WO2019096345A1 - Verfahren und vorrichtung zum laserhärten von werkstücken mittels einer mehrzahl von räumlich getrennten einzellaserstrahlen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum laserhärten von werkstücken mittels einer mehrzahl von räumlich getrennten einzellaserstrahlen Download PDF

Info

Publication number
WO2019096345A1
WO2019096345A1 PCT/DE2018/100891 DE2018100891W WO2019096345A1 WO 2019096345 A1 WO2019096345 A1 WO 2019096345A1 DE 2018100891 W DE2018100891 W DE 2018100891W WO 2019096345 A1 WO2019096345 A1 WO 2019096345A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
workpiece
individual
laser beam
hardening
Prior art date
Application number
PCT/DE2018/100891
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Walter
Original Assignee
Scansonic Mi Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Scansonic Mi Gmbh filed Critical Scansonic Mi Gmbh
Publication of WO2019096345A1 publication Critical patent/WO2019096345A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/354—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/703—Cooling arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/003—Cooling means
    • 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
    • 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
    • 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
    • C21D1/34—Methods of heating
    • 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
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for efficient and process-reliable partial hardening of a z.
  • DE 295 06 005 U1 shows the editing of holes by means of a arranged in the bore, rotating mirror.
  • DE 10 2010 048 645 A1 also describes the hardening of bores by means of laser radiation directed onto the inner wall of a borehole via a rotating mirror, wherein the mirror is directly water-cooled.
  • polarized laser radiation is used in order to keep the load of the deflecting mirror in the bore low, wherein the thus improved reflection properties of the mirror surface are also utilized.
  • DE 11 2013 004 368 B4 shows a method and a device for laser hardening a crankshaft, wherein a laser beam is split into two partial beams which respectively heat different surface areas of the crankshaft.
  • a laser beam is split into two partial beams which respectively heat different surface areas of the crankshaft.
  • optimal absorption can be achieved.
  • this method is less suitable for hardening a bore wall, since only flat surfaces can be processed in the process.
  • process-reliable heating of the component surface is scarcely possible due to the varying irradiation angles with the resulting different power coupling and thus hardening.
  • dividing up the laser beam and polarizing the two partial beams results in power losses.
  • the variation of the power components in the partial beams is costly for the necessary process adaptation.
  • DE 10 2012 014 920 A1 also discloses a method for laser hardening in which the heat emission on the surface of the workpiece is detected in order to adjust the intensity of the laser beam.
  • DE 41 39 841 A1 shows a method for laser hardening, in which the angle of incidence of the laser beam on the workpiece corresponds to the Brewster angle, whereby the efficiency of the heating by means of the polarized laser beam is improved.
  • a big disadvantage of the o.g. Method specifically for a boring hardening application is the need for rotation axes, i. That is, the workpiece or machining device must be rotated about the bore axis to guide the laser beam along the circumference of the wall. It is unrealistic, z. B. to rotate large components. In the case of a rotating processing device, however, it must be ensured that the supply of the cooling media is always reliably possible.
  • the object of the invention is to provide a method and an apparatus by means of which a uniform laser power input on a surface to be cured component surface, for. B. the inner wall of a recess or a bore, waiving rotating movements and disposed within the recess optical elements and avoiding starting tracks in the joint area of single webs is possible, with a sufficient for the laser hardening and in particular uniform heating by absorption should be achievable on the entire component surface area.
  • the object is achieved by the method for laser hardening with the characterizing features of claim 1 and the apparatus for laser hardening with the characterizing features of claim 6; expedient embodiments of the invention can be found in the subclaims.
  • a plurality of - preferably collimated - spatially separated single laser beams are directed to a processing position on the surface of the workpiece, directly, d. H. waiving additional elements in the existing recess, impinge on the surface, so that by absorbing the laser radiation effective heating is achieved.
  • p-polarized single laser beams are used, wherein the polarization of the single laser beams is aligned substantially parallel with respect to their respective plane of incidence on the surface of the workpiece.
  • single laser beam modules are used which already generate a substantially linearly polarized laser beam.
  • the arrangement and orientation of the laser modules ensures that the respective polarization plane of the emitted individual laser beams is aligned substantially parallel with respect to their respective plane of incidence on the surface of the workpiece.
  • 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 an increasing angle of incidence from initially 38% to a maximum value of approximately 42% at an angle of incidence of approximately 75 °.
  • the absorption decreases rapidly.
  • p-polarized laser radiation shows an absorption of about 75% at an angle of incidence of about 78 °.
  • the Brewster angle also called polarization angle
  • polarization angle indicates the angle at which to the interface of two dielectric Media incident, unpolarized light only the perpendicular to the plane of incidence polarized shares are reflected.
  • the polarized parts parallel to the plane of incidence enter into the medium.
  • the polarized perpendicular to the plane of incidence parts are only partially reflected.
  • the polarized parallel to the plane of incidence shares thus have an absorption maximum when irradiated at the Brewster angle.
  • the absorption of the single-cell laser beams, each having a polarization oriented substantially parallel with respect to its respective plane of incidence is maximized.
  • the individual laser beams are aligned on the surface of the workpiece to be hardened in such a way that the angle of incidence of each individual laser beam striking the surface essentially corresponds to the Brewster angle.
  • the individual laser beams are directed onto the surface in such a way that forms on the same an extensive, coherent total burning spot. That is, the individual burn spots are superimposed to a total burn spot.
  • a predetermined spatial temperature distribution in the total focal spot is set. This makes it possible to predetermine any distribution of the energy input on the surface of the workpiece, so that homogeneous hardening can be carried out.
  • the distribution of the energy input may be approximately uniform over the entire extent of the total focal spot, have an elevation at the edge of the total focal spot or a reduction in heat-endangered areas.
  • each laser beam single module is preferably a non-contact temperature sensor, for.
  • a heat radiation detector is associated, which detects the temperature on the surface at the location of the point of impact of the single laser beam.
  • An advantage of the method is the high overall efficiency of the energy coupling due to the use of p-polarized individual laser beams overlapping on the workpiece surface using the Brewster angle, since the s-components subject to higher reflectivity on the component surface are not generated and consequently no "false reflection "Which, for example, leads to a stronger coupling at the bottom of the blind.
  • Another advantage is the very good scalability through geometric stacking and slightly varying angles. Scalability by increasing the number of 250 to 1000W and the superimposition by slightly changing the individual angle of incidence (angle stacking) or sequential arrangement in the process direction (position stacking) can be used to increase the process speed.
