstrahlbrennfleck auf dem zu bearbeitenden Bereich der Bauteiloberfläche eine sinusförmige, harmonische Oszillation ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß das ansteuernde Signal zur Erzeugung der angestrebten Intensitätsverteilung auf der Bauteiloberfläche unabhängig von der gewählten Form und der Größe des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs durch Überlagerung mehrerer harmonischer Schwingungen so moduliert wird, daß sich die Momentangeschwindigkeit des Laserstrahlbrennflecks auf der Bauteiloberfläche der angestrebten Intensitätsverteilung entsprechend ändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Amplitude des ansteuernden Signals moduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die angestrebte Intensitätsverteilung über mehrere Modulationsperioden integriert erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Trägerschwingung des ansteuernden Signals entsprechend der Breite der zu bearbeitenden Fläche und die weiteren Schwingungsanteile entsprechend der angestrebten integralen Intensitätsverteilung eingestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Intensitätsverteilung durch Variation des ansteuernden Signals bezüglich der Trägerfrequenz, der Frequenz, der Dauer und des Amplitudenverlaufs der weiteren Schwingungsanteile, des Verhältnisses von moduliertem und unmoduliertem Anteil im Gesamtsignal und des Amplitudenversatzes der weiteren Schwingungsanteile verändert wird.