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WO2013010876A1 - Verfahren und vorrichtung zum glätten und polieren von werkstückoberflächen durch bearbeitung mit zwei energetischen strahlungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum glätten und polieren von werkstückoberflächen durch bearbeitung mit zwei energetischen strahlungen Download PDF

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Publication number
WO2013010876A1
WO2013010876A1 PCT/EP2012/063588 EP2012063588W WO2013010876A1 WO 2013010876 A1 WO2013010876 A1 WO 2013010876A1 EP 2012063588 W EP2012063588 W EP 2012063588W WO 2013010876 A1 WO2013010876 A1 WO 2013010876A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
workpiece
machining
energetic
laser
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/063588
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian NÜSSER
André TEMMLER
Judith KUMSTEL
Edgar Willenborg
Valentin Morasch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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
Priority claimed from DE102011113246A external-priority patent/DE102011113246A1/de
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority to DE112012002989.5T priority Critical patent/DE112012002989A5/de
Publication of WO2013010876A1 publication Critical patent/WO2013010876A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
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    • 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
    • B23K26/3568—Modifying rugosity
    • B23K26/3576—Diminishing rugosity, e.g. grinding; Polishing; Smoothing

Definitions

  • the application relates to a method for smoothing and polishing
  • the application also relates to a device for
  • Polishing methods based on the remelting of a thin surface surface layer by means of laser radiation are known.
  • the boundary layer is here by the
  • Laser radiation melted, smoothed by the surface tension and solidifies 5 then again.
  • the laser radiation is used to process surfaces
  • the method can be carried out both by continuous (cw) and by pulsed laser radiation.
  • Coarse starting roughness with a mean roughness Ra -S 10 pm are remelted with cw laser radiation. This creates a continuous melt pool, which is guided by the laser radiation over the sample.
  • a two-stage process for smoothing and polishing surfaces is disclosed in DE 103 42 750 B4.
  • a surface to be processed in a first processing stage using continuous laser radiation or pulsed laser radiation with long pulse lengths with first processing parameters one or more times successively along a processing path to a first
  • Umschmeiztiefe remelted wherein the intensity of the incident on the surface laser radiation or its interaction time with the surface or both at least one remelting process is modulated and thereby along the
  • Machining path has such a wave-like course that an existing undesirable waviness of the surface is eliminated or reduced.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method and apparatus for smoothing and polishing workpiece surfaces by machining
  • this object is achieved by a device having the features of patent claim 15.
  • the present invention is based on the finding that the achievable with the known Umschm elzvon surface roughness can not be reduced arbitrarily, since the energetic radiation used to produce a molten bath in a surface layer of a workpiece workpiece presumably due to temporal and spatial variations in performance, the melt to vibrations stimulates and this state is frozen when cooling the melt. To this effect
  • the invention proposes to distribute the energy introduced by the energetic radiation in the workpiece on several, in particular two, beam.
  • the radiation beams are combined, at least at predetermined time intervals, so that they impinge on the surface to be smoothed in predetermined areas, the machining parameters relating to the beam bundles being coordinated such that, as a result of the total energy introduced into the surface boundary layer by the radiation beams, a melt pool is formed in the surface layer of the surface generated workpiece to be machined and maintained for a predetermined period of time.
  • the beams used in the method according to the invention have a lower intensity. This reduces the influence of irregularities in the intensity distribution of a beam on the surface of the molten bath. Thus, the effect of the process-induced excitation of the molten bath can be reduced by the energetic radiation and thereby a smoother surface of the machined workpiece can be achieved.
  • the method according to the invention can be applied particularly advantageously to the smoothing of porous surfaces.
  • processing parameters pertaining to the at least one second beam are selected such that they are separated by the at least one second beam
  • the energetic radiation may in particular be laser radiation or also electron radiation.
  • the terms "beam” and “beam” are used interchangeably herein.
  • the first beam may be continuous or pulsed laser radiation.
  • For the at least one second beam preferably continuous laser radiation is used.
  • the first beam, which is used in particular for locally melting the surface layer of the surface, is also referred to as a polishing beam.
  • the energy supplied by the at least one second beam serves to reduce the energy required to produce the molten bath by the first beam and thus to reduce excitation of the generated molten bath to vibrations by the energy acting on the surface to be smoothed by the beams.
  • the second beam causes in this case only a heating of the surface layer to be processed surface. Due to the higher temperature of the heated surface layer, the temperature difference is lower until local melting of the surface layer surface, so that for a lower power is required. As a result, the influence of the energetic radiation as a source of interference and thus the process-induced roughness decreases.
  • this is served by the at least one second
  • one of the at least two radiation beams is deflected relative to the other beam, wherein the
  • Impact region of the first beam on the workpiece surface is located within a heat affected zone of the at least one second beam. With heat-affected zone of a beam is thereby an area of the processed Workpiece meant by the effect of the beam higher
  • the machining takes place during the machining process on the surface to be machined along a continuous machining path, which preferably runs meandering, or a plurality of temporally successive discrete processing tracks, which are preferably arranged side by side and are all traversed in the same direction, so that the generated by the beam Melt bath moves along the respective processing path.
  • the bundles of rays are guided over the surface to be processed.
  • the surface to be processed can also be moved relative to the ray bundles. If necessary, several
  • Beam is located within a heat affected zone of the at least one second beam.
  • the fact that the second bundle of rays leads the first bundle of rays means that the center of the impingement of the second bundle of rays
  • Preceding beam on the workpiece surface the center of the impingement of the first beam.
  • preheating the surface layer of the surface has the added advantage of slower heating of alloying constituents having a lower melting temperature than the parent, thus avoiding explosive evaporation and reducing the risk of surface defect formation , Therefore, in the case of inhomogeneous materials, a previous remelting can be dispensed with.
  • the second beam may also be concentric with the first
  • Be bundle of rays It then preferably has a larger diameter than the first beam.
  • the second beam can cause both a preheating and a reheating of the surface layer surface.
  • the additional heating of the surface edge layer with energetic radiation has the advantage over heating of the entire workpiece, for example inductively or with a heating plate, that the introduced energy is lower. The risk of distortion of the workpiece is thereby reduced. Moreover, in the alternatives given, it is not ensured that the entire surface has the same temperature during a polishing operation, i. the initial state for the polishing process varies over the workpiece. For example, when using a heating plate, the side of the workpiece facing away from the heating plate usually has a lower temperature than the side which is in contact with the plate. In contrast, when using energetic radiation, the temperature obtained in response to the power of the energetic radiation in a surface surface layer of the workpiece is well defined.
  • a control or regulation of at least one of the first and / or the at least one second beam bundle processing parameters in response to a measurement of the heating temperature or a measurement of the surface profile can be done without contact by means of a pyrometer.
  • the processing parameters include the speed with which the beams and the surface to be smoothed are moved relative to each other, the performance of the
  • the pulse rate and the pulse duration also the diameter and the cross section of the respective beam.
