WO2019001630A2 - Verfahren zum härten zumindest eines teilbereichs einer wandung und bearbeitungseinrichtung - Google Patents
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- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
Definitions
- the invention relates to a method and apparatus for curing a z. B. inner wall of a borehole in a workpiece whose material is curable by heat treatment, by means of laser radiation.
- the workpieces are hardened either completely or partially.
- furnace hardening and inductive hardening laser hardening can be applied. If the delay or the process time is to be reduced, workpieces are only locally hardened, functionally adjusted. For this purpose, the surfaces to be hardened are exposed to the laser radiation so that they are heated above a transition temperature and then quenched by heat dissipation into the workpiece.
- DE 10 2005 043 924 B3 also describes the hardening of bores by means of guided mirrors on the inner wall of a borehole guided laser radiation, wherein the mirrors are cooled.
- a disadvantage of these solutions for processing or hardening of boreholes by means of mirrors is that there is a high load on the mirror, in particular its surface on which the laser beam impinges, so that the laser power radiated onto the mirrors, e.g. B. must be removed by partially consuming cooling.
- An improved in this respect method for hardening at least a portion of a wall of a bore is already known from DE 10 2014 017 632 A1 as known. In this method, polarized laser radiation is used in order to keep the load of the deflecting mirror in the bore low, whereby the thus improved reflection properties of the mirror surface are exploited.
- a method and a corresponding apparatus for processing an inner wall waiving mirrors are shown in DE 102 60 345 B3.
- a light guide is introduced into the bore, in the Einkoppelende a laser beam is coupled at an angle to the optical axis of the light guide. From a Auskoppelende of the light guide, a conical laser beam is coupled, whereby the laser light strikes at a predetermined angle to the inner wall of the bore.
- the object of the invention is to provide a method and an apparatus by means of which a uniform irradiation of the inner wall of a recess, for. B. a bore, waiving rotating movements and disposed within the recess optical elements is possible, yet a sufficient for the laser-hardening should be achieved by absorbing absorption on the inner wall.
- rotationally symmetrical laser radiation is widened by a predetermined divergence angle for this purpose, and this divergent laser radiation is thendirectly rectified, ie. H. dispensing with additional elements in the recess, irradiated on the wall of the recess, so that by absorbing the laser radiation effective heating is achieved.
- the longitudinal axis of the recess and the beam axis of the rotationally symmetrical laser radiation fall almost or exactly on each other.
- the absorption of the laser light has a strong dependence on the angle of incidence on the inner wall, d. H. the angle of the incident on the surface light beam measured to the surface normal, shows.
- the absorption for unpolarized laser radiation increases with increasing angle of incidence from initially 38% to a maximum value of approximately 43% at an angle of incidence of approximately 75 °.
- the absorption decreases rapidly.
- the divergence of the laser radiation is adjusted so that its angle of incidence (to the perpendicular of the wall surface) between 30 ° and 89 °, preferably between 70 ° and 87 ° and more preferably between 75 ° and 85 °.
- the Gaussian intensity distribution present in the far field of the laser radiation ensures an approximately uniform distribution of the energy input on the wall of the recess of the workpiece, so that simple hardening tasks can be carried out.
- the hardening of smaller blind holes is possible because no device parts must be inserted through the recess opening.
- the heating zone i. H. the heated by the laser radiation region of the wall within the recess, locally is severely limited, so that only one, z. Annular area of the wall is heated, it is provided to translate the workpiece along the beam axis, whereby the heating zone is "movable" along its entire length along the wall of the recess Alternatively, the jet can also be moved.
- the invention can be further advantageously designed so that an additional optical deflection element, for.
- an additional optical deflection element for.
- the deflection element may be a plane mirror, a spherical or aspherical mirror, z. As rotationally symmetric funnel or cone mirror, his.
- the deflecting element can, for. B. by the mirror contour, designed and arranged to achieve an improvement in the intensity distribution on the wall of the recess.
- z. B transmitted- or reflected on the wall to absorb laser radiation by means of a suitable absorber, so that a risk of z. As operators and damage to the device is excluded.
- additional optical components for generating a conical-shaped beam path of the laser beam can be provided.
- the originally circular cross section of the laser beam is transformed into an annular cross section before it enters the cavity to be hardened.
- These additional optical components can be arranged in the processing optics.
- the power of the laser radiation emerging from the recess can be measured and / or recorded for quality assurance and / or process control.
- a laser power meter can be arranged with an associated evaluation unit in the laser beam direction behind the recess. be net. This records the laser power impinging on the laser power meter. From this, the absorbed power can be determined with knowledge of the irradiated laser power. For these limits can be set for the quality assessment.
- the exiting laser power can be used as a parameter for process control.
- the workpiece holder may additionally have a clamping unit for fixing the workpiece.
- the optical unit comprises at least one focusing element, for. B. a focus lens. Furthermore, the optical unit a collimator, z. As a lens, for collimating the emerging from the laser beam source laser beam. To produce a cone-shaped beam path, the beam axis of which runs coaxially to the longitudinal axis of the recess, the optical unit can include at least one optical element generating a conical envelope jet.