  • the avoidance of starting tracks in the joint region of individual webs can be effected by geometrically parallel arrangement of individual laser beams perpendicular to the machining direction, whereby a correspondingly large total burning spot is formed.
  • the invention may further be designed such that one or more optics, for.
  • optics for example, cylindrical lenses, in the beam path of the individual laser beams or common lenses for all individual beams are provided to specify the formed on the surface of the workpiece geometric shape of the total focal spot or
  • the invention can be further advantageously designed as follows, that an optical deflection element, for. As a mirror, is provided to reflect reflected laser radiation on the surface on the same. This advantageously increases the process efficiency.
  • 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 configured to achieve an improvement in the intensity distribution on the surface of the workpiece.
  • it can be provided to absorb the laser radiation reflected on the surface by means of a suitable absorber, so that a risk of z. As operators and damage to the device is excluded.
  • the workpiece for. B. in the direction of or in the direction away from the individual laser beam modules, whereby the heating zone on a surface extending over the surface of the total focal area on the surface is "movable".
  • the workpiece can be moved in rotation around an axis, ie, the component rotates by z.
  • the longitudinal axis of the cylindrical recess to be hardened. This allows a further homogenization and increase the process stability can be achieved.
  • the workpiece is intermittently quenched during laser curing and / or after laser hardening by means of a refrigerant.
  • the device according to the invention for carrying out the method comprises a laser machining head with a plurality of individually controllable laser beam individual modules each generating a substantially linearly polarized laser beam, an optical unit, a positioning device, at least one non-contact temperature sensor, e.g. B. a heat radiation meter, for spatially resolved detection of a temperature of the surface of the workpiece, a workpiece holder with a clamping unit for receiving and fixing the workpiece and a connected to the laser beam single modules, the at least one non-contact temperature sensor and the positioning unit connected to the process control.
  • a non-contact temperature sensor e.g. B. a heat radiation meter
  • the optical unit comprises at least one protective glass to protect the individual laser beam modules from soiling, which can reach the surface in the direction of the individual laser beam modules due to the action of the individual laser beams.
  • the optical unit can be a focusing element, for.
  • a focus lens e.g., cylindrical lenses, for shaping the total focal spot formed from the individual laser beams on the surface and / or a collimator, z.
  • a lens for collimating the emerging from the laser beam single modules single laser beams.
  • the individual laser beam modules may be arranged along a circle in the laser processing head, wherein each individual module is rotated at an angle to its adjacently arranged individual modules.
  • the individual laser beam modules can also be stacked in individual groups above or next to one another, wherein the groups each have an angle, eg. B. 90 °, are rotated to each other.
  • the individual laser beam modules are preferably linearly polarized laser light-emitting, liquid-cooled direct diode laser individual modules.
  • the positioning is connected to the workpiece holder (and thus indirectly with the clamping unit), so z.
  • a distance between the laser processing head and the workpiece to be machined by a translational movement of the workpiece holder can be predetermined.
  • control unit By means of the control unit are specifications for the process control, z.
  • set values of a laser output to be output by the laser beam individual modules can be set on the basis of the surface temperature detected at the point of impact of the individual laser beams emitted by the respective laser beam individual modules and / or a position to be approached by the positioning device.
  • the laser power to be irradiated and, if appropriate, the movement of the heat affected zone over the surface, which is made possible by means of the positioning device can be achieved.
  • the position and / or translatory movement speed of the heat-affected zone that can be predefined by the positioning device can be changed as needed to optimize the process control.
  • the advantage of the device according to the invention for laser hardening is the omission of optical elements for a polarization and for a beam deflection near the component surface, which can be soiled, destroyed or damaged during component replacement. This avoids losses and saves costs.
  • each of the single laser beam modules includes a non-contact temperature sensor in the form of a pyrometer to detect the temperature at the position of the single focal spot formed on the surface of the workpiece by the single laser beam of the single laser beam module and the temperature - To transmit raturept to the control unit and to regulate the individual laser powers and / or the feed rate.
  • the device can be designed such that it comprises a quenching device for the workpiece.
  • the quenching device can have a trough in which the workpiece is arranged or into which the workpiece can be introduced. Additionally or alternatively, the quenching device may have supply lines for a cooling fluid.
  • the laser processing head includes actuators, by means of which the individual laser beam modules are movable relative to each other.
  • each of the individual laser beam modules is connected to an actuator associated with it.
  • the actuators are connected to the control unit so that a relative arrangement of the individual laser beam modules within the laser processing head can be set by the control unit.
  • the device may have a protective device for protection against laser radiation.
  • the protective device may comprise one or more absorbers, laser-opaque curtains or walls and / or reflective elements for directing non-absorbed laser radiation back onto the workpiece surface.
  • FIG. 1 shows a device for laser hardening according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a device for laser hardening according to a further embodiment
  • FIG. 3 shows a device for laser hardening according to a third embodiment.
  • FIG. 1 An apparatus for laser hardening a wall 6 of a recess in the workpiece 5 is shown schematically in FIG.
  • the optical element 3 comprises Lens lenses for beam shaping.
  • the laser beam 9 formed by a superposition of the individual laser beams 1 is guided into the recess of the workpiece 5, wherein the beam axis 8 is coaxial with the longitudinal axis of the recess.
  • the divergent laser radiation 9 impinges on the wall 6 and is absorbed there.
  • the laser beam individual modules 2 comprise the connections 4 for direct water cooling. They each emit a p-polarized, collimated single laser beam 1.
  • the individual laser beam modules 2 are stacked in groups, which are each rotated by 90 ° about the beam axis 8 to one another, so that always p-polarized radiation impinges on the respective regions of the wall of the groove.
  • each of the individual laser beam modules 2 has a pyrometer, so that a temperature detection in the respective coupling region of the single module 2 and a temperature control by means of power adjustment of the respective individual laser beam modules 2 can take place.
  • the individual laser beam modules 2 are arranged in such a way that in the center of the heating zone the individual focal spots impinge only a few individual laser beams 1, while in the edge region of the heating zone transversely to the feed direction the individual focal spots of the individual laser beams 1 overlap more strongly.
  • the power density distribution of the heating zone is thus inhomogeneous with respect to the examples shown in FIG. 1 or 2.
  • the heating zone can be guided over the component surface 6.