  • the cross section may in particular be rectangular or circular.
  • the dimensions of the second beam on the workpiece surface are greater than or equal to the dimensions of the first beam on the workpiece surface.
  • the intensity distribution over the cross section can be adjusted.
  • the intensity distribution of the energetic radiation has a top hat profile, ie the intensity of the energetic radiation has within the
  • the regulation of the at least one processing parameter takes place online during processing, ie. H. during the same machining operation as the measurement.
  • Figure 1 shows the polishing of a workpiece surface by remelting in sectional view
  • FIG. 2 b shows a temperature distribution on the workpiece surface achieved with the arrangement according to FIG. 2 a);
  • Embodiment of the invention corresponding arrangement of two beams on a workpiece surface;
  • FIG. 3 b) shows a temperature distribution on the workpiece surface achieved with the arrangement according to FIG. 3 a);
  • Figure 4 shows an apparatus for polishing workpiece surfaces by reflow by means of laser radiation. Based on the example shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a section of a workpiece 20 which is treated with a laser beam 10 which, as indicated by an arrow, is guided over the workpiece surface at speed v in the x-direction along a machining path, in a sectional view.
  • the workpiece surface can be seen in the untreated state.
  • Pieces workpiece surface melts the material of the workpiece 20 and there is a molten pool 28, wherein at least in continuous laser radiation due to the heat conduction, the lateral extent of the molten bath 28 is generally greater than the diameter of the laser beam 10.
  • a heat-affected zone 26 of the laser beam 10 in addition to the molten bath 28 and the area around the impingement of the laser beam 10, in which an edge layer 22 of the workpiece 20 is heated by the action of the laser beam 10.
  • the heat-affected zone 26 and the molten bath 28 move with the laser beam 10 during a machining operation. This results in a remelt layer 24 of material that has been melted and solidifies again.
  • two laser beams are superposed for the smoothing and polishing of surfaces such that the surface is preheated with a preferably continuous laser beam and the surface is smoothed and polished with a further laser beam 10.
  • the dimensions of the laser beam for preheating in this case are greater than or equal to the dimensions of the jet 10 for polishing, which is on the workpiece surface within the
  • Heat affected zone of the laser beam is located for heating.
  • the surface edge layer 22 may be reheated with a third laser beam (not shown) that lags the beam 10 for polishing to further extend the life of the melt, and thus the time available for roughness to flow out.
  • the preferred power of the laser beams depends on the material of the
  • the parameters used for the preheat and reheat third laser beams are selected so that the energy introduced into the workpiece by these beams heats the edge layer 22 of the workpiece to a temperature that is below the melt temperature of the workpiece.
  • the values for the power of a jet serving for heating are in the range of 50 to 1000 W, for the beam diameter in the range of 100 to 1000 ⁇ and for the velocity v in the range of 5 to 10000 mm / s.
  • the parameters used for the polishing beam 10 are selected such that the energy introduced into the workpiece by the polishing beam 10, in conjunction with the energy introduced into the workpiece by the preheat beam, forms a molten bath 28 in the edge layer 22 of the
  • the values for the power of a beam 10 to be polished are in the range of 10 to 1000 W, for the beam diameter in the range of 50 to 500 ⁇ m and for the velocity v in the range of 5 to 10000 mm s. Reheating by means of laser radiation is preferably used when using a pulsed polishing beam 10.
  • Figure 2 a shows the Auf Hughesbe rich a polishing beam 10 'and a Vormérmstrahls 12' on a surface of a workpiece to be treated according to a preferred embodiment of the invention.
  • Both laser beams 10 'and 12' have a circular cross section with a top hat profile and move over the workpiece surface at the same velocity v 'as indicated by the thick arrow.
  • the radius R 2 'of the impingement area of the preheat beam 12' is four times the radius R, "of the impingement area of the polishing beam 10." Preferred values for the radii are 125 pm for R, "and 500 pm for R 2 '.
  • the center M 2 'of the impact area of the preheat beam 12' is about R 2 72 in the direction of movement with respect to the center M, "of the impact area of
  • Polishing jet 10 'offset so that the preheat beam 12' the polishing jet 10 'leads, wherein the polishing beam 10' is located within the impingement of the Vorracermstrahls 12 '.
  • Both laser beams 10 'and 12' are continuous, with the power of the preheat beam 12 'in this example being 200W while the power of the polishing beam 10' here is 60W.
  • the speed 'in this case has the value 100 mm / s.
  • the temperature distribution at the surface of the workpiece produced with these parameters is shown in FIG. 2b).
  • the temperature range in which the alloy used in this example melts for the workpiece is approximately between 1400 and 1460 ° C.
  • FIG. 1 Another preferred embodiment of the invention is shown in FIG. 1
  • FIG. 3 a shows the impact areas of a polishing jet 10 "and a preheat jet 12" on a surface of a workpiece to be treated.
  • the two laser beams 10 "and 12" again have a circular cross-section with a top hat profile and move at speed v "over the workpiece surface, with the preheat beam 12" continuous while the polishing beam 10 "is pulsed R 2 "of the impingement area of the preheat beam 12" is twice the radius R "of the impingement area of the polishing beam 10".
  • the center M 2 " of the impingement area of the preheat beam 12 " is 3R 2 " / 4 in the direction of movement from the center M " the impact area of the polishing beam 10 "offset, so that the impact areas of the two laser beams 10 "and 12" touch tangentially.
  • the impact area of the polishing jet 10 is in the heat-affected zone of the preheat jet 12" without disturbing the melt pool generated in the surface boundary layer by direct action of the preheat jet 12
  • Preferred values for the radii are 125 ⁇ for R" and 250 ⁇ for R 2 "and 375 ⁇ m for the distance of the centers M," and M 2 "from each other
  • the laser power of the continuous preheat beam 12" is in the range of 50 to 160 W and that of the pulsed polishing beam 10 "in the range of 10 to 50 W at a pulse duration in the range of 100 to 1000 ns.
  • the speed v "in this embodiment example is 1000 mm / s. Particularly good results were achieved with a laser power of the preheat beam 12 "of 130 W and a laser power of the polishing beam 10" of 20 W with a pulse duration of 1 50 ns.
  • the temperature distribution at the surface of the workpiece produced with these parameters is shown for the range y> 0 in FIG. 3b).
  • the temperature distribution for negative y-values results from reflection on the x-axis.
  • the coordinate system is chosen such that its origin coincides with the center M 2 "of the impact area of the
  • the alloy used for the workpiece is the same as in the example of Figure 2, i.e. the melting range is approximately between 1400 and 1460 ° C.
  • a device 50 for polishing workpiece surfaces by means of energetic radiation will be explained with reference to the schematic diagram of FIG.
  • a first laser 52 emits laser radiation 10, which is preferably pulsed and, for example, has the wavelength 1064 nm.
  • a second laser 54 emits laser radiation 12, which is preferably continuous and has, for example, the wavelength 1030 nm.
