WO1991018704A1 - Verfahren zur oberflächenbehandlung von werkstücken mit laserstrahlung - Google Patents

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WO1991018704A1
WO1991018704A1 PCT/DE1991/000488 DE9100488W WO9118704A1 WO 1991018704 A1 WO1991018704 A1 WO 1991018704A1 DE 9100488 W DE9100488 W DE 9100488W WO 9118704 A1 WO9118704 A1 WO 9118704A1
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workpiece
beam spot
incidence
laser radiation
angle
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PCT/DE1991/000488
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Axel Zwick
Kurt Wissenbach
Andres Gasser
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation

Definitions

  • the invention relates to a method for the surface treatment of workpieces with laser radiation by heating edge layers, except for the treatment of cams for shafts for motor vehicles, in which a laser beam with an angle of incidence deviating from zero onto the workpiece surface. surface strikes with an elongated beam spot and is moved relative to it transversely.
  • Surface treatment is understood to mean, for example, tempering, hardening or remelting.
  • Workpieces are e.g. Bearing seats of waves.
  • screws of extruders or similar components can also be subjected to the surface treatment. State of the art
  • the invention is therefore based on the object of improving a process with the features mentioned at the outset, which is generally known as a process for surface treatment with laser radiation, in such a way that a high process speed is linked to an improvement in the processing quality.
  • This object is achieved in that linearly polarized laser radiation is used and its angle of incidence deviates from the angles of incidence of the beam spot in order to adapt the energy coupling into the workpiece in at least a partial region of the beam spot. remaining areas of the beam spot is adjusted.
  • the adaptation of the absorption to the geometry of the workpiece to be machined is of crucial importance for the optimization of the process speed in connection with an increase in the machining quality.
  • This adaptation is achieved by influencing the laser beam depending on the workpiece shape present. At least a partial area of a beam spot of the laser radiation is selected in which the angle of incidence of the laser radiation is set differently from the angles of incidence of the remaining areas of the beam spot. As a result, the absorption of the energy in the addressed areas of the beam spot is different.
  • the angle of incidence according to the known dependence between absorption and this angle of incidence for linearly polarized laser radiation, the workpiece can be heated so that different amounts of heat are supplied to different workpiece areas. For example, edge melting on a workpiece can be avoided by supplying less energy to the edge areas without that the supply of heat away from the edges must be reduced. The result is a quality improvement at 'high process speed.
  • a moon crescent-shaped beam spot is advantageously used parallel to the cylinder axis in the case of a workpiece with a cylindrically curved surface.
  • Workpieces with a cylindrically curved surface have a jacket region with a constant curvature, so that a moon-crescent-shaped beam spot, which is used parallel to the cylinder axis, covers surface areas at its ends which have a different height level with respect to the beam direction than central areas of this beam spot.
  • the laser radiation strikes the surface to be processed at a different angle at the ends, so that the energy absorption is correspondingly different than in the central regions of the beam spot.
  • the method can be carried out in such a way that, in the case of a workpiece width which approximately corresponds to the length of the beam spot, a beam spot with a bend is used which extends transversely to the beam direction in the direction of surface portions of the workpiece which are located deeper when the cylinder the workpiece surface is convex, otherwise vice versa.
  • the angle of incidence of the radiation at the ends of the beam spot is smaller than in the remaining areas of this beam spot in between. As a result, the energy coupling at the ends of the beam spot is reduced.
  • This method is particularly suitable for workpieces with a width that essentially corresponds to the beam spot length. Depending on the treatment method, melting, deformation or melting can be avoided.
  • the method can also be carried out in such a way that, in the case of a workpiece width which substantially exceeds the length of the beam spot, a beam spot with a bend is used which extends transversely to the beam direction in the direction of surface portions of the workpiece which are higher in the beam when the cylindrical workpiece surface is convexly curved , otherwise vice versa.
  • the angles of incidence of the laser radiation at the ends of the beam spot are larger than the angles of incidence in the remaining central regions, so that there is increased absorption at the ends of the beam spot.