  • the outer pairs of the individual laser beam modules 2 are tilted slightly in relation to the other laser beam individual modules 2, their individual laser beams 1 strike the component part from the outside in the direction of movement of the total focal spot behind the second pairs. Surface 6.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserhärten zumindest eines Teilbereichs einer Ausnehmungs-Wandung (6) in einem Werkstück (5). Gemäß des Verfahrens wird eine Mehrzahl kollimierter, p-polarisierter Einzellaserstrahlen (1), deren Einzelbrennflecke zu einem Gesamtbrennfleck auf der Ausnehmungs-Wandung (6) überlagert werden, zur direkten Bestrahlung und somit Erhitzung der Wandung (6) verwendet. Zur Erhöhung der Effizienz trifft jeder Einzellaserstrahl (1) jeweils unter seinem Brewster-Winkel auf das Werkstück (5). Die kollimierten, p-polarisierten Einzellaserstrahlen (1) werden von baugleichen Laserstrahl-Einzelmodulen (2) erzeugt, die jeweils einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur der Oberfläche (6) des Werkstückes (5) am Auftreffpunkt ihres jeweiligen Einzellaserstrahls (1) aufweisen.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM LASERHÄRTEN VON WERKSTÜCKEN MITTELS EINER MEHRZAHL VON
RÄUMLICH GETRENNTEN EINZELLASERSTRAHLEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur effizienten und prozesssicheren partiellen Härtung einer z. B. Innenwandung eines Bohrloches oder einer Nut in einem 5 Werkstück, dessen Material durch Wärmebehandlung härtbar ist, mittels Laserstrah- lung.
Es ist bekannt, dass zum Härten die Werkstücke entweder ganz oder teilweise, z. B. die Wandungen von Bohrungen, einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dazu kann0 neben z. B. dem Ofenhärten und induktivem Härten das Laserhärten angewendet wer- den. Das Laserhärten besitzt dabei den Vorteil höherer Ortauflösung bzgl. der Wärme- einbringung. Soll der Verzug oder die Prozesszeit verringert werden, werden Werkstü- cke funktionsangepasst nur lokal gehärtet. Dazu werden die zu härtenden Oberflächen der Laserstrahlung ausgesetzt, sodass diese über eine Umwandlungstemperatur erhitzt5 werden. Da der Laserstrahl das Werkstück nur lokal erhitzt, wirkt der Rest des Werk- stücks als Kühlkörper, sodass eine schnelle Kühlung durch Wärmeabfluss in das Werk- stück - auch als Selbstabschreckung bekannt - erfolgt.
Innerhalb von Bohrungen ist es möglich, mittels Umlenkspiegeln die Wandung zu be-0 strahlen. Die DE 295 06 005 U1 zeigt das Bearbeiten von Bohrungen mittels eines in der Bohrung angeordneten, rotierenden Spiegels.
Auch die DE 10 2010 048 645 A1 beschreibt das Härten von Bohrungen mittels über einen rotierenden Spiegel auf die Innenwandung eines Bohrloches gelenkter Laser-5 Strahlung, wobei der Spiegel direkt wassergekühlt ist.
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 welche der Laserstrahl auftrifft, kommt, sodass die auf die Spiegel ein-0 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 zu entnehmen.
Bei diesem Verfahren wird polarisierte Laserstrahlung verwendet, um die Belastung des Umlenkspiegels in der Bohrung gering zu halten, wobei auch die hierdurch verbesser- ten Reflexionseigenschaften der Spiegeloberfläche ausgenutzt werden.
Ein prinzipieller Nachteil an diesen Lösungen zur Bearbeitung bzw. Härtung von Bohr- löchern 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.
Weiter hat sich gezeigt, dass sich insbesondere kleine Bohrungen oder Sacklochboh- rungen kaum durch in die Bohrung eingebrachte umlenkende Elemente härten lassen, da diese geometrisch nicht mehr in die Bohrung hineinpassen oder nicht ausreichend robust gegenüber der Einflüsse aus Laserstrahlung und Prozessbedingungen sind.
DE 11 2013 004 368 B4 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserhärten ei- ner Kurbelwelle, wobei ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die jeweils unterschiedliche Oberflächenbereiche der Kurbelwelle erhitzen. Durch Verwendung un- terschiedlicher Polarisation in beiden Teilstrahlen ist hierbei eine optimale Absorption erzielbar. Zum Härten einer Bohrungswandung ist dieses Verfahren jedoch weniger ge- eignet, da verfahrensimmanent nur plane Oberflächen bearbeitbar sind. Bei komplexer Topologie der Bauteiloberfläche ist eine prozesssichere Erwärmung der Bauteiloberflä- che auf Grund der variierenden Einstrahlwinkel mit der resultierenden unterschiedlichen Leistungseinkopplung und damit ein Härten kaum möglich. Außerdem bringt das Auftei- len des Laserstrahls und Polarisieren der beiden Teilstrahlen Leistungsverluste. Zusätz- lich ist die Variation der Leistungsanteile in den Teilstrahlen für die nötige Prozessadap- tion aufwendig.
Aus EP 2 925 481 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbear- beitung bekannt, bei denen mehrere Laserstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wel- lenlängen auf eine Werkstückoberfläche gerichtet werden, wobei mittels Strahlabbil- dungsmitteln die Laserstrahlen in einer vorbestimmten Anordnung abgebildet werden.
Durch die DE 10 2012 014 920 A1 ist außerdem ein Verfahren zum Laserhärten be- kannt, bei dem die Wärmeemission auf der Oberfläche des Werkstücks erfasst wird, um die Intensität des Laserstrahls einzustellen.
DE 41 39 841 A1 zeigt ein Verfahren zum Laserhärten, bei dem der Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Werkstück dem Brewster-Winkel entspricht, wodurch der Wir- kungsgrad des Erwärmens mittels des polarisierten Laserstrahls verbessert ist.
Ein großer Nachteil der o.g. Verfahren speziell für eine Anwendung zum Härten von Bohrungen ist die Notwendigkeit von Rotationsachsen, d. h., das Werkstück oder die Bearbeitungsvorrichtung muss um die Bohrungsachse rotiert werden, um den Laser- strahl entlang des Umfangs der Wandung zu führen. Hierbei ist es unrealistisch, z. B. große Bauteile rotieren zu lassen. Bei einer rotierenden Bearbeitungsvorrichtung hinge- gen muss sichergestellt sein, dass die Zufuhr der Kühlmedien stets zuverlässig möglich ist.