  • the radiation emitted by the two lasers 52 and 54 should differ in terms of their wavelength at least by 5 to 10 nm, so that the two beam paths by means of a
  • Wavelength multiplexer can be combined to form a beam path.
  • Optical cables 56 and 57 serve to couple the laser beams 10 and 12 into an optical structure.
  • the optical structure comprises on the input side for each laser beam 10 and 12, respectively, a collimating optics 58 and 59, represented by a lens, for parallelizing the laser beams 10 and 12.
  • the laser beams are in the beam path 10 and 12 are each a continuously movable zoom telescope 60 and 61, through which the respective diameter of the laser beams 10 and 12 is adjustable.
  • Two mirrors 64 and 65 which can be tilted one-dimensionally by means of piezoactuators 62 and 63, enable a fast two-dimensional deflection of the first laser beam 10, whereby it is displaced relative to the second laser beam 12 on a surface of a workpiece 20 to be machined.
  • a wavelength division multiplexer 66 is coated such that it has a large transmission for laser radiation of the first laser 52 and at least on one side high reflectivity for laser radiation of the second laser 54, and arranged at an intersection of the two beam paths so that it
  • the two superimposed laser beams 10 and 12 hit a mirror 68, by means of which they are directed to a laser scanner system 70.
  • the laser scanner system 70 is a 3-D laser scanner system that allows both adjustment of the focus of the superimposed beams 10 and 12 and their deflection in two directions.
  • the superimposed laser beams 10 and 12 can also be moved over surfaces having a three-dimensional shape.
  • An F-theta lens 72 shown as a lens, is arranged at an exit of the optical structure, which serves to focus the radiation exiting from the laser scanner system 70 onto the workpiece surface.
  • the device 50 also includes a controller 74 with outputs for
  • the workpiece 20 is shown enlarged again in the dashed circle 80, so that it can be seen that the central axis of the first laser beam 10 with respect to the Center axis of the second laser beam 1 2 is offset in the processing plane by the distance d xy , which is a function of the tilt angle of the piezo actuators 62 and 63.
  • a device according to the invention may also be constructed in such a way that the second laser beam 12 is deflected relative to the first laser beam 10. Then the two piezo actuators 62 and 63 would have to be arranged with the one-dimensionally tiltable mirrors 64 and 65 in the beam path of the second laser beam 12. Furthermore, instead of two one-dimensionally tiltable mirrors, it would also be possible to use a mirror which can be tilted about two axes, as long as a substantially constant deflection of the two laser beams relative to one another is to be achieved or a movement of the two
  • Laser beams 10 and 12 should be made relative to each other at a comparatively low speed.
  • both laser beams 10 and 1 2 are to be pulsed continuously or both, it is also conceivable as a further alternative to use only one laser and to divide the radiation emitted by it into two beams 10 and 12 by means of a beam splitter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten und Polieren von Werkstückoberflächen durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, bei dem ein erstes Bündel (10') energetischer Strahlung während eines Bearbeitungsvorgangs für eine vorbestimmte Zeitdauer auf eine zu glättende Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet wird und mindestens ein zweites Bündel (12') energetischer Strahlung mit dem ersten Bündel (10') zumindest in vorbestimmten Zeitabschnitten so kombiniert wird, dass es jeweils in einem vorbestimmten Bereich auf der zu glättenden Oberfläche auftrifft, wobei das erste und das mindestens eine zweite Strahlenbündel (10', 12') betreffende Bearbeitungsparameter so aufeinander abgestimmt werden, dass ein Schmelzbad in einer der zu glättenden Oberfläche zugeordneten Randschicht des zu bearbeitenden Werkstücks erzeugt und für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Patentanmeldung:
VERFAHREN UND VORRICHTUNG UM GLÄTTEN UND POLIEREN VON WERKSTÜCKOBERFLÄCHEN DURCH BEARBEITUNG MIT ZWEI ENERGETISCHEN STRAHLUNGEN
Anmelderin:
5 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Glätten und Polieren von
Werkstückoberflächen durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, bei dem ein erstes Bündel energetischer Strahlung während eines Bearbeitungsvorgangs für eine
vorbestimmte Zeitdauer auf eine zu glättende Oberfläche eines zu bearbeitenden
0 Werkstücks gerichtet wird. Die Anmeldung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum
Durchführen des Verfahrens.
Polierverfahren, die auf dem Umschmelzen einer dünnen Oberflächenrandschicht mittels Laserstrahlung beruhen, sind bekannt. Die Randschicht wird hierbei durch die
Laserstrahlung aufgeschmolzen, durch die Oberflächenspannung geglättet und erstarrt 5 anschließend wieder. Zur Bearbeitung von Oberflächen wird die Laserstrahlung
bevorzugt mäanderformig über diese geführt. Das Verfahren kann sowohl mittels kontinuierlicher (cw-) als auch mittels gepulster Laserstrahlung durchgeführt werden.
Grobe Ausgangsrauheiten mit einem Mittenrauwert Ra -S 10 pm werden mit cw- Laserstrahlung umgeschmolzen. Dabei entsteht ein kontinuierliches Schmelzbad, welches0 durch die Laserstrahlung über die Probe geführt wird.
Bei geringeren Ausgangsrauheiten mit einem Mittenrauwert Ra £ 1 pm kann die
Oberfläche mit gepulster Laserstrahlung bearbeitet werden, wodurch vor allem die Mikrorauheit geglättet und ein höherer Glanzgrad erreicht wird. Bei der Bearbeitung werden diskrete Schmelzbäder erzeugt. Hierbei erstarrt das Schmelzbad, bevor der5 nächste Laserpuls einen anderen Teil der Oberflächenrandschicht aufschmilzt. Vorteil beim Polieren mit gepulster Laserstrahlung im Vergleich zur Verfahrensvariante mit cw- Laserstrahlung ist neben der höheren Bearbeitungsgeschwindigkeit die deutlich geringere Wärmeeinbringung in das Werkstück, wodurch gerade bei kleinen Bauteilen Verzug vermieden wird.
Ein zweistufiges Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen ist in der DE 103 42 750 B4 offenbart. Bei diesem Verfahren wird eine zu bearbeitende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz von kontinuierlicher Laserstrahlung oder gepulster Laserstrahlung mit langen Pulslängen mit ersten Bearbeitungsparametern einmal oder mehrmals nacheinander entlang einer Bearbeitungsbahn bis zu einer ersten
Umschmeiztiefe umgeschmolzen, wobei die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche oder beides bei mindestens einem Umschmelzvorgang moduliert wird und dadurch entlang der
Bearbeitungsbahn einen derartigen wellenförmigen Verlauf aufweist, dass eine vorhandene unerwünschte Welligkeit der Oberfläche beseitigt oder reduziert wird.