  • the method is suitable for producing a machining track over its entire width with the same machining geometry and the same quality. As a result, there is no need for overlapping machining tracks, for example, if larger workpiece surfaces have to be treated.
  • a beam spot with an adjustable length and / or with an adjustable width is used.
  • the method according to the invention is flexible insofar as it does not necessarily require the shaping of the beam spot. Rather, conventional beam spots can be used which have the areas of different angles of incidence of the laser radiation.
  • the generation of the laser radiation must then be carried out with the laser beam transverse to the laser beam. Shaped optics are generated to ensure the desired angle of incidence.
  • FIG. 1 to 3 different workpiece geometries with cylindrical curved surfaces, which are treated with curved beam spots
  • Fig. 4 a metrologically determined form of a crescent-shaped curved beam geometry
  • FIG. 9 shows the dependence of the absorption of the energy of laser radiation on the angle of incidence ⁇ . Best way to carry out the invention
  • the workpiece 12 shown in FIG. 1 is a circular cylinder with projections 20 shown in section. As a result, edges 21 are present, on which heat would build up if the workpiece were to cover its entire width. B would be irradiated with laser radiation at the same time, it being assumed that the beam spot is arranged oblong and parallel to the cylinder axis 17 and has an intensity distribution that is uniform over its length. Since the entire workpiece surface 13 is to be heated with laser radiation, it is necessary to rotate it relative to the laser radiation 10, in which case the desired heating of all peripheral layers 11 takes place.
  • the beam spot 14 shown schematically in FIG. 1 is approximately as long as the workpiece 12 is wide.
  • the beam spot 14 can look approximately as shown in FIG. 1, from which it can be seen that the beam spot is approximately crescent-shaped, its width b being considerably smaller than its length 1.
  • the laser radiation 10 due to the curved shape of the beam spot 14 on a hits a partial area 15 of the beam spot 14, which is located transversely to the beam direction 18 higher than the central area 16. This is due to the bend shown of the beam spot 14 parallel to the cylinder axis 17 transverse to the beam direction 18.
  • the angle of incidence 0 2 of the laser radiation 10 is smaller than in section 16.
  • the absorption in the range of angles of incidence of size 03 is twice as large as at angles of incidence 0 2 when linearly polarized laser radiation is used.
  • Linearly polarized laser radiation is understood in the usual way to mean laser radiation which vibrates only in the plane of incidence, that is to say in the plane defined by the incident beam 10 and the reflected ' beam 10'.
  • the workpiece 12 is also formed with a cylindrically curved surface 13, but in the region of the radiation from the beam spot 14, however, it is not curved convexly, but concavely curved.
  • the incidence angle 0 3 of the central portions 16 as the workpiece surface 13 follow in ⁇ here of the concavity is already flatter than in the Be ⁇ range 15.
  • the edge areas of the workpiece 12 anyway heat accumulate laterally, that is to say transversely to the relative movement direction 22 between laser radiation 10 and workpiece 12, due to the lateral limitation.
  • the bend shown in FIG. 2 would have to be arranged exactly opposite, that is to say as in FIG. 3.
  • FIG. 3 shows the arrangement of a crescent-shaped beam spot 14 on a cylindrical workpiece 12 with a convex curvature in the event that the extent given in the direction of the cylinder axis 17 is substantially greater than that Length of the beam spot 14.
  • the bend of the beam spot 14 thus extends transversely to the beam direction 18 in the direction of surface sections 19 ′ located higher up in the beam, in order to bring about the ( larger angles of incidence cx_ ⁇ in the edge regions than in the region 16.
  • FIG. 5 shows curvature-free, namely flat workpieces 12 with correspondingly flat surfaces 13.
  • the workpiece 12 of FIG. 5 is approximately as long as the beam spot, not shown, so that when the laser radiation 10 and workpiece 12 move relative to one another, the workpiece 12 in Direction 22 results in a heat accumulation across.