- This optical element may be a passive optical element, e.g. B. be a diffractive element, a specular axicon or another type of free-form mirror. It can also be an active optical element, for. B.
- Quasi-instantaneous fast deflection elements such as fast scanner mirrors or acousto-optic modulators. It can also be used a combination of these optical elements.
- the optical unit includes two axons, which are arranged such that the generated by the laser beam source and z.
- a laser beam emerging from a light guide cable is approximately collimated by the collimator, expanded by the first axicon, and converted by the second axicon into an approximately collimated circular beam.
- the cone-shaped beam path can be generated at a distance from the main plane greater than the focal length f2 of the focussing element.
- the position of the greatest sharpness of the circular laser spot can be shifted out of the focus of the focusing element by a certain amount and thus adjusted to or in the vicinity of the Ausappelungswandung , Both axons preferably have the same or almost the same cone angle.
- the position of the greatest sharpness can alternatively - instead of with the displacement of the fiber end of the optical cable or the collimator - be placed on the recess wall by means of axons with different axicon angles.
- the positioning device can either be connected to the workpiece holder (and possibly the clamping unit) or to the optical unit, so that a distance between the optical unit, or its focusing unit, and by a translatory movement along the beam axis of either the workpiece holder or the optical unit can be specified to the workpiece to be machined.
- the control unit includes specifications for the process control, z. B. Setpoint values of a laser output to be output by the laser beam source and / or a position to be approached by the positioning device, to the laser power to be irradiated and optionally the movement of the heat affected zone via the recess wall, ie the position predeterminable by the positioning device and / or translatory Movement speed of the heat affected zone, if necessary to optimize the process control to change.
- the absorber device includes a laser power meter connected to the control unit for determining a power of the laser radiation transmitted through the recess and / or reflected by the inner wall of the recess. This power is compared with the requested laser power (or alternatively the power measured by the beam source) and can be used for quality assurance or process control purposes by means of defined threshold values.
- FIG. 1 shows a workpiece with a bore in section during a bore hardening with divergent coaxial radiation according to one embodiment
- 2 shows a workpiece with a bore in section during a bore hardening with divergent coaxial radiation according to an embodiment with additional mirror;
- 3 shows a workpiece with a bore in section during two phases of a bore hardening with divergent coaxial radiation according to a further embodiment;
- FIG. 4 shows a processing device according to a first embodiment
- FIG 5 shows a processing device according to a second embodiment.
- the method for hardening a wall of a recess with divergent coaxial radiation is shown schematically in FIG.
- the collimated laser beam 1 is focused by the focus lens 18 into the focal point F. Behind the focal point F, the laser beam diverges. This divergent laser beam is directed into the recess of the workpiece 5, wherein the beam axis 8 is coaxial with the longitudinal axis 7 of the recess.
- the divergent laser radiation 2 strikes the wall 6 and is absorbed there.
- the emerging behind the workpiece 5 from the recess laser radiation 3 is absorbed by the absorber 10.
- the external additional mirror 11 is arranged such that the mirror axis 9 and the beam axis 8 extend coaxially.
- the mirror 1 1 has a funnel-shaped surface, which is optimized to make the highest possible proportion of the laser radiation reflected by the Ausappelungswandung 12 and passing through the Ausappel radiation 3 as reflected laser radiation 13 in the processing process to take effect.
- a cone-shaped beam path 14 is used according to FIG the recess axis 7 extends coaxially.
- the location of the greatest sharpness of the circular laser spot is on or in the vicinity of the wall 6.
- the heating zone 15 is thus less extensive than in Fig. 1 or 2.
- the processing device which consists essentially of the optical unit 21, the laser beam source 24, the positioning device 28, by means of which the workpiece 5 is translationally movable along the beam axis 8, the clamping unit 27 for receiving the workpiece 5 and the control unit 23 consists.
- the cone-shaped beam path 14, whose beam axis 8 extends coaxially with the longitudinal axis 7 of the recess, is produced in this example by means of the two axons 19 and 20.
- the emerging from a light guide 16 laser beam 1 is approximately collimated by the first lens 17, expanded by the first axicon 19 and converted by the second axicon 20 in an approximately collimated annular beam.
- the focus lens 18 generates the cone-shaped beam 14 at a distance from the main plane greater than the focal length f2 of the lens 18.
- the position of the greatest sharpness of the circular laser spot can be determined the Focusing point F of the focus lens 18 by z2 on or in the vicinity of the Ausappelungswan- 6 are adjusted.
- Both axons 19 and 20 have the same or nearly the same cone angle.
- the control unit 23 takes over the process control and is therefore connected to the positioning device 28 and the laser beam source 24.
- the control unit 23 outputs via the signal line for position 29 and the signal line for laser power 26 defaults to move the heat affected zone over the bore wall 6 and to change the laser power, position or speed of the heat affected zone as needed to optimize the process control.
- the laser power meter 22 used in this embodiment as an absorber device detects the power of the laser radiation emerging behind the workpiece 5, which here consists only of the laser radiation 12 reflected by the bore wall 6, and transmits it via the signal line 25 to the control unit 23. This power is set in relation to the requested laser power, whereby quality assurance is carried out by means of defined threshold values for this ratio.