Zudem ist offenbart, dass zusätzlich in einer zweiten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern nach der ersten Bearbeitungsstufe verbleibende Mikrorauigkeiten durch Umschmelzen bis zu einer zweiten Umschmeiztiefe, die kleiner als die erste Umschmeiztiefe ist, und Verdampfen von Rauigkeitsspitzen eingeebnet werden können.
Allerdings ist bei den bekannten Laserpolierverfahren die erreichbare Oberflächenrauheit für viele Anwendungen immer noch zu groß, so dass in diesen Fällen auf manuelle Polierverfahren zurückgegriffen werden muss.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Glätten und Polieren von Werkstückoberflächen durch Bearbeitung mit
energetischer Strahlung bereitzustellen, womit die erreichbare Oberflächenrauheit auf schnelle und kostengünstige Weise weiter reduzierbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung entnehmen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die mit den bekannten Umschm elzverfahren erreichbare Oberflächenrauheit sich nicht beliebig reduzieren lässt, da die zur Erzeugung eines Schmelzbades in einer Oberflächenrandschicht eines Werkstückes verwendete energetische Strahlung vermutlich aufgrund von zeitlichen und örtlichen Schwankungen der Leistung die Schmelze zu Schwingungen anregt und dieser Zustand beim Abkühlen der Schmelze eingefroren wird. Um diesem Effekt
entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die durch die energetische Strahlung in das Werkstück eingebrachte Energie auf mehrere, insbesondere zwei, Strahlenbündel zu verteilen. Die Strahlenbündel werden zumindest in vorbestimmten Zeitabschnitten so kombiniert, dass sie in vorbestimmten Bereichen auf der zu glättenden Oberfläche auftreffen, wobei die Strahlenbündel betreffende ßearbeitungsparameter so aufeinander abgestimmt werden, dass infolge der durch die Strahlenbündel in die Oberflächenrandschicht insgesamt eingebrachten Energie ein Schmelzbad in der Oberflächenrandschicht des zu bearbeitenden Werkstücks erzeugt und für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten wird.
Im Vergleich zu bekannten Polierverfahren mit einem energetischen Strahl, im Folgenden auch als Einstrahltechnik bezeichnet, weisen die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Strahlenbündel eine geringere Intensität auf. Hierdurch nimmt der Einfluss von Unregelmäßigkeiten in der Intensitätsverteilung eines Strahlenbündels auf die Schmelzbadoberfläche ab. So kann die Wirkung der prozessbedingten Anregung des Schmelzbades durch die energetische Strahlung verringert und dadurch eine glattere Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks erzielt werden. Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Glättung poröser Oberflächen anwenden.
Insbesondere werden die das mindestens eine zweite Strahlenbündel betreffenden Bearbeitungsparameter so gewählt, dass die durch das mindestens eine zweite
Strahlenbündel während der Wechselwirkungszeit des mindestens einen zweiten Strahlenbündels mit der .Oberfläche auf den vorbestimmten Bereich der zu glättenden Oberfläche einwirkende Energie zu einer Erwärmung der der zu glättenden Oberfläche zugeordneten Randschicht zumindest in dem vorbestimmten Bereich auf eine
Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstücks führt. Bei der energetischen Strahlung kann es sich insbesondere um Laserstrahlung oder auch um Elektronenstrahlung handeln. Die Begriffe„Strahlenbündel" und„Strahl" werden hier synonym verwendet. Bei dem ersten Strahlenbündel kann es sich um kontinuierliche oder gepulste Laserstrahlung handeln. Für das mindestens eine zweite Strahlenbündel wird vorzugsweise kontinuierliche Laserstrahlung verwendet. Das erste Strahlenbündel, das insbesondere zum lokalen Aufschmelzen der Oberflächenrandschicht dient, wird auch als Polierstrahl bezeichnet.
Vorzugsweise dient die durch das mindestens eine zweite Strahlenbündel zugeführte Energie dazu, die zum Erzeugen des Schmelzbades durch das erste Strahlenbündel benötigte Energie zu verringern und damit eine Anregung des erzeugten Schmelzbades zu Schwingungen durch die durch die Strahlenbündel auf die zu glättende Oberfläche einwirkende Energie zu reduzieren. Das zweite Strahlenbündel bewirkt in diesem Fall lediglich eine Erwärmung der zu bearbeitenden Oberflächenrandschicht. Durch die höhere Temperatur der erwärmten Oberflächenrandschicht ist die Temperaturdifferenz bis zum lokalen Aufschmelzen der Oberflächenrandschicht geringer, so dass dafür eine geringere Leistung benötigt wird. Dadurch nimmt der Einfluss der energetischen Strahlung als Störquelle und damit die prozessinduzierte Rauheit ab.
Zusätzlich oder alternativ dazu dient die durch das mindestens eine zweite
Strahlenbündel zugeführte Energie zu dem Zweck, die Dauer des Vorhandenseins des Schmelzbades am jeweiligen Entstehungsort im Vergleich zur Verwendung eines einzigen Strahlenbündels zu verlängern. Damit wird das Ziel verfolgt, die Erstarrungszeit des Schmelzbades zu verlängern, d. h. die Zeit, in der eine Schmelze vorliegt, ohne dass die energetische Strahlung direkt auf die Schmelze auftrifft. In diesem Zeitraum wird die Schmelze nicht durch die energetische Strahlung angeregt, sondern nur durch die Oberflächenspannung beeinflusst. So steht mehr Zeit zum Ausfließen der Rauheit zur Verfügung und die Schmelze kann stärker geglättet werden als bei der Einstrahltechnik.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eines der mindestens zwei Strahlenbündel gegenüber dem anderen Strahlenbündel abgelenkt, wobei der
Auftreffbereich des ersten Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche sich innerhalb einer Wärmeeinflusszone des mindestens einen zweiten Strahlenbündels befindet. Mit Wärmeeinflusszone eines Strahlenbündels ist dabei ein Bereich des zu bearbeitenden Werkstücks gemeint, der durch die Wirkung des Strahlenbündels eine höhere
Temperatur als die Ausgangstemperatur des Werkstücks aufweist.
Insbesondere erfolgt die Bearbeitung während des Bearbeitungsvorgangs auf der zu bearbeitenden Oberfläche entlang einer kontinuierlichen Bearbeitungsbahn, die vorzugsweise mäanderförmig verläuft, oder mehrerer zeitlich aufeinander folgender diskreter Bearbeitungsbahnen, die vorzugsweise nebeneinander angeordnet sind und alle in derselben Richtung durchlaufen werden, so dass das durch die Strahlenbündel erzeugte Schmelzbad sich entlang der jeweiligen Bearbeitungsbahn fortbewegt.
Vorzugsweise werden dabei die Strahlenbündel über die zu bearbeitende Oberfläche geführt. Stattdessen kann aber auch die zu bearbeitende Oberfläche relativ zu den Strahlenbündeln bewegt werden. Gegebenenfalls werden mehrere
Bearbeitungsvorgänge nacheinander durchgeführt.