Bei bahnenweise Erwärmung von Oberflächen kommt es zudem im Stoßbereich der Einzelbahnen zum Anlassen der vorher gehärteten Bahn. Homogene Härteverläufe von größeren Flächen, insbesondere bei komplexer Topologie sind schwer zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer eine gleichmäßige Laserleistungseinkopplung auf einem zu härtenden Bauteil- oberflächenbereich, z. B. der Innenwandung einer Ausnehmung oder einer Bohrung, unter Verzicht auf rotierende Bewegungen und innerhalb der Ausnehmung angeordnete optische Elemente sowie eine Vermeidung von Anlassspuren im Stoßbereich von Ein- zelbahnen ermöglicht ist, wobei eine für das Laserhärten ausreichende und insbeson- dere gleichmäßige Erwärmung durch Absorption am gesamten Bauteiloberflächenbe- reich erzielbar sein soll. Die Aufgabe wird durch das Verfahren zum Laserhärten mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie die Vorrichtung zum Laserhärten mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 6 gelöst; zweckmäßige Ausgestal- tungen der Erfindung finden sich jeweils in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Mehrzahl von - vorzugsweise kollimierten - räumlich getrennten Einzellaserstrahlen auf eine Bearbeitungsposition auf der Oberfläche des Werkstücks gerichtet, die direkt, d. h. unter Verzicht auf zusätzliche Elemente in der vorhandenen Ausnehmung, auf die Oberfläche auftreffen, sodass durch Absorption der Laserstrahlung eine wirksame Erwärmung erzielt wird. Zur Erhöhung des Wirkungsgra- des werden p-polarisierte Einzellaserstrahlen verwendet, wobei die Polarisation der Einzellaserstrahlen im Wesentlichen parallel in Bezug zu ihrer jeweiligen Einfallsebene auf die Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist.
Um Leistungsverluste durch das Polarisieren und Ausrichten der Polarisationsebene zu vermeiden, werden Laserstrahl-Einzelmodule eingesetzt, die bereits einen im Wesentli- chen linear polarisierten Laserstrahl generieren. Zusätzlich wird durch die Anordnung und Ausrichtung der Lasermodule sichergestellt, dass die jeweilige Polarisationsebene der emittierten Einzellaserstrahlen im Wesentlichen parallel in Bezug zu ihrer jeweiligen Einfallsebene auf die Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist.
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 einfal- lenden Lichtstrahles gemessen zur Flächennormale, zeigt. Beispielsweise steigt für Ei- sen bei einer Lichtwellenlänge von 1030 nm die Absorption für unpolarisierte Laser- strahlung mit zunehmendem Einfallswinkel von anfänglich 38% auf einen Maximalwert von ca. 42% bei einem Einfallswinkel von etwa 75°. Für größer werdende Einfallswinkel oberhalb 85° nimmt die Absorption rapide ab. Hingegen zeigt p-polarisierte Laserstrah- lung eine Absorption von etwa 75% bei einem Einfallswinkel von etwa 78°.
Allgemein ist in der Optik der Brewster-Winkel (auch Polarisationswinkel genannt) be- kannt. Er gibt den Winkel an, bei dem von auf die Grenzfläche zweier dielektrischer Medien einfallendem, unpolarisiertem Licht nur die senkrecht zur Einfallsebene polari- sierten Anteile reflektiert werden. Die parallel zur Einfallsebene polarisierten Anteile tre- ten in des Medium ein. Für Metalle werden die senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteile nur teilweise reflektiert. Die parallel zur Einfallsebene polarisierten Anteile haben somit beim Einstrahlen unter dem Brewsterwinkel ein Absorptionsmaximum.
Erfindungsgemäß wird unter Ausnutzung des Brewster-Winkels die Absorption der Ein- zellaserstrahlen, die jeweils eine im Wesentlichen parallel in Bezug zu ihrer jeweiligen Einfallsebene ausgerichteten Polarisation aufweisen, maximiert. D. h., die Einzellaser- strahlen werden derart auf die Oberfläche des zu härtenden Werkstückes ausgerichtet, dass der Einfallswinkel jedes auf die Oberfläche auftreffenden Einzellaserstrahls im Wesentlichen dem Brewster-Winkel entspricht.
Zur Bearbeitung, d. h. Härtung, eines ausgedehnten Bereichs auf der Oberfläche wer- den die Einzellaserstrahlen derart auf die Oberfläche gerichtet, dass sich auf derselben ein ausgedehnter, zusammenhängender Gesamtbrennfleck ausbildet. D. h., die Einzel- brennflecken werden zu einem Gesamtbrennfleck überlagert. Hierbei ist vorgesehen, dass mittels separater Regelung der Leistung jedes Einzellaserstrahls eine vorgegebe- ne räumliche Temperaturverteilung im Gesamtbrennfleck eingestellt wird. Dies erlaubt, auf der Oberfläche des Werkstücks eine beliebige Verteilung des Energieeintrags vor- zugeben, sodass eine homogene Härtung durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Verteilung des Energieeintrags annähernd gleichmäßig über die gesamte Ausdehnung des Gesamtbrennflecks sein, eine Überhöhung am Rand des Gesamt- brennflecks oder eine Reduzierung an wärmestaugefährdeten Bereichen aufweisen.
Zur exakten Regelung der Temperaturverteilung im Gesamtbrennfleck während des La- serhärtens wird die auf der Oberfläche des Werkstücks im Bereich des Gesamtbrenn- flecks herrschende Temperatur (kontinuierlich oder zu periodisch wiederkehrenden Zeitpunkten) ortsaufgelöst gemessen. Vorzugsweise ist hierzu jedem Laserstrahl- Einzelmodul ein berührungslos arbeitender Temperatursensor, z. B. ein Wärmestrah- lungsdetektor, zugeordnet, der die Temperatur auf der Oberfläche am Ort des Auftreff- punktes des Einzellaserstrahls erfasst. Ein Vorteil des Verfahrens ist der hohe Gesamtwirkungsgrad der Energieeinkopplung aufgrund der Verwendung von auf der Werkstückoberfläche überlappenden, p- polarisierten Einzellaserstrahlen unter Nutzung des Brewsterwinkels, da die an der Bau- teiloberfläche höherer Reflektivität unterliegenden s-Anteile nicht erzeugt werden und demzufolge auch keine„Fehlreflexion“ erfolgen kann, die z.B. am Sacklochgrund zu ei- ner stärkeren Einkopplung führt.
Indem die Laserstrahlung direkt auf das Werkstück, dessen Oberfläche zu härten ist, eingestrahlt wird, kann auf optische Elemente, z. B. innerhalb einer Ausnehmung, ver- zichtet werden. Somit werden die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme von z. B. verschmutzten, zerstörten oder aufwendig zu schützenden bzw. zu kühlenden Spiegeln bei dem erfindungsgemäßen Verfahren grundsätzlich vermieden. Dennoch sind durch die Überlagerung der Einzellaserstrahlen beliebige geometrische Formen für den Gesamtbrennfleck realisierbar.