- a processing device for the bore hardening with a cone-shaped beam path, generated by an axicon-axicon arrangement in the optical system, with external additional mirror 11 and the thermal radiation measuring device 31 designed as a pyrometer for quality assurance and process control is shown in FIG ,
- the heat radiation 33 emitted by the processing location is again collected in a beam via the focus lens 18, the second axicon 20 and the first axicon 19 and deflected by the dichroic beam splitter 30 onto the pyrometer 31.
- the temperature transmitted via the temperature signal line 32 to the controller (23) is utilized to provide a default value for the laser power via the signal line for laser power 26 and / or a default value for the position or the position thereof via the signal line for position 29 to send derived speed and thus to control the process.
- the external additional mirror 11 is arranged behind the workpiece 5 to increase the process efficiency.
- the optical unit 21 with the attached external additional mirror 1 1 by means of the positioning device 28 can be moved.
- This configuration can - if necessary waiving the external mirror 1 1 - are also used for hardening blind holes.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Bearbeitungseinrichtung zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Ausnehmungs-Wandung (6) in einem Werkstück (5) mittels eines Laserstrahls (1). Gemäß des Verfahrens wird ein divergenter Laserstrahl (2), dessen Strahlachse (8) koaxial zu der Längsachse (7) der Ausnehmung ist, zur direkten Bestrahlung und somit Erhitzung der Wandung (6) verwendet, weshalb die Laserstrahlung (1) in Strahlrichtung vor dem Werkstück (5) divergiert wird.
Description
Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung und Bearbeitungseinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Härtung einer z. B. Innenwan- dung eines Bohrloches in einem Werkstück, dessen Material durch Wärmebehandlung härtbar ist, mittels Laserstrahlung.
Es ist bekannt, dass zum Härten der Wandungen von Bohrungen die Werkstücke entweder ganz oder teilweise gehärtet werden. Dazu kann neben z. B. dem Ofenhärten und induktivem Härten das Laserhärten angewendet werden. Soll der Verzug oder die Prozesszeit verringert werden, werden Werkstücke funktionsangepasst nur lokal gehärtet. Dazu werden die zu härtenden Oberflächen der Laserstrahlung ausgesetzt, sodass diese über eine Umwandlungstemperatur erhitzt und anschließend durch Wärme- abfluss in das Werkstück abgeschreckt werden.
Innerhalb von Bohrungen ist es möglich, mittels Umlenkspiegeln die Wandung zu bestrahlen. Die DE 295 06 005 U1 zeigt das Bearbeiten von Bohrungen mittels eines in der Bohrung angeordneten, rotierenden Spiegels. US 4017708 A offenbart Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Bohrlochinnenwandung mit Anordnungen mehrerer Spiegel und Rotationsachsen.
Auch die DE 10 2005 043 924 B3 beschreibt das Härten von Bohrungen mittels über geführte Spiegel auf die Innenwandung eines Bohrloches gelenkter Laserstrahlung, wobei die Spiegel gekühlt werden.
Nachteilig an diesen Lösungen zur Bearbeitung bzw. Härtung von Bohrlöchern mittels Spiegeln ist, dass es zu einer hohen Belastung des Spiegels, insbesondere dessen Oberfläche, auf weiche der Laserstrahl auftrifft, kommt, sodass die auf die Spiegel ein- gestrahlte Laserleistung, z. B. durch zum Teil aufwendige Kühlung, abgeführt werden muss.
Ein in dieser Hinsicht verbessertes Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung einer Bohrung ist bereits der DE 10 2014 017 632 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird polarisierte Laserstrahlung verwendet, um die Belastung des Umlenkspiegels in der Bohrung gering zu halten, wobei auch die hierdurch verbesserten Reflexionseigenschaften der Spiegeloberfläche ausgenutzt werden.
Ein prinzipieller Nachteil an diesen Lösungen zur Bearbeitung bzw. Härtung von Bohrlöchern mittels Spiegeln ist jedoch, dass die Spiegel zumeist innerhalb des Bohrloches bzw. in unmittelbarer Nähe zu dem Prozessort zu platzieren sind, sodass sie schnell verschmutzen.
Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit von Rotationsachsen, d. h., das Werkstück oder die Bearbeitungsvorrichtung muss um die Bohrungsachse rotiert werden, um den Laserstrahl entlang des Umfangs der Wandung zu führen. Hierbei ist es unrealistisch, z. B. große Bauteile rotieren zu lassen. Bei einer rotierenden Bearbeitungsvorrichtung hingegen muss sichergestellt sein, dass die Zufuhr der Kühlmedien stets zuverlässig möglich ist. Ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenwand unter Verzicht auf Spiegel sind in der DE 102 60 345 B3 gezeigt. Hierbei wird ein Lichtleiter in die Bohrung eingebracht, in dessen Einkoppelende ein Laserstrahl in einem Winkel zur optischen Achse des Lichtleiters eingekoppelt wird. Aus einem Auskoppelende des Lichtleiters wird ein kegelförmiger Laserstrahl ausgekoppelt, wodurch das Laserlicht unter einem vorgegebenen Winkel auf die Innenwandung der Bohrung trifft.