Dabei eilt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das mindestens eine zweite Strahlenbündel zum Vorheizen der der zu bearbeitenden Oberfläche
zugeordneten Randschicht dem ersten Strahlenbündel voraus, wobei das erste
Strahlenbündel sich innerhalb einer Wärmeeinflusszone des mindestens einen zweiten Strahlenbündels befindet. Dass das zweite Strahlenbündel dem ersten Strahlenbündel vorauseilt, soll heißen, dass der Mittelpunkt des Auftreffbereichs des zweiten
Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche dem Mittelpunkt des Auftreffbereichs des ersten Strahlenbündels vorauseilt.
Wenn das zu bearbeitende Werkstück eine Legierung umfasst, hat das Vorheizen der Oberflächenrandschicht den zusätzlichen Vorteil, dass dadurch Legierungsbestandteile, die eine geringere Schmelztemperatur als der Grundwerkstoff aufweisen, langsamer erwärmt werden, so dass ein explosionsartiges Verdampfen vermieden und die Gefahr der Bildung von Oberflächendefekten verringert wird. Daher kann bei inhomogenen Werkstoffen auf ein vorheriges Umschmelzen verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eilt das mindestens eine zweite Strahlenbündel oder mindestens ein weiteres Strahlenbündel zum Nachheizen der der zu bearbeitenden Oberfläche zugeordneten Randschicht dem ersten Strahlenbündel nach, wobei das erzeugte Schmelzbad sich innerhalb einer Wärmeeinflusszone des mindestens einen zweiten oder weiteren Strahlenbündels befindet.
Alternativ dazu kann das zweite Strahlenbündel auch konzentrisch zum ersten
Strahlenbündel sein. Es hat dann bevorzugt einen größeren Durchmesser als das erste Strahlenbündel. Auf diese Weise kann das zweite Strahlenbündel sowohl ein Vorheizen als auch ein Nachheizen der Oberflächenrandschicht bewirken.
Das zusätzliche Heizen der Oberflächenrandschicht mit energetischer Strahlung hat gegenüber einer Erwärmung des gesamten Werkstücks, beispielsweise induktiv oder mit einer Heizplatte, den Vorteil, dass die eingebrachte Energie geringer ist. Die Gefahr von Verzug des Werkstücks wird dadurch vermindert. Bei den angegebenen Alternativen ist zudem nicht sichergestellt, dass die gesamte Oberfläche während eines Poliervorgangs die gleiche Temperatur aufweist, d.h. der Ausgangszustand für den Poliervorgang variiert über das Werkstück. So weist beispielsweise bei der Verwendung einer Heizplatte die der Heizplatte abgewandte Werkstückseite üblicherweise eine geringere Temperatur auf als die Seite, die sich mit der Platte in Kontakt befindet. Dagegen ist bei der Verwendung von energetischer Strahlung die in Abhängigkeit von der Leistung der energetischen Strahlung in einer Oberflächenrandschicht des Werkstücks erzielte Temperatur gut definiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Steuerung oder Regelung von mindestens einem der das erste und/oder das mindestens eine zweite Strahlenbündel betreffenden Bearbeitungsparameter in Abhängigkeit von einer Messung der Erwärmungstemperatur oder einer Messung des Oberflächenprofils. Die Messung der Erwärmungstemperatur kann berührungslos mittels eines Pyrometers erfolgen. Zu den Bearbeitungsparametern zählen die Geschwindigkeit, mit der die Strahlenbündel und die zu glättende Oberfläche relativ zueinander bewegt werden, die Leistung der
energetischen Strahlung und bei gepulster Laserstrahlung auch die Pulsfrequenz und die Pulsdauer, ferner der Durchmesser und der Querschnitt des jeweiligen Strahlenbündels. Der Querschnitt kann insbesondere rechteckig oder kreisförmig sein. Vorzugsweise sind die Abmessungen des zweiten Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche größer oder gleich den Abmessungen des ersten Strahlenbündels auf der Werkstückoberfläche.
Außerdem kann auch die Intensitätsverteilung über den Querschnitt eingestellt werden. Vorzugsweise besitzt die Intensitätsverteilung der energetischen Strahlung ein Top-Hat- Profil, d. h. die Intensität der energetischen Strahlung hat innerhalb des
Strahlquerschnitts überall den gleichen Wert.
Besonders bevorzugt erfolgt die Regelung des mindestens einen Bearbeitungsparameters online während der Bearbeitung, d. h. während des gleichen Bearbeitungsvorgangs wie die Messung.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die
Bearbeitung der Werkstückoberfläche mit energetischer Strahlung unter einer
Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Durch Verwendung eines Schutzgases lässt sich die resultierende Oberflächenrauheit weiter verringern.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten, soweit anwendbar, auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
Es zeigen;
Figur 1 das Polieren einer Werkstückoberfläche durch Umschmelzen in Schnittansicht;
Figur 2 a) die Auftreffbereiche von einer einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden Anordnung zweier Strahlenbündel auf einer
Werkstückoberfläche;
Figur 2 b) eine mit der Anordnung gemäß Figur 2 a) erzielte Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche;
Figur 3 a) die Auftreffbereiche von einer einem weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden Anordnung zweier Strahlenbündel auf einer Werkstückoberfläche; Figur 3 b) eine mit der Anordnung gemäß Figur 3 a) erzielte Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche; und
Figur 4 eine Vorrichtung zum Polieren von Werkstückoberflächen durch Umschmeizen mittels Laserstrahlung. Anhand des in Figur 1 gezeigten Beispiels soll im Folgenden die prinzipielle
Funktionsweise des Polierens von Oberflächen mittels Umschmeizen dargestellt werden.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Werkstücks 20, das mit einem Laserstrahl 10 behandelt wird, der, wie durch einen Pfeil angedeutet, mit der Geschwindigkeit v in x- Richtung entlang einer Bearbeitungsbahn über die Werkstückoberfläche geführt wird, in Schnittansicht. Rechts vom Laserstrahl 10 ist die Werkstückoberfläche in unbehandeltem Zustand zu erkennen. Im Auftreffbereich, wo der Laserstrahl 10 auf die
Werkstückoberfläche auftrifft, schmilzt das Material des Werkstücks 20 und es entsteht ein Schmelzbad 28, wobei zumindest bei kontinuierlicher Laserstrahlung aufgrund der Wärmeleitung die laterale Ausdehnung des Schmelzbades 28 im Allgemeinen größer als der Durchmesser des Laserstrahls 10 ist. Zu einer Wärmeeinflusszone 26 des Laserstrahls 10 gehört neben dem Schmelzbad 28 auch der Bereich um den Auftreffbereich des Laserstrahls 10, in dem eine Randschicht 22 des Werkstücks 20 sich durch die Wirkung des Laserstrahls 10 erwärmt. Dabei wandern durch die Bewegung des Laserstrahls 10 die Wärmeeinflusszone 26 und das Schmelzbad 28 während eines Bearbeitungsvorgangs mit dem Laserstrahl 10 mit. Dadurch entsteht eine Umschmelzschicht 24 aus Material, das geschmolzen wurde und wieder erstarrt ist. Durch die Wirkung der
