DE8710866U1

DE8710866U1 - Workpiece processing device

Info

Publication number: DE8710866U1
Application number: DE8710866U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-08-08
Filing date: 1987-08-08
Publication date: 1988-12-08

Description

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R. 21334
22,7*1987 Sfc/PiR.21334
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ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

( Werkstückbearbeitungsvorrichtung
Stand der Technik ( Workpiece processing device
State of the art

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 Laserstrahlen 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, beispielsweise zu härtende Zone des Werkstücks wird durch den Laserstrahl aufgeheizt, der im wesentlichen eine einzige, relativ große Wellenlänge aufweist. Die Intensität der infolge der örtlichen Erhitzung des IThe invention is based on a workpiece processing device according to the type of the main claim. DE-OS 22 00 696 has disclosed a device for processing workpieces using laser beams, which allows an accurate, direct temperature measurement of a heated area of the workpiece to be processed. For this purpose, the device is equipped with a radiation detector, which is exposed to the heat radiation of the workpiece heated by the laser beam. The radiation detector emits an output signal that depends on the intensity of the heat radiation, which is evaluated to control the power of the laser. The zone of the workpiece to be processed, for example to be hardened, is heated by the laser beam, which essentially has a single, relatively long wavelength. The intensity of the heat generated as a result of the local heating of the workpiece is

Werkstücks abgegebenen Wärmestrahlung wird gemessen und die Leistung des Laserstrahls in Abhängigkeit von der Intensität der gemessenen Wärmestrahlung gesteuert. Die Aufheizung der Werkstückzone wird beendet, sobald die gemessene Intensität einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Hierzu wird der Laser entweder abgeschaltet oder der Laserstrahl mittels einer in den Strahlengang einbringbaren Abdekkung unterbrochen. Damit lassen sich gute Resultate erzielen, da dieThe heat radiation emitted by the workpiece is measured and the power of the laser beam is controlled depending on the intensity of the measured heat radiation. The heating of the workpiece zone is stopped as soon as the measured intensity reaches a predetermined threshold value. To do this, the laser is either switched off or the laser beam is interrupted by means of a cover that can be placed in the beam path. This allows good results to be achieved because the

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- 2 - R₄ 21334- 2 - _R4 21334

Werkstückoberfläche nicht langer und nicht mit höherer Tempeiatür erhitzt wird als es für die jeweilige Bearbeitung erföiderÜcih ist. Der Strahlungsdetektor ist bei der bekannten Vorrichtung so eingeordnet* daß er von der vom WerkstUck ausgehenden wärmestrahlung direkt getroffen wird. Dies bedeutet, daß die Steuerung des Lasers nur dann iufriedenstellend funktioniert/ wenn außenliegende Zonen eines Werkstücks bearbeitet werden? äio 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.The workpiece surface is not heated for longer and not at a higher temperature than is required for the respective processing. The radiation detector in the known device is arranged in such a way that it is directly hit by the heat radiation emanating from the workpiece. This means that the control of the laser only functions satisfactorily when external areas of a workpiece are being processed, so that the radiation detector can "see". The known device is, however, not or less suitable for processing internal surfaces of workpieces, such as holes, internal threads and the like, since the heat radiation to the detector is shielded by the workpiece.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Werkstückbearbeitungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil» daß sie zum temperaturgesteuerten bzw. temperaturgereg«lten Bearbeiten sowohl außen- als auch innenliegender Werkstückflächen mittels Laserstrahlung bei gleichbleibender Genauigkeit der Temperaturmessung geeignet ist. Jeder Wärmebehandlungsprozeß an eilnem Werkstück kann so temperaturgesteuert bzw. temperaturgeregeli; ausgeführt werden.The workpiece processing device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that it is suitable for temperature-controlled or temperature-regulated processing of both external and internal workpiece surfaces using laser radiation while maintaining the same accuracy of temperature measurement. Each heat treatment process on a workpiece can thus be carried out in a temperature-controlled or temperature-regulated manner.

Durch die in den Unteransprächen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte 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 wesentlichen durchlässig ist für die Strahlung mit der Wellenlänge der Laserstrahlung und im wesentlichen undurchlässig ist für die vom Werkstück ausgehende Wärmestrahlung.The measures listed in the subclaims enable advantageous further developments and improvements of the workpiece processing device proposed in the main claim. A particularly advantageous embodiment of the device consists in the fact that a heat reflection filter serves as a reflector, which is essentially permeable to radiation with the wavelength of the laser radiation and essentially impermeable to the heat radiation emanating from the workpiece.