Weiter hat sich gezeigt, dass sich insbesondere kleine Bohrungen oder Sacklochbohrungen kaum durch in die Bohrung eingebrachte Elemente härten lassen, da diese geometrisch nicht mehr in die Bohrung hineinpassen oder nicht ausreichend robust ge- genüber der Einflüsse aus Laserstrahlung und Prozessbedingungen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer eine gleichmäßige Bestrahlung der Innenwandung einer Ausnehmung, z. B. einer Bohrung, unter Verzicht auf rotierende Bewegungen und innerhalb der Ausnehmung angeordnete optische Elemente ermöglicht ist, wobei dennoch eine für das La- serhärten ausreichende Erwärmung durch Absorption an der Innenwandung erzielbar sein soll.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Härten mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie die Bearbeitungseinrichtung mit den kennzeich- nenden Merkmalen nach Patentanspruch 7 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich jeweils in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird hierzu rotationssymmetrische Laserstrahlung um einen vorgegebenen Divergenzwinkel aufgeweitet und diese divergente Laserstrahlung sodann di- rekt, d. h. unter Verzicht auf zusätzliche Elemente in der Ausnehmung, auf der Wandung der Ausnehmung eingestrahlt, sodass durch Absorption der Laserstrahlung eine wirksame Erwärmung erzielt wird. Hierbei sind die Strahlachse der rotationssymmetrischen Laserstrahlung und die Längsachse der Ausnehmung, z. B. die Bohrungsachse, im Wesentlichen koaxial, d. h., die Längsachse der Ausnehmung und die Strahlachse der rotationssymmetrischen Laserstrahlung fallen nahezu oder exakt aufeinander.
Es hat sich gezeigt, dass die Absorption des Laserlichtes eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel auf die Innenwandung, d. h. dem Winkel des auf die Oberfläche einfallenden Lichtstrahles gemessen zur Flächennormale, zeigt. Beispielsweise steigt für Eisen bei einer Lichtwellenlänge von 1030 nm die Absorption für unpolarisierte Laserstrahlung mit zunehmendem Einfallswinkel von anfänglich 38% auf einen Maximalwert von ca. 43% bei einem Einfallswinkel von etwa 75°. Für größer werdende Einfallswinkel oberhalb 85° nimmt die Absorption rapide ab.
Somit wird die Divergenz der Laserstrahlung derart eingestellt, dass ihr Einfallswinkel (zum Lot der Wandungsoberfläche) zwischen 30° und 89°, vorzugsweise zwischen 70°
und 87° und besonders bevorzugt zwischen 75° und 85° liegt. Die im Fernfeld der Laserstrahlung vorliegende Gaußsche Intensitätsverteilung sorgt auf der Wandung der Ausnehmung des Werkstücks für eine annähernd gleichmäßige Verteilung des Energieeintrags, sodass einfache Härteaufgaben durchgeführt werden können.
Indem divergente Laserstrahlung koaxial in die Ausnehmung, deren Wandung zu härten ist, eingestrahlt wird, kann auf optische Elemente innerhalb der Ausnehmung verzichtet werden. Somit treten die Probleme von z. B. verschmutzten, zerstörten oder aufwendig zu schützenden bzw. zu kühlenden Spiegeln bei dem erfindungsgemäßen Verfahren überhaupt nicht auf.
Auch das Härten von kleineren Sacklöchern ist möglich, da keine Vorrichtungsteile durch die Ausnehmungsöffnung eingeführt werden müssen. Da die Erwärmungszone, d. h. der von der Laserstrahlung erwärmte Bereich der Wandung innerhalb der Ausnehmung, lokal stark eingeschränkt ist, sodass nur ein, z. B. ringförmiger, Bereich der Wandung erwärmt wird, ist vorgesehen, das Werkstück entlang der Strahlachse translatorisch zu bewegen, wodurch die Erwärmungszone über den gesamten Längsverlauf der Ausnehmung entlang ihrer Wandung„verfahrbar" ist. Alternativ kann auch der Strahl bewegt werden.
Durch die Verwendung des divergenten Laserstrahles ist eine simultane Bearbeitung der gesamten Innenwandung der Ausnehmung möglich, sodass keine durch Rotation zu erzeugende Relativbewegung des Laserflecks entlang der Bohrungswandung und damit keine Rotationsachse bzw. Rotationseinrichtung erforderlich ist. In Verbindung mit verfügbaren Lasern hoher Leistung wird dadurch auch der Durchsatz der Bearbeitungseinrichtung erhöht. Ebenso entfällt die Gefahr des Anlassens der bereits gehärteten Spur am Rand der Spiralbahnen bei für ein quasisimultanes Erwärmen des Boh- rungsumfangs nicht ausreichender Rotationsdrehzahl.