Oberflächenspannung auf das geschmolzene Material tritt eine Glättung der Oberfläche ein, bevor sie wieder erstarrt. Links neben dem Laserstrahl 10 ist die Werkstückoberfläche nach der Laserbehandlung dargestellt Um Anregungen des Schmelzbades 28 durch die darauf einwirkende energetische Strahlung 10, die einen negativen Effekt auf die Glättung der Oberfläche haben, zu reduzieren, wird erfindungsgemäß eine zusätzliche Erwärmung der Werkstückoberfläche mit einem zweiten Strahlenbündel (nicht dargestellt) vorgenommen. Dadurch kann die zum Aufschmelzen der Oberflächenrandschicht 22 durch den Strahl 10 benötigte Energie verringert werden und/oder die Erstarrungszeit des Schmelzbades 28 vergrößert werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden für das Glätten und Polieren von Oberflächen zwei Laserstrahlen derart überlagert, dass mit einem bevorzugt kontinuierlichen Laserstrahl die Oberfläche vorgewärmt wird und mit einem weiteren Laserstrahl 10 die Oberfläche geglättet und poliert wird. Die Abmessungen des Laserstrahls zum Vorwärmen sind hierbei größer oder gleich den Abmessungen des Strahls 10 zur Politur, welcher sich auf der Werkstückoberfläche innerhalb der
Wärmeeinflusszone des Laserstrahls zum Erwärmen befindet. Zusätzlich kann die Oberflächenrandschicht 22 mit einem dritten Laserstrahl (nicht dargestellt), der dem Strahl 10 zur Politur nacheilt, nachgewärmt werden, um die Lebensdauer der Schmelze, und damit die zum Ausfließen der Rauheit zur Verfügung stehende Zeit, noch weiter zu verlängern. Die bevorzugte Leistung der Laserstrahlen hängt vom Material des
Werkstücks und seiner Oberflächenbeschaffenheit sowie vom Durchmesser des jeweiligen Laserstrahls und seiner Relativgeschwindigkeit gegenüber der
Werkstückoberfläche ab. Die für den Vorwärmstrahl und den zum Nachwärmen dienenden dritten Laserstrahl verwendeten Parameter werden so gewählt, dass die durch diese Strahlen in das Werkstück eingebrachte Energie die Randschicht 22 des Werkstücks auf eine Temperatur erwärmt, die unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstücks liegt. Dabei liegen die Werte für die Leistung eines zum Erwärmen dienenden Strahls im Bereich von 50 bis 1000 W, für den Strahldurchmesser im Bereich von 100 bis 1000 μιη und für die Geschwindigkeit v im Bereich von 5 bis 10000 mm/s. Die für den Polierstrahl 10 verwendeten Parameter werden so gewählt, dass die durch den Polierstrahl 10 in das Werkstück eingebrachte Energie in Verbindung mit der durch den Vorwärmstrahl in das Werkstück eingebrachten Energie ein Schmelzbad 28 in der Randschicht 22 des
Werkstücks erzeugt. Dabei liegen die Werte für die Leistung eines zum Polieren dienenden Strahls 10 im Bereich von 10 bis 1000 W, für den Strahldurchmesser im Bereich von 50 bis 500 pm und für die Geschwindigkeit v im Bereich von 5 bis 10000 mm s. Ein Nachwärmen mittels Laserstrahlung wird vorzugsweise bei Verwendung eines gepulsten Polierstrahls 10 angewendet.
Anhand von Figur 2 soll im Folgenden die Erwärmung einer Oberflächenrandschicht durch die Behandlung mit Laserstrahlung an einem Beispiel erläutert werden. Figur 2 a) zeigt die Auftreffbe reiche eines Polierstrahls 10' und eines Vorwärmstrahls 12' auf einer Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Beide Laserstrahlen 10' und 12' haben einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Top- Hat-Proiil und bewegen sich mit derselben Geschwindigkeit v', wie durch den dicken Pfeil angedeutet, über die Werkstückoberfläche. Der Radius R2' des Auftreffbereichs des Vorwärmstrahls 12' beträgt das Vierfache des Radius R, " des Auftreffbereichs des Polierstrahls 10'. Bevorzugte Werte für die Radien sind 125 pm für R, " und 500 pm für R2'. Der Mittelpunkt M2' des Auftreffbereichs des Vorwärmstrahls 12' ist um R272 in Bewegungsrichtung gegenüber dem Mittelpunkt M," des Auftreffbereichs des
Polierstrahls 10' versetzt, so dass der Vorwärmstrahl 12' dem Polierstrahl 10' vorauseilt, wobei der Polierstrahl 10' sich innerhalb des Auftreffbereichs des Vorwärmstrahls 12' befindet. Beide Laserstrahlen 10' und 12' sind kontinuierlich, wobei die Leistung des Vorwärmstrahls 12' in diesem Beispiel 200 W beträgt, während die Leistung des Polierstrahls 10' hier 60 W beträgt. Die Geschwindigkeit ' hat in diesem Fall den Wert 100 mm/s.
Die mit diesen Parametern erzeugte Temperaturverteilung an der Oberfläche des Werkstücks ist in Figur 2b) dargestellt. Der Temperaturbereich, in dem die bei diesem Beispiel für das Werkstück verwendete Legierung schmilzt, liegt etwa zwischen 1400 und 1460 °C.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt.
Figur 3 a) zeigt die Auftreffbereiche eines Polierstrahls 10" und eines Vorwärmstrahls 12" auf einer Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks. Die beiden Laserstrahlen 10" und 12" haben wiederum einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Top-Hat-Profil und bewegen sich mit der Geschwindigkeit v" über die Werkstückoberfläche, wobei der Vorwärmstrahl 12" kontinuierlich ist, während der Polierstrahl 10" gepulst ist. Der Radius R2" des Auftreffbereichs des Vorwärmstrahls 12" beträgt das Doppelte des Radius R, " des Auftreffbereichs des Polierstrahls 10". Der Mittelpunkt M2" des Auftreffbereichs des Vorwärmstrahls 12" ist um 3R2"/4 in Bewegungsrichtung gegenüber dem Mittelpunkt M, " des Auftreffbereichs des Polierstrahls 10" versetzt, so dass sich die Auftreffbereiche der beiden Laserstrahlen 10" und 12" tangential berühren. Auf diese Weise befindet sich der Auftreffbereich des Polierstrahls 10" in der Wärmeeinflusszone des Vorwärmstrahls 12", ohne dass das in der Oberflächenrandschicht erzeugte Schmelzbad durch direkte Einwirkung des Vorwärmstrahls 12" gestört wird. Bevorzugte Werte für die Radien sind 125 μιτι für R," und 250 μηη für R2" sowie 375 pm für den Abstand der Mittelpunkte M," und M2" voneinander. Die Laserfeistung des kontinuierlichen Vorwärmstrahls 12" liegt im Bereich von 50 bis 160 W und die des gepulsten Polierstrahls 10" im Bereich von 10 bis 50 W bei einer Pulsdauer im Bereich von 100 bis 1000 ns. Die Geschwindigkeit v" beträgt in diesem Ausf ührungsbeispiei 1000 mm/s. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer Laserleistung des Vorwärmstrahls 12" von 130 W und einer Laserleistung des Polierstrahls 10" von 20 W bei einer Pulsdauer von 1 50 ns erzielt.
