DE2416436A1

DE2416436A1 - Lasersystem

Info

Publication number: DE2416436A1
Application number: DE2416436A
Authority: DE
Inventors: Edward Valentine Locke
Original assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Current assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-04
Publication date: 1974-10-24
Also published as: DE2416436C2; FR2224902A1; JPS503591A; SE399326B; IL44499A0; IT1011215B; JPS5744038B2; CH591171A5; GB1467152A; CA996383A; US3848104A; FR2224902B1; IL44499A

Description

Avco Everett Research Laboratory, Inc., Everett, Mass./ USA

Lasersystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls im Ausgang mit einem vorbestimmten Intensitätsprofil über dem Laserstrahl. Sie ist besonders geeignet für die Wärmebehandlung von Zieloberflächen und insbesondere zum Einsatzhärten von Zieloberflächen aus Metall.

Metalle werden auf verschiedene Weise zu verschiedenen Zwecken wärmebehandelt. Zum Beispiel wird eine Feder dadurch stärker gemacht,, daß sie über ihre kritische Temperatur erwärmt und dann gekühlt wird. Ein Gelenk oder eine Welle kann mit Hilfe einer Anzahl von Techniken gehärtet werden, so daß sie weniger Verschleiß aufweisen. Eine Technik besteht darin, die Welle in einer Atmosphäre

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eines ausgewählten Gases oder in Flüssigkeit zu erwärmen, so daß sich Materialien durch das Gas oder die Flüssigkeit der Metalloberfläche der Welle auflösen und eine harte Oberfläche ergeben. Die Tiefe dieses Härtens hängt von der Temperatur und von der Zeitdauer ab, während welcher das Werkstück der Atmosphäre ausgesetzt wird. Dies ist ein übliches Verfahren und wird Einsatzhärten genannt. Drei allgemein verwendete Arten von Einsatzhärten sind Karbonisieren, Nitrierhärten und Zyanhärten. Eine Stahlwelle wird z.B. dadurch einsatzgehärtet, daß die Welle in einer Atmosphäre von CO₂ auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 927 C erwärmt wird. Bei dieser Temperatur wird die Welle dem C0_-Gas während der Dauer einer oder zwei Stunden ausgesetzt und dann ab-' geschreckt. Geringe Mengen Kohlenstoff werden auf der Oberfläche des heißen Metalls freigesetzt und in dem Metall gelöst. Beim Abschrecken wird der Kohlenstoff ein Teil der Kristallstruktur des Metalls an der Oberfläche.

Einsatzhärten kann auch durch Induktionserwärmung durchgeführt werden. Eine das einsatzzuhärtende Metallstück umschließende Induktionsspule induziert ein elektromagnetisches Feld und Ströme in dem Metall, welche nur entlang der Oberfläche fließen, so daß die Oberfläche des Metallstücks bevorzugt erwärmt wird. Wenn die Oberfläche so über die kritische Temperatur erwärmt ist und dann das Metallstück abgeschreckt wird, wird nur die Oberfläche des Metallstücks gehärtet. Es ist klar , daß die konventionellen Techniken zum Einsatzhärten, ob nun ein Metallstück in einer ausgewählten gasförmigen Atmosphäre wie beim Karbonisierverfahren erwärmt wird, oder ob nur die Oberfläche des Metallstücks durch Induktion selektiv erwärmt wird, recht begrenzt bezüglich Form und Größe der auf diese Weise einsatzhärtbaren Teile ist. Zum Beispiel wäre es sehr schwierig, nur ausgewählte Teile der Oberfläche einer Welle zu härten, wenn entweder die Karbonisiertechnik oder die Induktionserwärmungstechnik verwendet würden. So können mit diesen konventionellen Techniken unregelmäßig geometrische Formen oder ausgewählte Teile eines Metallstücks nicht bevorzugt gehärtet

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werden. Weiter sind die Möglichkeiten der Steuerung der Tiefe des Einsatzhärtens recht begrenzt,ob nun die Karborisiertechnik oder die Indüktioriserwärmungstechnik Verwendung findet.