  • the procedure is such that a comparatively large angle of incidence is selected • 0 3 in the located in the center of the workpiece 12 areas 16 while the Einfallswin ⁇ kel c_2 Located at the edge areas 15 in contrast is smaller. Accordingly, the energy coupling in the areas 15 is lower.
  • the inclination of the laser radiation 10 is in the central region 16 of the workpiece 12 in FIG.
  • the angle of incidence 0 3 is thus smaller than the angle of incidence 0 2 on the edge, which leads to a uniformly deep heating of the workpiece 12 over the entire length of the beam spot.
  • the shape of the beam spot of the laser radiation 10 is of comparatively little importance for the workpieces 12 in FIGS.
  • a crescent-shaped beam spot formation is indicated by the arrangement of the arrows symbolizing the laser radiation 10.
  • the same treatment effect can, however, be achieved if a linear beam spot formation is used, provided only the angles of incidence 03 of the laser radiation '10 in the regions 16 are 0 2 as shown in each case in relation to the angles of incidence.
  • the optic 23 consists of plane mirror arranged in a housing 28. gel 24, which deflects the laser radiation 10 in the direction of a line focusing mirror ⁇ 5 by 90 °.
  • An elliptical mirror 26 is arranged at an adjustable distance L from this line focusing mirror 25, which deflects the radiation 10 by 90 ° and points it at the workpiece 12 to be irradiated, which is in a distance A.
  • the shape of the beam spot corresponds to Fig. ..
  • processing can be carried out at high process speeds with optimum processing quality.
  • Possible processing methods are: tempering, transformation hardening, remelting, alloying, dispersing or coating of outer layers or peripheral layers of the workpieces. Incorrect machining operations can be avoided, such as, for example, edge rounding due to melting or evaporation of material or uneven machining geometries.
  • the workpieces that can be used are primarily those that are not arched in at least one direction, that is to say workpieces with flat surfaces and workpieces with cylindrical curved surfaces. With these, for example, with beam spots in the width of e.g. 30 to 40mm are machined.
  • the process for the surface treatment of workpieces by means of laser radiation is used to achieve a high process speed with simultaneous improvement of the machining quality.

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Abstract

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken (12) mit Laserstrahlung (10) durch Erhitzen von Randschichten, insbesondere zur Behandlung von Wellen für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Laserstrahl mit einem von Null abweichenden Einfallswinkel auf die Werkstückoberfläche (13) mit einem länglichen Strahlfleck (14) auftrifft und quer dazu relativbewegt wird. Um zu erreichen, daß mit hoher Prozeßgeschwindigkeit bei hoher Qualität gearbeitet werden kann, wird so verfahren, daß linear polarisierte Laserstrahlung (10) verwendet und ihr Einfallswinkel (α2) zur Anpassung der Energieeinkopplung in das Werkstück (12) in zumindest einem Teilbereich (15) des Strahlflecks (14) abweichend von den Einfallswinkeln (α3) der verbleibenden Bereiche (z.B. 16) des Strahlflecks (14) eingestellt wird.