Die mit diesen Parametern erzeugte Temperaturverteilung an der Oberfläche des Werkstücks ist für den Bereich y > 0 in Figur 3b) dargestellt. Die Temperaturverteilung für negative y-Werte ergibt sich durch Spiegelung an der x-Achse. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass sein Ursprung mit der Mitte M2" des Auftreffbereichs des
Vorwärmstrahls 12" zusammenfällt. Die für das Werkstück verwendete Legierung ist dieselbe wie bei dem Beispiel aus Figur 2, d. h. der Schmelzbereich liegt etwa zwischen 1400 und 1460 °C.
Eine Vorrichtung 50 zum Polieren von Werkstückoberflächen mittels energetischer Strahlung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Prinzipskizze von Figur 4 erläutert. Ein erster Laser 52 sendet Laserstrahlung 10 aus, die vorzugsweise gepulst ist und beispielsweise die Wellenlänge 1064 nm hat. Ein zweiter Laser 54 sendet Laserstrahlung 12 aus, die vorzugsweise kontinuierlich ist und beispielsweise die Wellenlänge 1030 nm hat. Die von den beiden Lasern 52 und 54 ausgesendete Strahlung sollte sich hinsichtlich ihrer Wellenlänge mindestens um 5 bis 10 nm unterscheiden, damit die beiden Strahlengänge mittels eines
Wellenlängenmultiplexers zu einem Strahlengang kombiniert werden können.
Lichtleitkabel 56 und 57 dienen dazu, die Laserstrahlen 10 und 12 in einen optischen Aufbau einzukoppeln. Der optische Aufbau umfasst eingangsseitig für jeden Laserstrahl 10 und 12 jeweils eine durch eine Linse dargestellte Kollimationsoptik 58 und 59 zum Parallelisieren der Laserstrahlen 10 und 12. Ferner ist im Strahlengang der Laserstrahlen 10 und 12 jeweils ein stufenlos verfahrbares Zoomteleskop 60 und 61 angeordnet, durch das der jeweilige Durchmesser der Laserstrahlen 10 und 12 einstellbar ist. Zwei mittels Piezo-Aktoren 62 und 63 eindimensional verkippbare Spiegel 64 und 65 ermöglichen eine schnelle zweidimensionale Ablenkung des ersten Laserstrahls 10, wodurch dieser gegenüber dem zweiten Laserstrahl 12 auf einer zu bearbeitenden Oberfläche eines Werkstücks 20 verschoben wird. Ein Wellenlängenmultiplexer 66 ist derart beschichtet, dass er eine große Transmission für Laserstrahlung des ersten Lasers 52 und zumindest auf einer Seite eine hohe Reflektivität für Laserstrahlung des zweiten Lasers 54 besitzt, und so an einer Kreuzung der beiden Strahlengänge angeordnet, dass er eine
Überlagerung der beiden Laserstrahlen 10 und 12 bewirkt. Die beiden überlagerten Laserstrahlen 10 und 12 treffen schließlich auf einen Spiegel 68, mit dessen Hilfe sie zu einem Laserscannersystem 70 gelenkt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Laserscannersystem 70 um ein 3 D-Laserscannersystem, das sowohl eine Einstellung des Fokus der überlagerten Strahlen 10 und 12 als auch deren Ablenkung in zwei Richtungen ermöglicht. So können die überlagerten Laserstrahlen 10 und 12 auch über Oberflächen mit dreidimensionaler Gestalt bewegt werden. An einem Ausgang des optischen Aufbaus ist ein als Linse dargestelltes F-Theta-Objektiv 72 angeordnet, das dazu dient, die aus dem Laserscannersystem 70 austretende Strahlung auf die Werkstückoberfläche zu fokussieren. Die Vorrichtung 50 umfasst außerdem eine Steuerung 74 mit Ausgängen für
Steuersignale L1 und L2 zum Modulieren der Laserleistung, Steuersignale ZI und Z2 zum dynamischen Verändern der Durchmesser der beiden überlagerten Strahlen 10 und 12 am Werkstück 20 mittels der Zoomteleskope 60 und 61 , Steuersignale P1 und P2 zum Ansteuern der Piezo-Aktoren 62 und 63, um eine Relativbewegung und wahlweise eine Relativgeschwindigkeit des ersten Laserstrahls 10 gegenüber dem zweiten Laserstrahl 12 zu steuern, und ein Steuersignal S zum Steuern der Bewegung und Modulieren der Geschwindigkeit der überlagerten Laserstrahlen 10 und 12 gegenüber dem Werkstück 20.
Das Werkstück 20 ist in dem gestrichelten Kreis 80 nochmals vergrößert dargestellt, so dass man erkennen kann, dass die Mittelachse des ersten Laserstrahls 10 gegenüber der Mittelachse des zweiten Laserstrahls 1 2 in der Bearbeitungsebene um den Abstand dxy versetzt ist, der eine Funktion der Verkippungswinkel der Piezo-Aktoren 62 und 63 ist.
Anstatt, wie vorstehend beschrieben, den ersten Laserstrahl 10 abzulenken, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch so aufgebaut sein, dass der zweite Laserstrahl 12 gegenüber dem ersten Laserstrahl 1 0 abgelenkt wird. Dann müssten die beiden Piezo- Aktoren 62 und 63 mit den eindimensional verkippbaren Spiegeln 64 und 65 im Strahlengang des zweiten Laserstrahls 12 angeordnet sein. Ferner ließe sich anstelle von zwei eindimensional verkippbaren Spiegeln auch ein um zwei Achsen verkippbarer Spiegel verwenden, solange eine im Wesentlichen konstante Ablenkung der beiden Laserstrahlen relativ zueinander erzielt werden soll oder eine Bewegung der beiden
Laserstrahlen 10 und 12 relativ zueinander mit vergleichsweise kleiner Geschwindigkeit erfolgen soll.