Kürzlich ist vorgeschlagen worden, die Oberfläche eines Metallstücks selektiv dadurch zu erwärmen, daß ein Hochleistungslaserstrahl über Bereiche der Oberfläche, welche mit einem zum Absorbieren der Energie des Strahls ausgewählten Material behandelt sind, zu richten. Die Vorteile dieser Technik bestehen darin, daß ausgewählte Bereiche der Oberfläche des Metallstücks mit dem Material überzogen werden können, so daß, wenn der Strahl über die Oberfläche streicht, nur die mit dem Material bedeckten Bereiche erwärmt werden. Der abtastende Laserstrahl erwärmt selektiv die Oberfläche des Metallstücks auf eine Temperatur über der kritischen Temperatur, ohne daß die Materialtemperatur des Metallstücks so angehoben wird, daß ernste Verformungen oder andere ungünstige Wirkungen der Erwärmung bewirkt werden. Der Strahl kann so gesteuert werden, daß die Oberfläche des Metallstücks über die kritische Temperatur auf eine Tiefe von nur einigen Tausendstel cm oder weniger erwärmt wird. Hierauf erfolgt das Abschrecken der Oberfläche durch Leiten der Wärme aus der Oberfläche in das Basismetall. Da die von dem Laserstrahl erwärmte Oberflächenschicht so dünn ist, erfolgt das Leitungsabschrecken sehr schnell.

Typischerweise ist ein Hochleistungslaserstrahl ein Nadelstrahl mit sehr geringem Durchmesser. Die Intensitätsverteilung über dem Durchmesser dieses Strahls, welche auch Intensitätsprofil oder Intensitätsform des Strahles genannt wird, hängt sehr stark von der Art des Lasers ab. Ein übliches Profil oder eine Strahlform ist die Form einer Gauss¹sehen Vertexlung _f und bei manchen Lasern ist der Nadelstrahl ringförmig, so daß in diesem Fall das Intensitätsprofil ü-förmig ist. Es ist klar, daß , ob die Strahlform einer Gauss¹sehen Verteilung entspricht oder U-förmig ist, jeder Änderung in der charakteristischen Abmessung durch z.B. Fokussieren des

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Strahls nur die Größe des Querschnitts des Strahls, nicht aber die Intensitätsverteilung des Strahles ändert. Wenn der auf die Oberfläche eines Metallstücks- gerichtete abgelenkte Laserstrahl die Form einer ausgeprägten Gauss'sehen Verteilung hat,ist es ohne weiteres verständlich, daß die Erwärmung der Metalloberfläche in der Mitte des Strahls wesentlich intensiver als die Erwärmung an den Kanten des Strahls sein wird. Wenn ein solcher Strahl wiederholt über die Metalloberfläche abgelenkt wird, wie z.B. in einer rasterartigen Abtastung der Oberfläche,und wenn sich die Abtastungen nicht überlappen, wird die Oberfläche nicht gleichmäßig erwärmt, und die Tiefe des Härtens wird so nicht über den gesamten Bereich der von dem Laserstrahl überstrichenen Metalloberfläche gleichmäßig sein. Wenn andererseits wiederholte Abtastungen des Laserstrahls auf der Oberfläche des Metalls einander überlappen, wird der Teil einer gegebenen Abtastung, welcherbei der nächsten Abtastung des Strahls überlappt wird, sich zwischen den Abtastungen etwas abkühlen und wird so entweder nicht ausreichend erwärmt, um die Temperatur über die kritische Temperatur anzuheben, oder das erneute Erwärmen durch die unmittelbar folgende Abtastung wird das Metall an der Oberfläche ausglühen, wo die wiederholten Abtastungen einander überlappen,und so die Härtewirkung in den überlappenden Bereichen zunichte machen. Das Ergebnis ist, daß das Härten der abgetasteten Metalloberfläche nicht gleichmäßig in der Härte und in der Tiefe der Härtung ist.