= 3 _ R. 21334= 3 _ R. 21334

Zeichnungdrawing

tin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargeitellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert· Die figur zedgt eine schematische tiesamtansicht der Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung. An embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. The figure shows a schematic overall view of the workpiece processing device.

leschireibung des AusführungsbeispielsReading of the embodiment

In der Figur ist mit 1 ein Laser an sich bekannter Bauart bezeich- »et/ der ein im wesentlichen eine einzige Wellenlänge aufweisendes Strahlenbündel 2 aussendet. Ein zu bearbeitendes Werkstück 3 mit eiler Innenbohrung 4 ist auf einem nicht gezeigten, verstellbaren Träfer so angeordnet, daß der Boden 5 der Bohrung 4 durch den Laserstrahl 2, beispielsweise zwecks Oberflächenhärtung, erhitzt wird. Im •fege des Strahlenbündels 2 ist ein Spiegel 6 angeordnet, welcher die Strahlung in Richtung des Werkstücks 3 umlenkt. Eine beispielsweise ftls Linse ausgebildete Fokussiereinrichtung 7 liegt zwischen Spiegel 6 und Werkstück 3 im Strahlengang des Laser-Strahlenbündels 2, um flieses 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 ausgebildeter Reflektor 10 angeordnet, welcher für die Laserstrahlung 2 durchlässig ist, während er die vom Werkstück 3 abgegebene Wärmestrahlung 8 in Richtung des Detektors 9 ablenkt. Letzter liefert ein der Stärke der Wärmestrahlung 8 proportionales elektrisches Ausgangssignal, 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 Strahlenbündels 2 auf einem zuvor in den Regelkreis eingegebenen Sollwert zu halten.In the figure, 1 designates a laser of a known type which emits a beam 2 having essentially a single wavelength. A workpiece 3 to be processed with an internal bore 4 is arranged on an adjustable support (not shown) in such a way that the bottom 5 of the bore 4 is heated by the laser beam 2, for example for the purpose of surface hardening. A mirror 6 is arranged in the path of the beam 2, which deflects the radiation in the direction of the workpiece 3. A focusing device 7, designed for example as a lens, is located between the mirror 6 and the workpiece 3 in the beam path of the laser beam 2 in order to focus it on the bottom 5 of the bore 4 or on another desired location on the workpiece. The thermal radiation emitted by the workpiece 3 when it is heated (IR radiation with a wavelength of 780 nm - 1 mm) is recorded by a radiation detector 9 that responds to the wavelength range of this radiation. For this purpose, a reflector 10 designed as a flat plate is arranged in the beam path 2 of the laser 1, which reflector is permeable to the laser radiation 2 while deflecting the thermal radiation 8 emitted by the workpiece 3 in the direction of the detector 9. The latter delivers an electrical output signal proportional to the strength of the thermal radiation 8, which, after amplification, is fed as an actual value to a control circuit 11 to which the laser 1 is connected. The control circuit 11 strives to keep the laser power, i.e. the energy of the beam 2, at a setpoint previously entered into the control circuit.

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- 4 - R. 21334- 4 - R.21334

Als Laser wird vorzugsweise ein Kohlendioxyd-(C(L)-Läser verwenöet, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 10,6 .um aufweist&igr;The laser used is preferably a carbon dioxide (C(L)) laser, whose radiation has a wavelength of about 10.6 μm.

IlIs Strahlungsdetektoren können pyroelektrische Detektoren benutzt werden, die bei Wellenlängen von etwa 800 nm - 5 um ihre größte Empfindlichkeiten aufweisen. Die Wellenlänge und die Intensität der f. Wärmestrahlung des Werkstücks 3 sind von dessen Temperatur abhängig.Pyroelectric detectors can be used as radiation detectors, which have their greatest sensitivity at wavelengths of about 800 nm - 5 um. The wavelength and the intensity of the thermal radiation of the workpiece 3 depend on its temperature.

I; Bei einem Temperaturanstieg nimmt die Intensität der WärmestrahlungI; When the temperature increases, the intensity of the thermal radiation

Ku und ihre Spitzenwellenlänge verschiebt sich in Richtung kleinerer Wellenlängen. Die Werte unterscheiden sich aber immer deutlich vonKu and its peak wavelength shifts towards smaller wavelengths. However, the values always differ significantly from

! f\ der Wellenlänge der Laserstrahlung, die bei einem CO -Laser erheb-Üoh langwelliger ist als die Warmes tr füllung des Werkstücks 3. Es ist somit möglich/ die Temperaturen in dem Bereich/ in den) das Werk-Stück aufgeheizt wird, direkt zu messen. Das Werkstück kann damit immer auf gleiche Temperatur gebracht werden/ unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers.! f\ the wavelength of the laser radiation, which in the case of a CO laser is considerably longer than the warm filling of the workpiece 3. It is therefore possible to directly measure the temperatures in the area in which the workpiece is heated. The workpiece can therefore always be brought to the same temperature, regardless of the output power of the laser.