Für den Fall, dass beide Laserstrahlen 10 und 1 2 kontinuierlich oder beide gepulst sein sollen, ist als weitere Alternative auch denkbar, nur einen Laser zu verwenden und die von diesem ausgesendete Strahlung mittels eines Strahlteilers in zwei Strahlen 1 0 und 12 aufzuteilen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Glätten und Polieren von Werkstückoberflächen durch
Bearbeitung mit energetischer Strahlung, bei dem ein erstes Bündel (10; 10'; 10") energetischer Strahlung während eines Bearbeitungsvorgangs für eine vorbestimmte Zeitdauer auf eine zu glättende Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks (20) gerichtet wird und mindestens ein zweites Bündel (12; 12"; 12") energetischer Strahlung mit dem ersten Bündel (10; 10'; 10") zumindest in vorbestimmten Zeitabschnitten so kombiniert wird, dass es jeweils in einem vorbestimmten Bereich auf der zu glättenden Oberfläche auftrifft, wobei das erste und das mindestens eine zweite Strahlenbündel (10, 12; 10", 12'; 10", 12") betreffende Bearbeitungsparameter so aufeinander abgestimmt werden, dass ein Schmelzbad (28) in einer der zu glättenden Oberfläche zugeordneten
Randschicht (22) des zu bearbeitenden Werkstücks (20) erzeugt und für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die das mindestens eine zweite
Strahlenbündel (12; 12'; 12") betreffenden Bearbeitungsparameter so gewählt werden, dass die durch das mindestens eine zweite Strahlenbündel (12; 12'; 12") während der Wechselwirkungszeit des mindestens einen zweiten Strahlenbündels (12; 12'; 12") mit der Oberfläche auf den vorbestimmten Bereich der zu glättenden Oberfläche einwirkende Energie zu einer Erwärmung der der zu glättenden Oberfläche zugeordneten Randschicht (22) zumindest in dem vorbestimmten Bereich auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstücks (20) führt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die durch das mindestens eine zweite Strahlenbündel (12; 12'; 12") zugeführte Energie dazu dient, die zum Erzeugen des Schmelzbades (28) durch das erste Strahlenbündel (10; 10'; 10") benötigte Energie zu verringern und damit eine Anregung des erzeugten
Schmelzbades (28) zu Schwingungen durch die durch die Strahlenbündel (10, 12; 10', 12'; 10", 12") auf die zu glättende Oberfläche einwirkende Energie zu reduzieren. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die durch das mindestens eine zweite Strahlenbündel (12; 12'; 12") zugeführte Energie dazu dient, die Dauer des Vorhandenseins des Schmelzbades (28) am jeweiligen Entstehungsort im Vergleich zur Verwendung eines einzigen Strahlenbündels zu verlängern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Strahlenbündel (10; 10'; 10") gegenüber dem mindestens einen zweiten Strahlenbündel (12; 12'; 12") oder das mindestens eine zweite Strahlenbündel (12; 12'; 12") gegenüber dem ersten Strahlenbündel (10; 10'; 10") abgelenkt wird, wobei der Auftreffbereich des ersten Strahlenbündels (10; 10'; 10") auf der Werkstückoberfläche sich innerhalb einer Wärmeeinflusszone des mindestens einen zweiten Strahlenbündels befindet (12; 12'; 12 ").
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bearbeitung während des Bearbeitungsvorgangs auf der zu bearbeitenden Oberfläche entlang einer kontinuierlichen Bearbeitungsbahn oder mehrerer zeitlich aufeinander folgender diskreter Bearbeitungsbahnen erfofgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das mindestens eine zweite Strahlenbündel (12; 12 '; 12") zum Vorheizen der der zu bearbeitenden Oberfläche zugeordneten Randschicht (22) dem ersten Strahlenbündel (10; 10'; 10") vorauseilt, wobei das erste Strahlenbündel (10; 10'; 10") sich innerhalb einer Wärmeeinflusszone (26) des mindestens einen zweiten Strahlenbündels (12; 12'; 12") befindet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das mindestens eine zweite
Strahlenbündel (12; 12'; 12") oder mindestens ein weiteres Strahlenbündel zum Nachheizen der der zu bearbeitenden Oberfläche zugeordneten Randschicht (22) dem ersten Strahlenbündel (10; 10'; 10") nacheilt, wobei das erzeugte
Schmelzbad (28) sich innerhalb einer Wärmeeinflusszone (26) des mindestens einen zweiten (12; 12'; 12") oder weiteren Strahlenbündels befindet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der energetischen Strahlung um Laserstrahlung handelt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der energetischen Strahlung (10', 12') um kontinuierliche Strahlung handelt.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei es sich bei dem zweiten Strahlenbündel (12") um kontinuierliche Strahlung und bei dem ersten
Strahlenbündel (10") um gepulste Strahlung handelt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Steuerung oder Regelung von mindestens einem der das erste und/oder das mindestens eine zweite Strahlenbündel (10, 12; 10', 12'; 10", 12 ") betreffenden
Bearbeitungsparameter in Abhängigkeit von einer Messung der
Erwärmungstemperatur oder einer Messung des Oberflächenprofils erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Regelung des mindestens einen
Bearbeitungsparameters während des gleichen Bearbeitungsvorgangs wie die Messung erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bearbeitung der Werkstückoberf lache mit energetischer Strahlung unter einer
Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
15. Vorrichtung zum Glätten und Polieren von Werkstückoberflächen durch
Bearbeitung mit energetischer Strahlung, wobei die Vorrichtung (50) eine erste Strahlenquelle (52, 56, 58, 60, 62 bis 65) zum Bereitstellen eines ersten Bündels (10; 10'; 10") energetischer Strahlung, eine zweite Strahlenquelle (54, 57, 59, 61) zum Bereitstellen mindestens eines zweiten Bündels (12; 12'; 12") energetischer Strahlung und eine Überlagerungseinrichtung (66) zum Überlagern der mindestens zwei Strahlenbündel (10, 12; 10', 12"; 10", 12") zu einer Kombination von Strahlenbündeln (10, 12; 10', 12'; 10", 12") umfasst, wobei das erste und das mindestens eine zweite Strahlenbündel (10, 12; 10', 12'; 10", 12") betreffende Bearbeitungsparameter so aufeinander abstimmbar sind, dass ein Schmelzbad (28) in einer der zu glättenden Oberfläche zugeordneten
Randschicht (22) des zu bearbeitenden Werkstücks (20) erzeugt und für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1 5, wobei die Vorrichtung (50) weiterhin eine Scaneinrichtung (70) zum kontrollierten Bewegen der Kombination von
Strahlenbündeln (10, 12; 10', 12'; 10", 12") während eines
Bearbeitungsvorgangs über die zu bearbeitende Oberfläche umfasst. 17. Vorrichtung nach Anspruch 1 5 oder 16, wobei die erste Strahlenquelle eine Ablenkeinrichtung (62, 63, 64, 65) zum Ablenken des ersten Strahlenbündels (10; 10'; 10") relativ zu dem mindestens einen zweiten Strahlenbündel (12; 12'; 12") oder die zweite Strahlenquelle eine Ablenkeinrichtung zum Ablenken des mindestens einen zweiten Strahlenbündels (12; 12'; 12") relativ zum ersten Strahlenbündel (10; 10'; 10") während des Bearbeitungsvorgangs aufweist.
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