Auch das Härten von schwer zugänglichen Oberflächenbereichen, z. B. kleineren Sack- löchern, ist möglich, da keine Vorrichtungsteile durch die Ausnehmungsöffnung einge- führt werden müssen.
Durch die Verwendung der p-polarisierten Einzellaserstrahlen ist eine simultane Bear- beitung des gesamten zu härtenden Teilbereichs der Werkstückoberfläche, insbesonde- re der Innenwandung einer Ausnehmung, möglich, sodass keine durch Rotation zu er- zeugende Relativbewegung des Laserflecks entlang der Ausnehmungswandung und damit keine Rotationsachse bzw. Rotationseinrichtung erforderlich ist. In Verbindung mit verfügbaren Lasern hoher Leistung mit p-Polarisation wird dadurch auch der Durchsatz der Bearbeitungseinrichtung erhöht. Ebenso entfällt die Gefahr des Anlassens der be- reits gehärteten Spur am Rand einer Spiralbahn bei für ein quasisimultanes Erwärmen nicht ausreichender Vorschubgeschwindigkeit des Laserbrennflecks.
Ein weiterer Vorteil ist die sehr gute Skalierbarkeit durch geometrisches Stapeln und geringfügig variierenden Winkeln. Die Skalierbarkeit durch Erhöhung der Anzahl ver- wendeter Einzelmodule von ca. 250 bis 1000W und die Überlagerung durch geringfügi- ge Veränderung der Einzeleinstrahlwinkel (Winkelstapelung) oder Hintereinanderanord- nung in Prozessrichtung (Positionsstapelung) kann zur Erhöhung der Prozessge- schwindigkeit genutzt werden. Die Vermeidung von Anlassspuren im Stoßbereich von Einzelbahnen kann durch geometrische Parallelanordnung von Einzellaserstrahlen senkrecht zur Bearbeitungsrichtung, wodurch ein entsprechend großer Gesamtbrenn- fleck gebildet wird, erfolgen.
Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass eine oder mehrere Optikeinhei- ten, z. B. Zylinderlinsen, im Strahlengang der Einzellaserstrahlen oder gemeinsame Linsen für alle Einzelstrahlen vorgesehen werden, um die auf der Oberfläche des Werk- stücks ausgebildete geometrische Form des Gesamtbrennflecks vorzugeben bzw.
durch entsprechende Einstellung der Optikeinheiten zu variieren.
Die Erfindung kann weiter vorteilhaft wie folgt ausgebildet sein, dass ein optisches Um- lenkelement, z. B. ein Spiegel, vorgesehen wird, um an der Oberfläche reflektierte La- serstrahlung auf dieselbe zurückzuwerfen. Dadurch wird vorteilhaft die Prozesseffizienz erhöht. Das Umlenkelement kann ein Planspiegel, ein sphärischer oder asphärischer Spiegel, z. B. rotationssymmetrische Trichter- oder Kegelspiegel, sein. Das Umlen- kelement kann, z. B. durch die Spiegelkontur, derart gestaltet und eingerichtet sein, um eine Verbesserung der Intensitätsverteilung auf der Oberfläche des Werkstücks zu er- reichen.
Alternativ kann vorgesehen sein, die an der Oberfläche reflektierte Laserstrahlung mit- tels eines geeigneten Absorbers zu absorbieren, sodass eine Gefährdung von z. B. Be- dienern und eine Beschädigung der Vorrichtung ausgeschlossen ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, das Werkstück, z. B. in Richtung zu oder in Richtung weg von den Laserstrahl-Einzelmodulen, translatorisch zu bewegen, wodurch die Er- wärmungszone über einen gegenüber der Fläche des Gesamtbrennflecks ausgedehn- teren Bereich auf der Oberfläche„verfahrbar“ ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Werkstück rotatorisch um eine Achse bewegt wer- den, d. h., das Bauteil rotiert um z. B. die Längsachse der zu härtenden, zylinderförmi- gen Ausnehmung. Hierdurch kann eine weitere Homogenisierung und Erhöhung der Prozessstabilität erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Werkstück intermittierend während des Laser- härtens und/oder nach dem Laserhärten mittels eines Kältemittels abgeschreckt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen La- serbearbeitungskopf mit einer Mehrzahl von jeweils einen im Wesentlichen linear pola- risierten Laserstrahl generierenden, einzeln regelbaren Laserstrahl-Einzelmodulen, eine Optikeinheit, eine Positioniereinrichtung, wenigstens einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor, z. B. ein Wärmestrahlungsmessgerät, zur ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur der Oberfläche des Werkstückes, eine Werkstückaufnahme mit einer Spanneinheit zur Aufnahme und Fixierung des Werkstückes sowie eine mit den Laser- strahl-Einzelmodulen, dem wenigstens einen berührungslos arbeitenden Temperatur- sensor und der Positioniereinrichtung verbundene Steuereinheit zur Prozesssteuerung.
Die Optikeinheit umfasst zumindest ein Schutzglas zum Schutz der Laserstrahl- Einzelmodule vor Verschmutzungen, die durch die Einwirkung der Einzellaserstrahlen auf die Oberfläche in Richtung der Laserstrahl-Einzelmodule gelangen können. Weiter- hin kann die Optikeinheit ein Fokussierelement, z. B. eine Fokuslinse, ein Strahlfor- mungs- und Ablenkungselement, z. B. Zylinderlinsen, zur Formgebung des aus den Einzellaserstrahlen auf der Oberfläche gebildeten Gesamtbrennflecks und/oder einen Kollimator, z. B. eine Linse, zum Kollimieren der aus den Laserstrahl-Einzelmodulen austretenden Einzellaserstrahlen aufweisen.
Die Laserstrahl-Einzelmodule können entlang eines Kreises im Laserbearbeitungskopf angeordnet sein, wobei jedes Einzelmodul um einen Winkel zu seinen benachbart an- geordneten Einzelmodulen gedreht ist. Die Laserstrahl-Einzelmodule können auch in einzelnen Gruppen über- bzw. nebeneinander gestapelt sein, wobei die Gruppen je- weils um einen Winkel, z. B. 90°, zueinander gedreht sind. Vorzugweise sind die Laserstrahl-Einzelmodule linear polarisiertes Laserlicht emittie- rende, flüssigkeitskühlbare Direktdiodenlasereinzelmodule.
Die Positioniereinrichtung ist mit der Werkstückaufnahme (und somit indirekt mit der Spanneinheit) verbunden, sodass z. B. ein Abstand zwischen dem Laserbearbeitungs- kopf und dem zu bearbeitenden Werkstück durch eine translatorische Bewegung der Werkstückaufnahme vorgebbar ist.