Description

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Laserstrahlunσ
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflä¬ chenbehandlung von Werkstücken mit Laserstrahlung durch Erhit¬ zen von Randschichten, ausgenommen zur Behandlung von Nocken für Wellen für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Laserstrahl mit ei¬ nem von Null abweichenden Einfallswinkel auf die Werk-stückober- fläche mit einem länglichen Strahlfleck auftrifft und quer dazu relativbewegt wird. Dabei wird unter Oberflächenbehandlung bei¬ spielsweise das Anlassen, Härten oder ümschmelzen verstanden. Werkstücke sind z.B. Lagersitze von Wellen. Es können aber auch Schnecken von Extrudern od. dgl. Bauteile der Oberflächenbe¬ handlung unterworfen werden. Stand der Technik
Der industrielle Einsatz von Hochleistungslasern, wie bei¬ spielsweise Kohlendioxidlasern, zur Oberflächenveredelung von Werkstücken scheitert häufig daran, daß die Absorption der La¬ serstrahlung nicht genügend groß ist. Um die Energieeinkopplung zu erhöhen, ist es allgemein bekannt, linear parallel polari¬ sierte Laserstrahlung zu verwenden und diese mit einem Ein¬ fallswinkel von nahe 90° auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks einzustrahlen. Infolgedessen erfolgt eine verstärkte Energieabsorption bzw. eine verstärkte -einkopplung. Infolge¬ dessen sind erhöhte Prozeßgeschwindigkeiten möglich, woraus ei¬ ne Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des BehandlungsVerfah¬ rens resultiert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Bearbei¬ tungsqualität zu wünschen übrig läßt, beispielsweise sind Auf- schmelzungen an den Kanten behandelter Werkstückflächen zu be¬ obachten, oder das Erhitzen erfolgt in den quer zur Relativbe- wegungsriehtung des Laserstrahls liegenden Bereichen nicht ge¬ nügend in die Tiefe.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver¬ fahren mit den eingangs genannten Merkmalen, welches als Ver¬ fahren zur Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung allgemein bekannt ist, so zu verbessern, daß eine hohe Prozeßgeschwindig¬ keit mit einer Verbesserung der Bearbeitungsqualität verknüpft wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß linear polarisierte Laserstrahlung verwendet und ihr Einfallswinkel zur Anpassung der Energieeinkopplung in das Werkstück in zumindest einem Teilbereich des Strahlflecks abweichend von den Einfallswinkeln der. verbleibenden Bereiche des Strahlflecks eingestellt wird.
Von entscheidender Bedeutung für die Optimierung der Pro¬ zeßgeschwindigkeit in Verbindung mit einer Erhöhung der Bear¬ beitungsqualität ist die Anpassung der Absorption an die Geome¬ trie des zu bearbeitenden Werkstücks. Diese Anpassung wird durch Beeinflussung des Laserstrahls je nach vorhandener Werk¬ stückgestalt erreicht. Es wird zumindest ein Teilbereich eines Strahlflecks der Laserstrahlung ausgewählt, in dem der Ein¬ fallswinkel der Laserstrahlung abweichend von den Einfallswin¬ keln der verbleibenden Bereiche des Strahlflecks eingestellt wird. Infolgedessen ist die Absorption der Energie in den ange¬ sprochenen Bereichen des Strahlflecks unterschiedlich. Durch die Wahl der Einfallswinkel entsprechend der bekannten Abhän¬ gigkeit zwischen Absorption und diesem Einfallswinkel für li¬ near parallel polarisierte Laserstrahlung kann das Werkstück so erhitzt werden, daß unterschiedlichen Werkstück&ereichen unter¬ schiedliche Wärmemengen zugeführt werde . Beispielsweise kann ein Kantenaufschmelzen an einem Werkstück vermieden werden, in¬ dem den Kantenbereichen weniger Energie zugeführt wird, ohne daß dabei die Wärmezufuhr kantenferner Bereiche herabgesetzt werden muß. Es ergibt sich eine Qualitätsverbesserung bei' hoher Prozeßgeschwindigkeit.
Für das Einstellen der Einfallswinkel der Laserstrahlung sind die verschiedensten Verfahrensschritte möglich. Eine .we¬ sentliche Möglichkeit ist es, wenn die Form des Strahlflecks auf die Geometrie der zu,bearbeitenden Fläche abgestimmt wird. Die Beeinflussung der Form des Strahlflecks ermöglicht es, auf unterschiedlichen horizontalen Niveaus gelegene Oberflächenab¬ schnitte des Werkstücks zu bestrahlen. Damit ergibt sich bei gekrümmten Werkstückoberflächen die Möglichkeit, unterschiedli¬ che Einfallswinkel zur Wirkung kommen zu lassen. Dabei versteht sich, daß die Form des Strahlflecks jeweils. individuell auf die Fläche des Werkstücks abgestimmt werden muß. Eine einmalige Ab¬ stimmung genügt, wenn- die zu bearbeitende Fläche stets dieselbe Relativlage zum Strahlfleck hat. Ist das nicht der Fall, muß die Form des Strahlflecks in Abhängigkeit von den Änderungen der Relativlage des Werkstücks beispielsweise kontinuierlich entsprechend geändert werden.