Wie bereits erwähnt, wird bei der vorgeschlagenen Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung 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-> J tor 9 zugeführt. Da die Wellenlängen der Wärmestrahlung und der Laserstrahlung deutlich voneinander abweichen, ist eine saubereAs already mentioned, in the proposed workpiece processing device, that part of the thermal radiation of the heated workpiece 3 which runs coaxially or parallel to the laser beam 2 is detected and evaluated. This part of the thermal radiation is reflected out of the beam path at one point - in the embodiment between the deflection mirror 6 and the laser 1 - and fed to the beam detector 9. Since the wavelengths of the thermal radiation and the laser radiation differ significantly from one another, a clean

;<, Trennung mittels eines Wärmereflexionsfilters 12 möglich, welches;<, Separation by means of a heat reflection filter 12 is possible, which

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 Wärmereflexionsfilter 11 als Mehrschichten-Interferenz-Filter mit einem Sperrbereichimpermeable to the thermal radiation 8, but essentially permeable to the laser radiation 2. The thermal reflection filter 12 is applied in the form of a coating, for example, vapor-deposited, on a carrier that is permeable to the laser radiation 2, for example a glass plate 13. The thermal reflection filter 11 is preferably designed as a multi-layer interference filter with a blocking area

< für die vom Werkstück 3 ausgehende Wärmestrahlung 8 und einen Th-. ^a- < for the heat radiation 8 emanating from the workpiece 3 and a Th-. ^a-

laßbereich für die Laserstrahlung 2 ausgebildet.area for the laser radiation 2.

- 5 - R. 21334 |&iacgr; - 5 - R. 21334 |

Die beschriebene Werkstück-Bearbeitungsvorrichtung wird vorzugsweise zum Oberflächenhärten von Werkstücken verwendet, mit dem Vorteil, daß auch innenliegende Zonen, beispielsweise Bohrungen und dergleichen, wärmegeregelt gehärtet werden können. Darüber hinaus ist die Vorrichtung aber auch zum Schneiden und Schweißen von Werkstoffen einsetzbar, wobei der Strahlungsdetektor 9 dafür sorgt, daß sich die Leistung des Lasers 1 jeweils an einem vorgegebenen SollwertThe workpiece processing device described is preferably used for surface hardening of workpieces, with the advantage that internal zones, for example holes and the like, can also be hardened in a heat-controlled manner. In addition, the device can also be used for cutting and welding materials, with the radiation detector 9 ensuring that the power of the laser 1 is always at a predetermined target value.

orientiert. Sowohl die Oberflächenbehandlung als auch das Fügen undBoth the surface treatment and the joining and

Trennen sind mit einem Minimum an eingebrachter Wärme möglich, wobei |Separations are possible with a minimum of heat input, whereby |

die Strahlführung eine wärmegeregelte Behandlung an schwierig zu- ' gänglichen Stellen erlaubt.the beam guidance allows heat-controlled treatment in difficult-to-access areas.

Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform der gewählte Laser ein CO -Laser mit einer Ausgangswellenlänge von etwa 10,6 um ist, können auch Laser verwendet werden, die mit einer anderen Wellenlänge arbeiten. So könnte beispielsweise ein YAG-Laser verwendet werden, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 1,06 um aufweist. Wesentlich ist, daß sich die Wellenlänge der Laserstrahlung von der Wellenlänge der vom erhitzten Werkstück abgegebenen IR-Strahlung unterscheidet. Die parallele Strahlführung der Hohlraumstrahlung zur Laserstrahlung macht eine präzise Wärmebehandlung an jeder, vom Laserstrahl zu erreichenden Stelle des Werkstücks möglich.Although in the preferred embodiment the laser selected is a CO laser with an output wavelength of about 10.6 µm, lasers that operate at a different wavelength can also be used. For example, a YAG laser could be used, whose radiation has a wavelength of about 1.06 µm. It is important that the wavelength of the laser radiation differs from the wavelength of the IR radiation emitted by the heated workpiece. The parallel beam guidance of the cavity radiation to the laser radiation makes precise heat treatment possible at every point on the workpiece that the laser beam can reach.

Claims

E. 21334 22.7.1987 St/Pi ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

1. Workpiece processing device, in particular for surface hardening of workpieces, with a laser which has a substantially
a single wavelength radiation and a focusing device for bundling the laser beam on the workpiece and a radiation detector which detects the thermal radiation of the
heated workpiece and a temperature of the strength of this
radiation dependent?. output signal which is evaluated for power control of the laser, characterized in that in
A reflector (10) which is permeable to radiation having the wavelength of the laser beam (2) is arranged in the beam path of the laser (1), which reflector directs heat radiation (8) emitted by the workpiece (3) to the radiation detector (9) arranged outside the beam path.

2. Workpiece processing device according to claim 1, characterized in that a heat reflection filter (12) is used as the reflector (10).
which is essentially permeable to radiation having the wavelength of the laser beam (2) and is essentially impermeable to the thermal radiation (R) emanating from the workpiece (3).

3. Workpiece processing device according to claim 2, characterized in that the heat reflection filter (12) is designed as a multi-layer interference filter with a blocking area for the heat from the workpiece (3)
Outgoing heat radiation (6) and a passband for the laser radiation (2)

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4. Workpiece processing device according to one of the preceding claims, characterized in that the laser (1) is a carbon dioxide laser which emits a laser beam with a wavelength of approximately 10.6 µm.