Mittels der Steuereinheit sind Vorgaben für die Prozessregelung, z. B. Sollwerte einer von der Laserstrahl-Einzelmodulen auszugebenden Laserleistung basierend auf der im Auftreffpunkt der von den jeweiligen Laserstrahl-Einzelmodulen emittierten Einzellaser- strahlen erfassten Oberflächentemperatur und/oder eine von der Positioniereinrichtung anzufahrende Position, einstellbar. Hierdurch kann die einzustrahlende Laserleistung und gegebenenfalls die mittels der Positioniereinrichtung ermöglichte Bewegung der Wärmeeinflusszone über die Oberfläche, d. h. die von der Positioniereinrichtung vor- gebbare Position und/oder translatorische Bewegungsgeschwindigkeit der Wärmeein- flusszone, bei Bedarf zur Optimierung der Prozessführung verändert werden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserhärten ist der Verzicht auf optische Elemente für eine Polarisation und für eine Strahl-Umlenkung nahe der Bau- teiloberfläche, die verschmutzen, zerstört oder beim Bauteilwechsel beschädigt werden können. Hierdurch werden Verluste vermieden und Kosten eingespart.
Zusätzlich ergibt sich eine Redundanz. Auch die Wartung ist vereinfacht, indem nur Einzelmodule statt einer gesamten Quelle getauscht werden müssen.
Gemäß einer Ausgestaltung beinhaltet jedes der Laserstrahl-Einzelmodule einen berüh- rungslos arbeitenden Temperatursensor in Form eines Pyrometers, um die Temperatur an der Position des Einzelbrennflecks, der auf der Oberfläche des Werkstücks von dem Einzellaserstrahl des Laserstrahl-Einzelmoduls gebildet ist, zu erfassen und die Tempe- raturwerte an die Steuereinheit zu übermitteln sowie die Einzellaserleistungen und/oder die Vorschubgeschwindigkeit zu regeln.
Weiter kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie eine Abschreckeinrich- tung für das Werkstück umfasst. Die Abschreckeinrichtung kann eine Wanne aufwei- sen, in welcher das Werkstück angeordnet ist oder in welche das Werkstück einbringbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Abschreckeinrichtung Zuführleitungen für ein Käl- tefluid aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der Laserbearbeitungskopf Aktoren, mittels derer die Laserstrahl-Einzelmodule relativ zueinander bewegbar sind. Beispielsweise ist jedes der Laserstrahl-Einzelmodule mit einem ihm zugeordneten Aktor verbunden. Die Aktoren sind mit der Steuereinheit verbunden, sodass von der Steuereinheit eine relati- ve Anordnung der Laserstrahl-Einzelmodule zueinander innerhalb des Laserbearbei- tungskopfs einstellbar ist.
Weiter kann die Vorrichtung eine Schutzeinrichtung zum Schutz vor Laserstrahlung aufweisen. Die Schutzeinrichtung kann einen oder mehrere Absorber, laserstrahlungs- undurchlässige Vorhänge oder Wände und/oder reflektierende Elemente zur Lenkung von nicht-absorbierter Laserstrahlung zurück auf die Werkstückoberfläche umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wo- bei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
Fig. 1 : eine Vorrichtung zum Laserhärten gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2: eine Vorrichtung zum Laserhärten gemäß einer weiteren Ausführungsform und Fig. 3: eine Vorrichtung zum Laserhärten gemäß einer dritten Ausführungsform.
Eine Vorrichtung zum Laserhärten einer Wandung 6 einer Ausnehmung in dem Werk- stück 5 zeigt Fig. 1 schematisch. Die entlang eines Kreises angeordneten, baugleichen Laserstrahl-Einzelmodule 2, in diesem Beispiel P2-Direktdiodenlasereinzelmodule, emittieren jeweils den kollimierten Einzellaserstrahl 1. Das Optikelement 3 umfasst Zy- linderlinsen zur Strahlformung. Der durch eine Überlagerung der Einzellaserstrahlen 1 gebildete Laserstrahl 9 wird in die Ausnehmung des Werkstücks 5 geleitet, wobei die Strahlachse 8 koaxial zur Längsachse der Ausnehmung ist. Die divergente Laserstrah- lung 9 trifft auf die Wandung 6 und wird dort absorbiert.
Die Laserstrahl-Einzelmodule 2 umfassen die Anschlüsse 4 für eine direkte Wasserküh- lung. Sie emittieren jeweils einen p-polarisierten, kollimierten Einzellaserstrahl 1.
In Fig. 2 sind die Laserstrahl-Einzelmodule 2 zu Gruppen gestapelt, die jeweils um 90° um die Strahlachse 8 zueinander gedreht sind, sodass immer p-polarisierte Strahlung auf die jeweiligen Bereiche der Wandung der Nut auftrifft. Im Beispiel besitzt jedes der Laserstrahl-Einzelmodule 2 ein Pyrometer, sodass eine Temperaturerfassung in dem jeweiligen Einkopplungsbereich des Einzelmoduls 2 und eine Temperaturregelung mit- tels Leistungsanpassung der jeweiligen Laserstrahl-Einzelmodule 2 erfolgen kann.
Zur Randüberhöhung des Energieeintrags für eine Homogenisierung der Temperatur an der Erwärmungszone, d. h., um bei gleicher Laserleistung der zehn baugleichen Laser- strahl-Einzelmodule 2 am Rand der Einwirkzone eine gegenüber dem Zentrum der Er- wärmungszone höheren Energieeintrag zu erhalten - und damit der Verbesserung der Wechselwirkung - wird die Anordnung der Laserstrahl-Einzelmodule 2 gemäß Fig.3 verwendet. Die Laserstrahl-Einzelmodule 2 sind hierbei derart angeordnet, dass im Zentrum der Erwärmungszone die Einzelbrennflecken nur weniger Einzellaserstrahlen 1 auftreffen, während im Randbereich der Erwärmungszone quer zur Vorschubrichtung die Einzelbrennflecken der Einzellaserstrahlen 1 stärker überlappen. Die Leistungs- dichteverteilung der Erwärmungszone ist somit gegenüber den in Fig. 1 oder 2 gezeig- ten Beispielen inhomogen ausgeprägt.