Die Erfindung kann weiter vorteilhaft so ausgebildet sein, dass ein zusätzliches optisches Umlenkelement, z. B. ein koaxial angeordneter Spiegel, vorgesehen wird, um
durch die Ausnehmung transmittierte und/oder an der Ausnehmungswandung reflektierte Laserstrahlung in die Ausnehmung zurückzuwerfen. Dadurch wird vorteilhaft die Prozesseffizienz erhöht. Das Umlenkelement kann ein Planspiegel, ein sphärischer o- der asphärischer Spiegel, z. B. rotationssymmetrische Trichter- oder Kegelspiegel, sein. Das Umlenkelement kann, z. B. durch die Spiegelkontur, derart gestaltet und eingerichtet sein, um eine Verbesserung der Intensitätsverteilung auf der Wandung der Ausnehmung zu erreichen.
Alternativ kann vorgesehen sein, die aus der Ausnehmung austretende, z. B. transmit- tierte oder an der Wandung reflektierte, Laserstrahlung mittels eines geeigneten Absorbers zu absorbieren, sodass eine Gefährdung von z. B. Bedienern und eine Beschädigung der Vorrichtung ausgeschlossen ist.
Weiterhin können zusätzliche optische Komponenten zur Erzeugung eines kegelman- telförmigen Strahlverlaufs des Laserstrahls vorgesehen sein. Dadurch wird der ursprünglich kreisförmige Querschnitt des Laserstrahls vor seinem Eintritt in die zu härtende Ausnehmung in einen ringförmigen Querschnitt transformiert. Diese zusätzlichen optischen Komponenten können in der Bearbeitungsoptik angeordnet sein. Somit kann vorteilhaft ein Durchtritt von Laserstrahlung durch die Ausnehmung vermieden und zu- sätzlich die Intensität in der Ausnehmungswandung vergrößert werden, um ggf. an der Laserstrahlquelle die Leistung zur Erzeugung des Laserstrahls verringern zu können.
Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, den hinter der Ausnehmung angeordneten Spiegel ringförmig, d. h. als„Donut-Spiegel" zu gestalten, der das an der Ausneh- mungswandung reflektierte Licht refokussiert und auf die Ausnehmungswandung zurückwirft.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Leistung der aus der Ausnehmung austretenden Laserstrahlung zur Qualitätssicherung und/oder Prozessregelung gemessen und/oder aufgezeichnet werden. Hierzu kann ein Laserleistungsmessgerät mit einer zugehörigen Auswerteeinheit in Laserstrahlrichtung hinter der Ausnehmung angeord-
net sein. Diese zeichnet die auf das Laserleistungsmessgerät auftreffende Laserleistung auf. Daraus kann bei Kenntnis der eingestrahlten Laserleistung die absorbierte Leistung ermittelt werden. Für diese können Grenzwerte für die Qualitätsbewertung festgelegt werden. Alternativ kann die austretende Laserleistung als Messgröße für Prozessregelungen Verwendung finden.
Eine weitere Homogenisierung und Erhöhung der Prozessstabilität kann erreicht werden, indem zusätzlich das Bauteil um die Längsachse der Ausnehmung oder die Optikeinheit um die Strahlachse rotiert, insbesondere wenn die Rotationssymmetrie des kegelmantelförmigen Strahls oder die relative Positioniergenauigkeit von Strahl und Bauteil zueinander für das Prozessergebnis nicht ausreichend ist.
Die erfindungsgemäße Bearbeitungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens um- fasst eine Laserstrahlquelle, eine Optikeinheit, eine Positioniereinrichtung, eine mit der Laserstrahlquelle und der Positioniereinrichtung verbundene Steuereinheit zur Prozesssteuerung, eine Werkstückaufnahme zur Aufnahme des Werkstückes sowie eine in Laserstrahlausbreitungsrichtung hinter der Werkstückaufnahme angeordnete Umlenkeinheit oder Absorbervorrichtung. Die Werkstückaufnahme kann zusätzlich eine Spanneinheit zur Fixierung des Werkstückes aufweisen.
Die Optikeinheit umfasst zumindest ein Fokussierelement, z. B. eine Fokuslinse. Weiterhin kann die Optikeinheit einen Kollimator, z. B. eine Linse, zum Kollimieren des aus der Laserstrahlquelle austretenden Laserstrahles aufweisen. Zur Erzeugung eines kegelmantelförmigen Strahlverlaufs, dessen Strahlachse koaxial zu der Längsachse der Ausnehmung verläuft, kann die Optikeinheit wenigstens ein einen Kegelmantelstrahl erzeugendes optisches Element beinhalten. Dieses optische Element kann ein passives optisches Element, z. B. ein diffraktives Element, ein spiegelndes Axikon oder eine andere Art von Freiformspiegel sein. Es kann auch ein akti- ves optisches Element, z. B. quasisimultane schnelle Ablenkungselemente, wie schnelle Scannerspiegel oder akustooptische Modulatoren sein. Es kann auch eine Kombination dieser optischen Elemente eingesetzt sein.