Vorteilhafterweise wird bei einem Werkstück mit zylin¬ drisch gewölbter Oberfläche ein mondsichelförmig gebogener Strahlfleck parallel zur Zylinderachse verwendet. Werkstücke mit zylindrisch gewölbter Oberfläche haben einen Mantelbereich mit konstanter Krümmung, so daß ein mondsichelförmig gebogener Strahlfleck, der parallel zur Zylinderachse verwendet wird, an seinen Enden Oberflächenbereiche bestreicht, die in Bezug auf die Strahlrichtung ein anderes Höhenniveau haben, als Mittelbe¬ reiche dieses Strahlflecks. Infolgedessen trifft die Laser¬ strahlung an den Enden unter einem anderen Winkel auf die zu bearbeitende Oberfläche, so daß die Energieabsorption entspre¬ chend anders ist, als in den Mittelbereichen des Strahlflecks.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß im Falle einer der Länge des Strahlflecks etwa entsprechenden Werkstück¬ breite ein Strahlfleck mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung in Richtung strahltiefer gelegener Oberflächenabschnitte des Werkstücks erstreckt, wenn die zylin- drische Werkstückoberfläche konvex gewölbt ist, sonst umge¬ kehrt. Bei diesem Verfahren ist der Einfallswinkel der Strah¬ lung an den Enden des Strahlflecks kleiner, als in den dazwi¬ schen gelegenen verbleibenden Bereichen dieses Strahlflecks. Infolgedessen ist die Energieeinkopplung an den Enden des Strahlflecks verringert. Dieses Verfahren ist insbesondere für Werkstücke mit einer Breite geeignet, die im wesentlichen der Strahlflecklänge entspricht. Je nach Behandlungsverfahren kön- nen damit Aufschmelzungen, Deformationen oder Äbschmelzungen vermieden werden.
Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß im Falle einer die Länge des Strahlflecks wesentlich übersteigen¬ den Werkstückbreite ein Strahifleck mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung in Richtung strahlhöher gelegener Oberflächenabschnitte des Werkstücks erstreckt, wenn die zylindrische Werkstückoberfläche konvex gewölbt ist, sonst umgekehrt. Die Einfallswinkel der Laserstrahlung an den Enden des Strahlflecks sind größer, als die Einfallswinkel in den verbleibenden Mittelbe-reichen, so daß an den Enden des Strahl¬ flecks in gesteigertem Maße absorbiert wird. Das Verfahren ist geeignet, eine Bearbeitungsspur über ihre gesamte Breite mit gleicher Bearbeitungsgeometrie und gleicher Qualität zu erzeu¬ gen. Infolgedessen erübrigen sich beispielsweise Überlappungen von Bearbeitungsspuren, wenn größere Werkstückflächen behandelt werden müssen.