Eine Art von Hochleistungslaser ist ein über einen Elektronenstrahl eingespeister Gasströmungs-CO₂-Laser. Ein Laser dieser Art ist in der US-PS 3 7O2 973 beschrieben. Derartige Laser erzeugen einen ringförmigen Nadelstrahl mit einer Energie in der Größenordnung von 1OkW, so daß diese Laser zum Erwärmen der Oberfläche eines Metallstücks für das Einsatzhärten der Oberfläche geeignet sind. Der Strahl von diesen Lasern ist ringförmig in der Form, ausgenommen am Brennpunkt des Strahls, wo die Strahlcharakteristiken die eines Fraunhofer'sehen Beugungsmusters mit einem zentralen Kern sind, welcher überall von 10 bis 80 % der Energie des Strahles enthält,

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während der Rest der Strahlenenergie in konzentrischen Airy-Ringen um den zentralen Kern enthalten ist. Die Xntensitätsverteilung an Stellen des Strahles außerhalb des Brennpunkts hängt von dem Divergenzwinkel des Strahls und dem Ringverhältnis ab. Im allgemeinen enthält die Intensitätsverteilung oder das Profil dieses Strahles immer Ringe um ein zentrales Maximum, wie auch die Möglichkeit einer Depression in der Mitte des Strahls infolge der Nahfeld-Ringcharakteristiken des Strahls. In allen Fällen hängt die Intensitätsvertei lung oder die Form des Strahls von der Art des Laseroszillators ab, welcher verwendet wird, und von dem Ort entlang des Strahles relativ zu dem Brennpunkt. Sehr oft ist jedoch das Intensitätsprofil nicht ideal für die gleichmäßige Erwärmung der Oberfläche eines Metallstücks zum Einsatzhärten der Oberfläche. Eines der Ziele der Erfindung ist es, eine Technik zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einem Intensitätsprofil zu schaffen, welches auf eine gewünschte Form im Hinblick auf die Verwendung des Strahles, welche beabsichtigt ist, zugeschnitten ist.

Dieses Ziel wird mit einem Lasersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Einrichtungen zum räumlichen derartigen Pendeln (Zittern) des Laserstrahls in dem System über einen gegebenen räumlichen Weg vorgesehen sind, daß die mittlere Strahlungsintensität an Punkten entlang wenigstens eines Töils des Weges ein Intensitätsprofil des gependelten Strahles ergibt, welches im wesentlichen dem vorbestimmten Intensitätsprofil entspricht.

Die Einrichtungen zum räumlichen Pendeln des Hochleistungslaserstrahls können auch als Einrichtungen zum zitternden Bewegen des Strahls bezeichnet werden. Das räumliche Pendeln des Strahles kann charakteristisch sinusförmig oder sägezahnförmig oder rechteckwellenförmig sein, oder es kann jede andere besondere Charakteristik gewählt werden. Der Zweck des räumlichen Pendeins oder zitternden Bewegens des Strahls besteht darin, eine mittlere Strahlungsintensität an jedem Punkt über der von dem zitternd bewegten Strahl

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überstrichenen räumlichen Konfiguration zu schaffen und so ein vorbestimmtes Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls zu erzeugen. Es ist klar, daß das Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls von dem Intensitätsprofil oder der Form des ursprünglichen Strahls und den Eigenschaften der Zitterbewegung abhängt.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, welche hier beschrieben wird, hat der ursprüngliche Laserstrahl ungefähr eine Gauss"sehe Verteilung in seinem Brennpunkt,und das räumliche Pendeln oder die Zitterbewegung ist sinusförmig. Im einzelnen wird die Zitterbewegung erzeugt durch einen ebenen Spiegel, welcher auf einer Achse parallel zu der Ebene des Spiegels und quer zu der Ebene der Zitterbewegung oder des räumlichen Pendeins hin- und hergependelt wird. Die Querschnittsabmessung des mit diesem Aufbau erzeugten zitternd bewegten Strahls ist wesentlich größer als der ursprüngliche Strahlend wenn der Strahl auf das Ziel projiziert wird, wie z.B. auf die Oberfläche eines wärmezubehandelnden Metallstücks, überdeckt der zitterndbewegte Strahl einen wenigstens dreimal so großen Bereich, als er von dem gleichen Strahl ohne Zitterbewegung überdeckt würde. Die Zitterfrequenz ist genügend hoch, daß die Metalloberfläche nicht auf die Hochgeschwindigkeitsbewegung des Strahls anspricht, jedoch auf die mittlere Intensität des Strahls an jedem Punkt der Projektion des zitternd bewegten Strahls auf die Metalloberfläche anspricht. In dem Fall, daß der ursprüngliche Laserstrahl eine Gauss'sehe Intensitätsverteilung hat und die Zitterbewegung sinusförmig ist, ist die mittlere Intensität an jedem Punkt über dem auf die Metalloberfläche projizierten,zitternd bewegten Strahl weitgehend flach im mittleren Bereich , jedoch mit scharfen Spitzen an den entgegengesetzten Enden . Diese Spitzen oder Flügel können durch eine blockierende oder sperrende Öffnung zwischen dem Zitter-Spiegel und der Metalloberfläche entfernt werden. Der scharfkantige Strahl, welcher aus der sperrenden öffnung austritt,kann durch einen auf geeignete Weise angeordneten Satz von Abbildungsoptiken auf dem Werkstück abgebildet werden. Das resultierende Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls auf der Metalloberfläche ist dann gleich