Vorzugweise beinhaltet die Optikeinheit zwei Axikons, die derart angeordnet sind, dass der von der Laserstrahlquelle generierte und z. B. aus einem Lichtleitkabel austretende Laserstrahl durch den Kollimator annähernd kollimiert, durch das erste Axikon aufge- weitet und durch das zweite Axikon in einen annähernd kollimierten kreisringförmigen Strahl umgewandelt wird. Mittels des Fokussierelementes ist im Abstand von der Hauptebene größer der Brennweite f2 des Fokussierelementes der kegelmantelför- mige Strahlverlauf erzeugbar. Durch Einstellung des Abstandes des Lichtleitkabels zur Hauptebene des Kollimators auf einen Wert kleiner der Brennweite f1 des Kollimators kann die Position der größten Schärfe des kreisförmigen Laserspots aus dem Brennpunkt des Fokussierelementes heraus um einen gewissen Betrag verschoben und somit auf oder in die Nähe der Ausnehmungswandung justiert werden. Bevorzugt weisen beide Axikons den gleichen oder nahezu gleiche Kegelwinkel auf. Die Position der größten Schärfe kann alternativ - statt mit der Verschiebung des Faserendes des Lichtleitkabels oder des Kollimators - mittels Axikons mit unterschiedlichen Axikonwin- keln auf die Ausnehmungswandung gelegt werden.
Die Positioniereinrichtung kann entweder mit der Werkstückaufnahme (und ggf. der Spanneinheit) oder mit der Optikeinheit verbunden sein, sodass durch eine translatori- sehe Bewegung entlang der Strahlachse von entweder der Werkstückaufnahme oder der Optikeinheit ein Abstand zwischen der Optikeinheit, bzw. deren Fokussiereinheit, und dem zu bearbeitenden Werkstück vorgebbar ist.
Mittels der Steuereinheit sind Vorgaben für die Prozessregelung, z. B. Sollwerte einer von der Laserstrahlquelle auszugebenden Laserleistung und/oder eine von der Positioniereinrichtung anzufahrende Position, einstellbar, um die einzustrahlende Laserleistung und gegebenenfalls die mittels der Positioniereinrichtung ermöglichte Bewegung der Wärmeeinflusszone über die Ausnehmungswandung, d. h. die von der Positioniereinrichtung vorgebbare Position und/oder translatorische Bewegungsgeschwindigkeit der Wärmeeinflusszone, bei Bedarf zur Optimierung der Prozessführung zu verändern.
Gemäß einer Ausgestaltung beinhaltet die Absorbervorrichtung ein mit der Steuereinheit verbundenes Laserleistungsmessgerät zur Bestimmung einer Leistung der durch die Ausnehmung transmittierten und/oder von der Innenwandung der Ausnehmung reflektierten Laserstrahlung. Diese Leistung wird mit der angeforderten Laserleistung (o- der alternativ von der Strahlquelle gemessenen Leistung) ins Verhältnis gesetzt und kann mittels definierter Schwellwerte für Qualitätssicherungs- oder Prozessregelungs- zwecke genutzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
Fig. 1 : ein Werkstück mit einer Bohrung im Schnitt während einer Bohrungshärtung mit divergenter koaxialer Strahlung gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: ein Werkstück mit einer Bohrung im Schnitt während einer Bohrungshärtung mit divergenter koaxialer Strahlung gemäß einer Ausführungsform mit Zusatzspiegel; Fig. 3: ein Werkstück mit einer Bohrung im Schnitt während zwei Phasen einer Bohrungshärtung mit divergenter koaxialer Strahlung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 4: eine Bearbeitungseinrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung; und
Fig. 5: eine Bearbeitungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung.
Das Verfahren zum Härten einer Wandung einer Ausnehmung mit divergenter koaxialer Strahlung zeigt Fig. 1 schematisch. Der kollimierte Laserstrahl 1 wird von der Fokuslinse 18 in den Brennpunkt F fokussiert. Hinter dem Brennpunkt F divergiert der La- serstrahl. Dieser divergente Laserstrahl wird in die Ausnehmung des Werkstücks 5 geleitet, wobei die Strahlachse 8 koaxial zur Längsachse 7 der Ausnehmung ist.
Die divergente Laserstrahlung 2 trifft auf die Wandung 6 und wird dort absorbiert. Die hinter dem Werkstück 5 aus der Ausnehmung austretende Laserstrahlung 3 wird von dem Absorber 10 absorbiert.
In Fig. 2 ist zur Verbesserung der Energiebilanz der externe Zusatzspiegel 1 1 derart angeordnet, dass die Spiegelachse 9 und Strahlachse 8 koaxial verlaufen. Im Beispiel besitzt der Spiegel 1 1 eine trichterförmige Oberfläche, die optimiert ist, um einen möglichst hohen Anteil der von der Ausnehmungswandung reflektierten Laserstrahlung 12 und der durch die Ausnehm ung hindurchtretenden Strahlung 3 als zurückgeworfene Laserstrahlung 13 im Bearbeitungsprozess wirksam werden zu lassen.