Damit das Verfahren flexibel eingesetzt werden kann, also bei Werkstücken unterschiedlicher Abmessungen, wird ein Strahl¬ fleck mit einstellbarer Länge und/oder mit einstellbarer Breite verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insoweit flexi¬ bel, als es nicht unbedingt der Formung des Strahlflecks be¬ darf. Vielmehr können herkömmliche Strahlflecken verwendet wer¬ den, welche die Bereiche unterschiedlicher Einfallswinkel der Laserstrahlung aufweisen. Die Erzeugung der Laserstrah¬ lung muß dann mit quer zum Laserstrahl entsprechend ge- formten Optiken erzeugt werden, um die gewünschten Einfallswin¬ kel zu gewährleisten. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zei¬ gen:
Fig.l bis 3 unterschiedliche Werkstückgeometrien mit zy¬ lindrisch gewplbten Oberflächen, die mit gebogenen Strahlflecken behandelt werden, Fig.4 eine meßtechnisch ermittelte Form einer mondsichel¬ förmig gebogenen Strahlgeometrie, Fig.5, 6 ebene Werkstückoberflächen mit Bereichen, die mit Laserstrahlung unterschiedlicher Einfallswinkel be¬ strahlt werden, Fig.7, 8 schematische Darstellungen einer Einrichtung zur Erzeugung mondsichelförmig gebogener Strahlgeome¬ trien, und Fig.9 die Abhängigkeit der Absorption der Energie von La¬ serstrahlung vom Einfallswinkel α. Bester Weg zur Ausfürhung der Erfindung
Das in Fig.l dargestellte Werkstück 12 ist ein Kreiszylin¬ der mit geschnitten dargestellten Ansätzen 20. Infolgedessen sind Kanten 21 vorhanden, an denen sich ein Wärmestau einstel¬ len würde, wenn das Werkstück über seine gesamte Breite. B gleichzeitig mit Laserstrahlung bestrahlt würde, wobei voraus¬ gesetzt ist, daß der Strahlfleck länglich und parallel zur Zy¬ linderachse 17 angeordnet ist sowie eine über seine Länge gleichmäßige Intensitätsverteilung besitzt. Da die gesamte Werkstückoberfläche 13 mit Laserstrahlung erhitzt werden soll, ist es erforderlich, sie relativ zur Laserstrahlung 10 zu dre¬ hen, wobei dann, die gewünschte Erhitzung aller Randschichten 11 erfolgt.
Der in Fig.l schematisch dargestellte Strahlfleck 14 ist etwa so lang, wie das Werkstück 12 breit ist. Der Strahlfleck 14 kann etwa so aussehen, wie in Fig. dargestellt, aus der er¬ sichtlich ist!, daß der Strahlfleck etwa mondsichelförmig ist, wobei seine Breite b erheblich geringer ist, als seine Länge 1.
Aus Fig.l ist des weiteren abzuleiten, daß die Laserstrah¬ lung 10 infolge der gebogenen Form des Strahlflecks 14 auf ei- nen Teilbereich 15 des Strahlflecks 14 trifft, der quer zur Strahlrichtung 18 höher gelegen ist, als der mittlere Bereich 16. Das ist auf die dargestellte Biegung des der Zylinderachse 17 parallelen Strahlflecks 14 quer zur Strahlrichtung 18 zu¬ rückzuführen. In diesem höhergelegenen Teilbereich 15 ist der Einfallswinkel 02 der Laserstrahlung 10 kleiner, als im Bereich 16. Infolgedessen ergibt sich im Teilbereich 15 eine geringere Absorption, wie sich aus.Fig.9 ableiten läßt. Die Absorption im Bereich von Einfallswinkeln der Größe 03 ist doppelt so groß, wie bei Einfallswinkeln 02, wenn linear parallel polarisierte Laserstrahlung verwendet wird. Unter linear parallel polari¬ sierter Laserstrahlung wird in üblicher Weise Laserstrahlung verstanden, die nur in der Einfallsebene schwingt, also in der durch den einfallenden Strahl 10 und den reflektierten 'Strahl 10' definierten Ebene.
Bezüglich Fig.l ergibt sich eine erheblich geringere Er¬ hitzung der Teilbereiche 15 und damit eine Verminderung der Ge¬ fahr des ungewollten Aufschmelzens, des Deformierens oder des Abschmelzens dieser Teilbereiche 15 bzw. der Kante 21.