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einer Rechteckwelle, welche oben flach ist, und an den Kanten scharf abfällt. Dies ist ein ideales Intensitätsprofil zum Überstreichen einer Metalloberfläche mit dicht nebeneinander benachbart angeordneten Abtastungen zum gleichmäßigen Erwärmen der Oberfläche über dem überstrichenen Bereich, Zeile um Zeile, durch den zitternd bewegten Laserstrahl. Eine ähnliche Behandlung eines ringförmigen Strahls führt zu analogen Ergebnissen.

Für besondere Anwendungsfälle kann es zweckmäßig sein, daß das Intensitätsprofil über den zitternd bewegten Laserstrahl ein anderes als eine Rechteckwelle ist. Zum Beispiel kann es zweckmäßig sein, daß das Intensitätsprofil über den zitternd bewegten Strahl eine Sägezahnform hat. In diesem Fall wäre die Zitterbewegung nicht sinusförmig, sondern hätte eine Wellenform, die so gewählt ist, daß der Laserstrahl mehr Zeit für die eine Auslenkung in jedem Zyklus der Zitterbewegung als für die entgegengesetzte Auslenkung hat. Das Intensitätsprofil des zitternd bewegten Laserstrahls kann auch dadurch im wesentlichen ringförmig in der Form gemacht werden, daß zwei orthogonal zueinander orientierte Zitter-Spiegel verwendet und in geeigneter Phasenverschiebung zueinander, insbesondere 90 Phasenverschiebung angetrieben werden, so daß der Laserstrahl so zitternd bewegt wird, daß er sich auf einem Kreis oder anderen Lissajous-Figuren bewegt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese im folgenden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben. Inder Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems zum zitternden Bewegen eines Laserstrahls, Formen des Intensitätsprofils des zitternd bewegten Strahls und Ablenken des zitternd bewegten Strahls vor und zurück über ein sich bewegendes Werkstück,

Fig. 2 eine bildliche Darstellung eines Teils des in Fig.1

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gezeigten Systems zur Darstellung der relativen Richtungen der Zitterbewegung, der Ablenkung des zitternd bewegten Strahls und der Bewegung des Werkstücks,

Fig. 3 ein typisches Intensitätsprofil eines Hochleistungslaserstrahls mit einer Gauss'sehen Verteilung,

Fig. 4 das Intensitätsprofil über dem zitternd bewegten Laserstrahl und einen Teil hiervon,welcher durch eine Öffnung zwischen dem Zitter-Spiegel und dem Werkstück gesperrt ist , sowie die sinusförmige räumliche Schwingung oder Pendelung, welche dieses Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls erzeugt,

Fig. 5 ein sägezahnförmiges Intensitätsprofil, welches durch den gleichen Strahl wie in Fig. 3 erzeugt wird, jedoch zitternd bewegt unter Verwendung einer nicht sinusförmigen Zittercharakteristik,

Fig. 6 ein typisches Intensitätsprofil eines ringförmigen oder hohlen Laserstrahls,

Fig. 7 eine graphisches Darstellung der Härte über der Tiefe für eine Materialprobe aus Gußeisen,

Fig. 8 ein hutförmiges Intensitätsprofil eines zitternd bewegten Laserstrahls unter Verwendung einer nicht sinusförmigen Zittercharakteristik,

Fig. 9 ein Laserstrahlprofil und doppelte Zitterbewegungen oder Zitterbewegungen in X- und Y-Richtung,

Fig. 10 eine schematische und bildliche Darstellung eines Doppelzittersystems, und

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Fig. 11 eine Kardanaufhängung zum Ablenken eines einfach oder doppelt zitternd bewegten Strahls über das Werkstück in jedem gewünschten Muster.