Zur Verringerung der Breite der Erwärmungszone 15 gegenüber der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung und zur Erhöhung der Intensität bei gleicher Laserleis- tung und damit der Verbesserung der Wechselwirkung wird gemäß Fig.3 ein kegel- mantelförmiger Strahlverlauf 14 verwendet, dessen Strahlachse 8 mit der Ausnehmungsachse 7 koaxial verläuft. Der Ort der größten Schärfe des kreisringförmigen Laserspots liegt dabei auf oder in der Nähe der Wandung 6. Die Erwärmungszone 15 ist somit weniger ausgedehnt als in Fig. 1 oder 2. Durch Verschieben des Werkstückes 5 zwischen den Positionen P1 und P2, kann die Erwärmungszone 15 über die gesamte Ausnehmungswandung 6 geführt werden. Die von der Ausnehmungswandung 6 reflektierte Laserstrahlung wird durch den Absorber 10 aufgefangen.
Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltungsform der Bearbeitungseinrichtung, die im Wesentlichen aus der Optikeinheit 21 , der Laserstrahlquelle 24, der Positioniereinrichtung 28, mittels derer das Werkstück 5 entlang der Strahlachse 8 translatorisch bewegbar ist, der Spanneinheit 27 zur Aufnahme des Werkstücks 5 sowie der Steuereinheit 23 besteht. Der kegelmantelförmige Strahlverlauf 14, dessen Strahlachse 8 mit der Längsachse 7 der Ausnehmung koaxial verläuft, wird in diesem Beispiel mittels der beiden Axikons 19 und 20 erzeugt. Dazu wird der aus einem Lichtleitkabel 16 austretende Laserstrahl 1 durch die erste Linse 17 annähernd kollimiert, durch das erste Axikon 19 aufgeweitet und durch das zweite Axikon 20 in einen annähernd kollimierten kreisringförmigen Strahl umgewandelt. Die Fokuslinse 18 erzeugt im Abstand von der Hauptebene größer der Brennweite f2 der Linse 18 den kegelmantelförmigen Strahl 14. Durch Einstel- lung des Abstandes des Lichtleitkabels 16 zur Hauptebene der ersten Linse 17 auf f1 - z1 kann die Position der größten Schärfe des kreisringförmigen Laserspots aus dem
Brennpunkt F der Fokuslinse 18 um z2 auf oder in die Nähe der Ausnehmungswan- dung 6 justiert werden. Beide Axikons 19 und 20 weisen gleiche oder nahezu gleiche Kegelwinkel auf. Die Steuereinheit 23 übernimmt die Prozesssteuerung und ist deshalb mit der Positioniereinrichtung 28 und der Laserstrahlquelle 24 verbunden. Die Steuereinheit 23 gibt über die Signalleitung für Position 29 und die Signalleitung für Laserleistung 26 Vorgaben aus, um die Wärmeeinflusszone über die Bohrungswandung 6 zu bewegen und um Laserleistung, Position oder Geschwindigkeit der Wärmeeinflusszone bei Bedarf zur Optimierung der Prozessführung zu verändern. Das in dieser Ausgestaltung als Absorbervorrichtung eingesetzte Laserleistungsmessgerät 22 er- fasst die Leistung der hinter dem Werkstück 5 austretenden Laserstrahlung, die hier nur aus der von der Bohrungswandung 6 reflektierten Laserstrahlung 12 besteht, und übermittelt sie über die Signalleitung 25 an die Steuereinheit 23. Diese Leistung wird mit der angeforderten Laserleistung ins Verhältnis gesetzt, wobei mittels definierter Schwellwerte für dieses Verhältnis die Qualitätssicherung durchgeführt wird.
Eine Bearbeitungseinrichtung gemäß einer alternativen Ausgestaltung für das Bohrungshärten mit kegelmantelförmigem Strahlverlauf, erzeugt durch eine Axikon-Axikon- Anordnung im optischen System, mit externem Zusatzspiegel 1 1 und dem als Pyrometer ausgeführten Wärmestrahlungsmessgerät 31 für die Qualitätssicherung und Pro- zessregelung ist in Fig. 5 dargestellt.
Die vom Prozessort emittierte Wärmestrahlung 33 wird über die Fokuslinse 18, das zweite Axikon 20 und erstes Axikon 19 wieder in einem Strahl gesammelt und mittels des dichroitischen Strahlteilers 30 auf das Pyrometer 31 abgelenkt. Die über die Tem- peratur-Signalleitung 32 an die Steuerung (23) übermittelte Temperatur wird ausgenutzt um über die Signalleitung für Laserleistung 26 einen Vorgabewert für die Laserleistung und/oder über die Signalleitung für die Position 29 einen Vorgabewert für die Position bzw. die davon abgeleitete Geschwindigkeit zu senden und somit den Pro- zess zu regeln.
Anstelle des in Fig. 4 eingesetzten Laserleistungsmessgeräts ist der externe Zusatzspiegel 1 1 zur Erhöhung der Prozesseffizienz hinter dem Werkstück 5 angeordnet. Außerdem ist die Optikeinheit 21 mit dem daran befestigten externen Zusatzspiegel 1 1 mittels der Positioniereinrichtung 28 verfahrbar.
Diese Ausgestaltung kann - ggf. unter Verzicht auf den externen Spiegel 1 1 - auch für das Härten von Sacklochbohrungen verwendet werden.