In Fig.2 ist das Werkstück 12 ebenfalls mit einer zylin¬ drisch gewölbten Oberfläche 13 ausgebildet, im Bereich der Be¬ strahlung durch den Strahlfleck 14 jedoch nicht konvex gewölbt, sondern konkav gewölbt. Infolgedessen ergeben sich für die in Richtung 18 einfallende Laserstrahlung 10 in den Randbereichen 15 größere Einfallswinkel c_2, als die Einfallswinkel 0.3 der mittleren Bereiche 16, da die Werkstückoberfläche 13 hier in¬ folge der konkaven Wölbung bereits flacher ist, als in den Be¬ reichen 15. In letzteren erfolgt also eine erhöhte Absorption. Das ist unerwünscht, wenn man davon ausgeht, daß die Randberei¬ che des Werkstücks 12 ohnehin seitlich, also quer zur Relativ- bewegungsrichtung 22 zwischen Laε-erstrahlung 10 und Werkstück 12 infolge der seitlichen Begrenzung einen Wärmestau erleiden. Zu dessen Vermeidung müßte die aus Fig.2 ersichtliche Biegung genau entgegengesetzt angeordnet sein, also wie in Fig.3.
Fig.3 zeigt die Anordnung eines mondsichelförmig gebogenen Strahlflecks 14 an einem zylindrischen Werkstück 12 mit kon¬ vexer Wölbung für den Fall, daß die in Richtung der Zylinder¬ achse 17 gegebene Erstreckung wesentlich größer ist, als die Länge des Strahlflecks 14. In diesem Fall erfolgt ein Wärmeab¬ fluß in Richtung der Zylinderachse 17, so daß in den Teilberei¬ chen 15 des Strahlflecks 14 eine erhöhte Absorption gewünscht wird, um die Randschichten 11 des Werkstücks 12 über dessen ge¬ samte Breite gleichmäßig tief zu erhitzen. Die Biegung des Strahlflecks 14 erstreckt sich also quer zur Strahlrichtung 18 in Richtung strahlhöhergelegener Oberflächenabschnitte 19', um in den Randbereichen die( größeren Einfallswinkel cx_\ zu bewir¬ ken, als im Bereich 16.
Die Fig.5, 6 zeigen wölbungsfreie, nämlich ebene Werkstücke 12 mit entsprechend planen Oberflächen 13. Das Werkstück 12 der Fig.5 ist etwa so lang, wie der nicht dargestellte Strahlfleck, so daß sich bei einer Relativbewegung von Laserstrahlung 10 und Werkstück 12 in Richtung 22 quer dazu ein Wärmestau ergibt. In¬ folgedessen wird so verfahren, daß in den in der Mitte des Werkstücks 12 befindlichen Bereichen 16 ein vergleichsweise • großer Einfallswinkel 03 gewählt wird, während die Einfallswin¬ kel c_2 der am Rande gelegenen Bereiche 15 demgegenüber kleiner ist. Dementsprechend ist auch die Energieeinkopplung in den Be¬ reichen 15 geringer. Umgekehrt ist die Neigung der Laserstrah- lung 10 in dem mittleren Bereich 16 des Werkstücks 12 der Fig.6, das seitlich in Bezug auf die Länge des nicht darge¬ stellten Strahlflecks unbegrenzt ist. Der Einfallswinkel 03 ist also kleiner, als der randseitige Einfallswinkel 02, was zu ei¬ ner gleichmäßig tiefen Erhitzung des Werkstücks 12 über die ge¬ samte Länge des Strahlflecks führt.
Die Form des Strahlflecks der Laserstrahlung 10 ist bei den Werkstücken 12 der Fig.5,6 von vergleichsweise geringer Be¬ deutung. Angedeutet ist durch die Anordnung der die Laserstrah¬ lung 10 symbolisierenden Pfeile eine sichelförmige Strahlfleck¬ ausbildung. Derselbe Behandlungseffekt kann jedoch erreicht werden, wenn eine linienförmige Strahlfleckausbildung verwendet wird, sofern nur die Einfallswinkel 03 der Laserstrahlung '10 in den Bereichen 16 wie jeweils dargestellt im Verhältnis zu den Einfallswinkeln 02 sind.