Durch Verschieben des Werkstückes 5 entlang der Vorschubrichtung kann die Erwär- mungszone über die Bauteiloberfläche 6 geführt werden. Indem in diesem Beispiel die äußeren Paare der Laserstrahl-Einzelmodule 2 leicht gegenüber den anderen Laser- strahl-Einzelmodulen 2 verkippt sind, treffen deren Einzellaserstrahlen 1 in Bewegungs- richtung des Gesamtbrennflecks hinter den zweiten Paaren von außen auf die Bauteil- Oberfläche 6. Durch diese im Nachlauf auftreffenden Laserspots wird die Einwirkzeit verdoppelt, die erhöhte Wärmeabfuhr am Rand kompensiert und die Einhärtetiefe ho- mogenisiert.
Liste der Bezugszeichen
1 Einzellaserstrahl, kollimiert
2 Laserstrahl-Einzelmodul
3 Optikeinheit
4 Kühlung
5 Werkstück
6 Teilbereich der Oberfläche / Wandung der Ausnehmung 7 Ausnehmung / Nut
8 Strahlachse
9 kumulativer Laserstrahl

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserhärten von Werkstücken, wobei zumindest ein Teilbereich der Oberfläche (6) des Werkstücks (5) mittels Laserstrahlung gehärtet wird, wobei eine Mehrzahl von räumlich getrennten Einzellaserstrahlen (1 ) auf eine Bearbeitungsposition auf der Oberfläche (6) des Werkstücks (5) gerichtet werden, wobei die von den Einzel- laserstrahlen (1 ) auf der Oberfläche (6) gebildeten Einzelbrennflecke zu einem zusam- menhängenden Gesamtbrennfleck zusammengeführt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Einzellaserstrahlen (1 ) jeweils mittels eines linear polarisiertes Laserlicht emittierenden, flüssigkeitskühlbaren Direktdiodenlasereinzelmoduls erzeugt wer- den;
- die Temperatur im Bereich des Gesamtbrennflecks auf der Oberfläche (6) des Werkstückes (5) ortsaufgelöst erfasst wird, wobei mittels separater Regelung der Leistung jedes Einzellaserstrahls (1 ) eine vorgegebene räumliche Temperatur- Verteilung im Gesamtbrennfleck eingestellt wird; und
- die kollimierten Einzellaserstrahlen (1 ) eine im Wesentlichen parallel ausgerichte- te Polarisation in Bezug zu ihrer jeweiligen Einfallsebene auf die Oberfläche (6) des Werkstücks (5) aufweisen, wobei der Einfallswinkel jedes auf die Oberfläche (6) auftreffenden Einzellaserstrahls (1 ) im Wesentlichen dem Brewster-Winkel entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Oberflä- che (6) des Werkstücks (5) ausgebildete geometrische Form des Gesamtbrennflecks mittels einer von den Einzellaserstrahlen (1 ) durchlaufenen Optikeinheit (3) geformt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der Oberfläche (6) reflektierte Laserstrahlung mittels mindestens eines Umlenkelements auf das Werkstück (5) zurückgelenkt oder mittels eines Absorbers absorbiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (5) während des Laserhärtens translatorisch entlang einer Richtungsachse und/oder rotatorisch um die Richtungsachse bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (5) intermittierend während des Laserhärtens und/oder nach dem Laserhär- ten mittels eines Kältemittels abgeschreckt wird.
6. Vorrichtung zum Laserhärten von Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:
- einen Laserbearbeitungskopf mit einer Mehrzahl von jeweils einen im Wesentlichen linear polarisierten Laserstrahl (1 ) generierenden, einzeln regelbaren Laserstrahl- Einzelmodulen (2),
- wenigstens einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor zur ortsaufgelösten Erfassung einer Temperatur der Oberfläche (6) des Werkstückes (5),
- eine Optikeinheit (3), die zumindest ein Schutzglas umfasst,
- eine Verschiebe- und Positioniereinrichtung,
- eine Werkstückaufnahme mit einer Spanneinheit für die Werkstücke (5), sowie
- eine mit den Laserstrahl-Einzelmodulen (2) und der Verschiebe- und Positionierein- richtung verbundene Steuer- und Regeleinheit.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahl- Einzelmodule (2) linear polarisiertes Laserlicht emittierende, flüssigkeitskühlbare Direkt- diodenlasereinzelmodule sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Laserstrahl-Einzelmodule (2) einen berührungslos arbeitenden Temperatursensor in Form eines Pyrometers zur Erfassung der Temperatur an der Position des Einzelbrenn- flecks, der auf der Oberfläche (6) des Werkstücks (5) von dem Einzellaserstrahl (1 ) des Laserstrahl-Einzelmoduls (2) gebildet ist, umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (3) eine optische Einrichtung zur Variation der geometrischen Form des von allen Einzellaserstrahlen (1 ) auf der Oberfläche (6) des Werkstücks (5) gebildeten Gesamtbrennflecks aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abschreckeinrichtung für das Werkstück (5) umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahl-Einzelmodule (2) innerhalb des Laserbearbeitungskopfs mittels einzel- ner Aktoren, die mit der Steuereinheit verbunden sind, relativ zueinander bewegbar an- geordnet sind.