Liste der Bezugszeichen
1 Laserstrahl, kollimiert
2 divergenter Laserstrahl
3 hindurchtretende Strahlung
4 auf Bohrungswandung auftreffende Laserstrahlung
5 Werkstück
6 Wandung der Ausnehmung / Bohrungswandung
7 Längsachse der Ausnehmung
8 Strahlachse
9 Spiegelachse
10 Absorbervorrichtung
1 1 externer Zusatzspiegel
12 reflektierte Laserstrahlung
13 zurückgeworfene Laserstrahlung
14 kegelmantelförmiger Strahlverlauf
15 Erwärmungszone
16 Lichtleitkabel
17 Kollimator
18 Fokussierelement / Fokuslinse
19 erstes Axikon
20 zweites Axikon
21 Optikeinheit
22 Laserleistungsmessgerät
23 Steuereinheit
24 Laserstrahlquelle
25 Signalleitung
26 Signalleitung für Laserleistung
27 Spanneinheit
28 Positioniereinrichtung
29 Signalleitung für Position
30 Strahlteiler
31 Wärmestrahlungsmessgerät / Pyrometer
32 Temperatur-Signalleitung
33 Wärmestrahlung P1 erste Position
P2 zweite Position
f1 Brennweite des Kollimators
f2 Brennweite des Fokussierelements
F Brennpunkt des Fokussierelements
Claims
1 . Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung (6) einer Ausnehmung in einem Werkstück (5) mittels eines Laserstrahls (1 ) mit rotationssym- metrischem Querschnitt,
wobei
- der Laserstrahl (1 ) vor seinem Eintritt in die Ausnehmung mittels eines optischen Elementes (18) divergiert wird, wobei die Laserstrahlachse (8) des divergierten Laserstrahls (2, 14) im Wesentlichen koaxial zur Längsachse (7) der Ausnehmung ausgerichtet ist;
- der divergente Laserstrahl (2, 14) zumindest teilweise in die Ausnehmung und auf den zu härtenden Bereich der Wandung (6) der Ausnehmung eingestrahlt wird, wobei der Einfallswinkel des auf die Wandung (6) auftreffenden Laserstrahls (4) höchstens 89° beträgt; und
- das Werkstück (5) translatorisch entlang der Strahlachse (8) um eine Strecke, die der Ausdehnung der Ausnehmung entlang ihrer Längsachse (7) entspricht, relativ zu dem optischen Element (18) bewegt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
in Abhängigkeit von einer mittels eines Wärmestrahlungsmessgerätes (31 ) gemesse- nen Temperatur der Wandung (6)
- eine Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung
und/oder
- eine Laserleistung des Laserstrahls (1 )
geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel in einem Bereich zwischen 70° und 87° eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Laserstrahlrichtung hinter einer durch das Werkstück (5) durchgehenden Ausnehmung mindestens ein Umlenkelement (1 1 ) angeordnet wird, das aus der Ausnehmung austretende Laserstrahlung (12) in die Ausnehmung zurücklenkt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Ausnehmung austretende Laserstrahlung (12) mittels eines Absorbers (10) absorbiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1 ) vor seinem Eintritt in die Ausnehmung mittels optischer Elemente (19, 20) in einen Laserstrahl (14) mit ringförmigem Querschnitt transformiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass hinter einer durch das Werkstück (5) durchgehenden Ausnehmung die Leistung der aus der Ausnehmung austretenden Laserstrahlung (12) gemessen wird, wobei aus der Differenz zu der eingestrahlten Laserleistung die von der Wandung (6) der Ausnehmung absorbierte Leistung bestimmt wird.
7. Bearbeitungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Laserstrahlquelle (24), eine Optikeinheit (21 ), die einen Kollimator (17), mindestens ein, einen Kegelmantelstrahl erzeugendes optisches Element (19, 20) sowie ein Fokussierelement (18) um- fasst, eine Positioniereinrichtung (28), eine mit der Laserstrahlquelle (24) und der Positioniereinrichtung (28) verbundene Steuereinheit (23), eine Werkstückaufnahme sowie eine in Laserstrahlausbreitungsrichtung hinter der Werkstückaufnahme angeordnete Umlenkeinheit (1 1 ) oder Absorbervorrichtung (10, 22) aufweist.
8. Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine auf der Werkstückaufnahme angeordnete Spanneinheit (27), aufweist, wobei die Absorbervorrichtung ein Laserstrahlung absorbierendes, mit der Steuereinheit (23) verbundenes Laserleistungsmessgerät (22) ist.
9. Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (21 ) zusätzlich ein mit der Steuereinheit (23) verbundenes Wärmestrahlungsmessgerät (31 ) und einen dichroitischen Strahlteiler (30), mittels dem von dem
Werkstück (5) in Richtung Optikeinheit (21 ) abgestrahlte Wärmestrahlung (33) auf das Wärmestrahlungsmessgerät (31 ) lenkbar ist, aufweist.
10. Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Werkstückaufnahme mit der Positioniereinrichtung (28) fest verbunden ist.
1 1 . Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (21 ) mittels der Positioniereinrichtung (28) translato- risch bewegbar ist.
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