Die Fig.7,8 zeigen die räumliche Anordnung einer Optik, mit der sichelförmige Strahlflecken erzeugt werden können. Die Optik 23 besteht aus in einem Gehäuse 28 angeordneten Planspie- gel 24, der die Laserstrahlung 10 in Richtung auf einen Linien¬ fokussierspiegel ≥5 um 90° umlenkt. In einstellbarem Abstand L von diesem Linienfokussierspiegel 25 ist ein elliptischer Spie¬ gel 26 angeordnet, der die Strahlung 10 um 90° ablenkt und auf das zu bestrahlende Werkstück 12 richtet, das sich in einer Di¬ stanz A befindet. Die Form des Strahlflecks entspricht Fig. ..
Mit Hilfe der vorbeschriebenen Verfahren kann bei optima¬ ler Bearbeitungsqualität mit hoher Prozeßgeschwindigkeit bear¬ beitet werden. Als Bearbeitungsverfahren kommen infrage: Anlas¬ sen, Umwandlungshärten, Umschmelzen, Legieren, Dispergieren oder Beschichten von Außenschichten bzw. Randschichten der Werkstücke. Fehlerhafte Bearbeitungen können vermieden werden, wie beispielsweise Kantenverrundungen infolge eines Aufschmel- zens bzw. Verdampfens von Werkstoff oder ungleichmäßige Bear¬ beitungsgeometrien. Als Werkstücke kommen vornehmlich solche infrage, die in zumindest einer Richtung ungewölbt sind, also Werkstücke mit planen Flächen und Werkstücke mit zylindrisch gewölbten Flächen. Bei diesen kann beispielsweise mit Strahl¬ fleckspuren in der Breite von z.B. 30 bis 40mm bearbeitet wer¬ den.
Gewerbliche Verwertung
Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken mittels LaserStrahlung wird zur Erzielung einer hohen Prozeßgeschwindigkeit mit gleichzeitiger Verbesserung der Bearbeitungsgualität angewandt.

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Laserstrahlung durch Erhitzen von Randschichten, ausgenom¬ men zur Behandlung von Nocken für Wellen für Kraftfahr¬ zeuge, bei dem ein Laserstrahl mit einem von Null abwei¬ chenden Einfallswinkel auf die Werkstückoberfläche mit ei¬ nem länglichen Strahlfleck auftrifft und quer dazu rela¬ tivbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß linear po¬ larisierte Laserstrahlung (10) verwendet und ihr Einfalls¬ winkel (cc2) zur Anpassung der Energieeinkopplung in das Werkstück (12) in zumindest einem Teilbereich (15) des Strahlflecks (14) abweichend von den Einfallswinkeln (03) der verbleibenden Bereiche (z.B.16) des Strahlflecks (14) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Strahlflecks (14) auf die Geometrie der zu bearbeitenden Fläche (13) abgestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß bei einem Werkstück (12) mit zylindrisch gewölb¬ ter Oberfläche (13) ein mondsichelförmig gebogener Strahl¬ fleck (14) parallel zur Zylinderachse (17) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer der Länge (1) des Strahlflecks (14) etwa entsprechenden Werkstückbreite (B) ein Strahlfleck (14) mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung (18) in Richtung strahltiefer gelegener Oberflächenabschnitte (19) des Werkstücks (12) erstreckt, wenn die zylindrische Werkstückoberflache (13) konvex ge¬ wölbt ist, sonst umgekehrt. 1 Ü
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer die Länge (1) des Strahlflecks (14) wesent¬ lich übersteigenden Werkstückbreite (B) ein Strahlfleck (14) mit einer Biegung verwendet wird, die sich quer zur Strahlrichtung (18) in Richtung strahlhöher gelegener Oberflächenabschnitte (19') des Werkstücks (12) erstreckt, wenn die zylindrische Werkstückoberfläche (13) konvex ge¬ wölbt ist, sonst umgekehrt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß ein Strahlfleck (14) mit einstellbarer Länge (1) und/oder mit einstellbarer Breite (b) verwendet wird.
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