PCT/DE2018/100891 2017-11-14 2018-11-02 Verfahren und vorrichtung zum laserhärten von werkstücken mittels einer mehrzahl von räumlich getrennten einzellaserstrahlen WO2019096345A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017126740.9 2017-11-14
DE102017126740 2017-11-14
DE102018100549.0 2018-01-11
DE102018100549.0A DE102018100549B3 (de) 2017-11-14 2018-01-11 Verfahren und Vorrichtung zum Laserhärten von Werkstücken

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019096345A1 true WO2019096345A1 (de) 2019-05-23

Family

ID=64109183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2018/100891 WO2019096345A1 (de) 2017-11-14 2018-11-02 Verfahren und vorrichtung zum laserhärten von werkstücken mittels einer mehrzahl von räumlich getrennten einzellaserstrahlen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018100549B3 (de)
WO (1) WO2019096345A1 (de)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4139841A1 (de) 1990-12-12 1992-06-17 Nissan Motor Verfahren zur laser-umwandlungshaertung
DE29506005U1 (de) 1995-04-07 1996-08-08 Gehring Gmbh & Co Maschf Einrichtung zur Bearbeitung von Bohrungen in Werkstücken mittels Laserstrahl
JP2000317667A (ja) * 1999-05-17 2000-11-21 Amada Eng Center Co Ltd レーザ溶接用複合ヘッド
EP1640105A1 (de) * 2004-09-28 2006-03-29 Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG Verfahren zum Laserschweissen
US20080053384A1 (en) * 2006-08-23 2008-03-06 Nuvonyx, Inc. Piston having diode laser hardened primary compression ring groove and method of making the same
DE102009037979A1 (de) * 2009-08-18 2011-02-24 Georg Meyndt Vorrichtung zum Koppeln von Diodenlasern
DE102010048645A1 (de) 2010-10-15 2012-04-19 Daimler Ag Vorrichtung und Verfahren zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche
DE102012014920A1 (de) 2011-08-10 2013-02-14 Ultratech, Inc. Systeme und Verfahren zum Bilden eines zeitlich gemittelten Linienbildes
DE102014017632A1 (de) 2014-11-28 2016-06-02 Daimler Ag Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung eines Bauteils
EP2925481B1 (de) 2012-11-30 2016-09-21 DirectPhotonics Industries GmbH Vorrichtung sowie verfahren zur lasermaterialbearbeitung
US20170022584A1 (en) * 2014-03-11 2017-01-26 Etxe-Tar, S.A. Method and system for laser hardening of a surface of a workplace
WO2017129795A1 (de) * 2016-01-29 2017-08-03 Kjellberg-Stiftung Vorrichtung und verfahren zur thermischen bearbeitung
DE112013004368B4 (de) 2012-09-06 2017-08-03 Etxe-Tar, S.A. Verfahren und System zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4139841A1 (de) 1990-12-12 1992-06-17 Nissan Motor Verfahren zur laser-umwandlungshaertung
DE29506005U1 (de) 1995-04-07 1996-08-08 Gehring Gmbh & Co Maschf Einrichtung zur Bearbeitung von Bohrungen in Werkstücken mittels Laserstrahl
JP2000317667A (ja) * 1999-05-17 2000-11-21 Amada Eng Center Co Ltd レーザ溶接用複合ヘッド
EP1640105A1 (de) * 2004-09-28 2006-03-29 Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG Verfahren zum Laserschweissen
US20080053384A1 (en) * 2006-08-23 2008-03-06 Nuvonyx, Inc. Piston having diode laser hardened primary compression ring groove and method of making the same
DE102009037979A1 (de) * 2009-08-18 2011-02-24 Georg Meyndt Vorrichtung zum Koppeln von Diodenlasern
DE102010048645A1 (de) 2010-10-15 2012-04-19 Daimler Ag Vorrichtung und Verfahren zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche
DE102012014920A1 (de) 2011-08-10 2013-02-14 Ultratech, Inc. Systeme und Verfahren zum Bilden eines zeitlich gemittelten Linienbildes
DE112013004368B4 (de) 2012-09-06 2017-08-03 Etxe-Tar, S.A. Verfahren und System zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks
EP2925481B1 (de) 2012-11-30 2016-09-21 DirectPhotonics Industries GmbH Vorrichtung sowie verfahren zur lasermaterialbearbeitung
US20170022584A1 (en) * 2014-03-11 2017-01-26 Etxe-Tar, S.A. Method and system for laser hardening of a surface of a workplace
DE102014017632A1 (de) 2014-11-28 2016-06-02 Daimler Ag Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung eines Bauteils
WO2017129795A1 (de) * 2016-01-29 2017-08-03 Kjellberg-Stiftung Vorrichtung und verfahren zur thermischen bearbeitung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. BAUMANN ET AL: "Local heat treatment of high strength steels with zoom-optics and 10kW-diode laser", HIGH POWER LASER MATERIALS PROCESSING: LASERS, BEAM DELIVERY, DIAGNOSTICS, AND APPLICATIONS, SPIE, 1000 20TH ST. BELLINGHAM WA 98225-6705 USA, vol. 8239, no. 1, 9 February 2012 (2012-02-09), pages 1 - 9, XP060001584, DOI: 10.1117/12.908384 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018100549B3 (de) 2018-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2691206B1 (de) Verfahren zur laserstrahlbearbeitung eines werkstücks
EP3099445B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum punktschweissen von werkstücken insbesondere aus kupfer, kupferlegierungen, gold oder schmuckwerkstoffen mittels laserpulsen mit grüner wellenlänge
DE112006000858T5 (de) Laserschweisssystem
EP2429755B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur umfangsbearbeitung eines materialstranges mittels laser
EP3256285A1 (de) Bestrahlungseinrichtung, bearbeitungsmaschine und verfahren zum herstellen einer schicht bzw. eines teilbereichs einer schicht eines dreidimensionalen bauteils
EP2591910B1 (de) Vorrichtung zum Verbinden zweier Werkstückteile über eine Schweißnaht mittels Durchstrahlschweißen
EP0831980A1 (de) Materialbestrahlungsgerät und verfahren zum betrieb von materialbestrahlungsgeräten
DE112006000949T5 (de) Laserschweisssystem
EP3706938A1 (de) Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen herstellen von dreidimensionalen bauteilen und verfahren zum erwärmen eines pulvers
EP3045021B1 (de) Strahlführungseinrichtung und euv-strahlungserzeugungsvorrichtung mit einer überlagerungseinrichtung
DE102012003202A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere von Schneiden oder mit Schneiden versehenen Werkstücken, mit einem Nasslaser
EP2448689B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum biegen eines werkstücks
EP2667998A1 (de) Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere laserschneidmaschine, sowie verfahren zum zentrieren eines insbesondere fokussierten laserstrahles
WO2013117754A1 (de) Vorrichtung zur laserbearbeitung einer oberfläche eines werkstücks oder zur nachbehandlung einer beschichtung auf der aussenseite oder der innenseite eines werkstücks
EP0421135A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position und des Durchmessers des Brennflecks (Fokus) eines Laserstrahls, insbesondere zur Verwendung für die Werkstoffbearbeitung mit einem Hochleistungs-Laserstrahl
DE10225387B4 (de) Vorrichtung zur Substratbehandlung mittels Laserstrahlung
DE102008027229B4 (de) Vorrichtung zur Strahlformung
DE102018100549B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Laserhärten von Werkstücken
EP3768460A1 (de) Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks mittels bestrahlung mit laserstrahlung sowie vorrichtung hierzu
DE112017006002T5 (de) Laserstrahlbearbeitungsverfahren und Laserstrahlmaschine
EP2801471B1 (de) Vorrichtung zum Durchstrahlschweißen innenliegender Umfangsflächen eines Werkstücks mittels Laserstrahlung
DE102021111879A1 (de) Laserschweißen von Fügepartnern mit einer gekrümmten Oberfläche
WO2020221499A1 (de) Anordnung zur modifizierung von oberflächen metallischer bauteile
DE102019128251A1 (de) Verfahren zum Fügen von zwei Fügepartnern mittels ultrakurzer Laserpulse
DE102017114697B4 (de) Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung und Bearbeitungseinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18812038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18812038

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1