Der mit der Erfindung verwendete Hochleistungslaser erzeugt einen divergierenden ringförmigen Laserstrahl, welcher von einem an einem aerodynamischen Fenster vorgesehenen Brennpunkt divergierend verläuft. Das aerodynamische Fenster isoliert den Laseraufbau von der in Fig. 1 gezeigten externen Optik. Der Laserstrahl 1 in dem Lasergehäuse wird am Brennpunkt 2 in dem aerodynamischen Fenster 3 fokussiert. Der Brennpunkt 2 ist der primäre Brennpunkt und wird durch einen äußeren Spiegel A als ein viel größerer ,sog. sekundärer Brennpunkt 5 in einer entsprechenden Position wieder abgebildet. Zwischen dem wiederfokussierenden Spiegel 4 und dem sekundären Brennpunkt befindet sich ein Zitter-Spiegel 6, welcher auf einem Torsionsstab 7 oder einer anderen Feder- oder Lagerbefestigung angebracht ist und von einer elektromechanischen Antriebseinrichtung 8 mit einer vorbestimmten Frequenz in Schwingung gesetzt wird, welches die natürliche Schwingfrequenz des Torsionsstabes oder der Feder sein kann. Der Zitterantrieb ist derart, daß der Zitter-Spiegel 6 um eine Achse 9 im wesentlichen in der Ebene des Spiegels und quer zu dem von dem Spiegel 4 fokussierten einfallenden Laserstrahl schwingt. So pendelt oder schwingt der Laserstrahl von dem Zitter-Spiegel auf einer Bogenlinie, welche quer zur Zeichenebene in Fig. 1 verläuft.

Der zitternde Strahl von dem Spiegel 6 verläuft durch eine Öffnung 10 am zweiten Brennpunkt 5 und dann zu einem zweiten fokussierenden Spiegel 11 und von diesem zu einem Ablenk-Spiegel 12, welcher relativ langsam um seine Achse 13 pendelt, wenn er von einem Mechanismus 15 angetrieben wird, und bewirkt, daß der Strahl abtastend über einen Bogen 15 vor-und zurückgeführt wird. Die Ablenkfrequenz des Spiegels 12 ist wesentlich geringer als die Zitterfrequenz des Spiegels 6. Die Achse 13 des Spiegels 12 kann quer oder parallel zu der Zeichenebene in Fig. 1 angeordnet sein.

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Die Ablenkfrequenz des Spiegels 12 wird mit der Bewegung des Werkstücks 16, auf welches der zitternd bewegte Strahl gerichtet wird, synchronisiert. Dieser Synchronismus berücksichtigt auch die Abmessungen des zitternd bewegten Strahls, wie er auf das Werkstück projiziert wird. Dies ist in Fig. 2 gezeigt, welche eine bildliche Darstellung des fokussierenden Spiegels 11, des Ablenk-SpLegels 12 und des Werkstücks 16 ist. Der Strahl von dem Ablenk-Spiegel 12 streicht über einen Zielbereich 17 auf dem Werkstück. Das Werkstück wird in Richtung eines Pfeils 18 bewegt, welcher senkrecht zu der Ablenkung des zitternd bewegten Strahls und parallel zu der durch einen Pfeil 19 dargestellten Zitterrichtung ist. Durch geeignete Einstellungen der Größe des zitternd bewegten Punktes, dargestellt durch einen langgestreckten Punkt 21, der Ablenkfrequenz des Ablenk-Spiegels 12 und der Geschwindigkeit des Werkstücks in Richtung des Pfeils 18 erfolgt ein vollständiges Überstreichen des abgetasteten Zielbereichs 17 des Werkstücks. Dieses Überstreichen ist in Fig. 2 durch die durchgehenden Linienzüge 22 bis 2 5 dargestellt, welche nebeneinander liegende Abtastungen des zitternd bewegten Laser-Punkts 21 darstellen. Der zitternd bewegte Strahl schwingt dann sehr abrupt in eine untere Position 26 und ist bereit für die nächste Abtastung nach oben. Die plötzlichen Rückführζ eilen von jedem der nebeneinander durchgeführten Abtastungen zu der nächsten Abtastung sind durch gestrichelte Linien 27 dargestellt. Wie klar zu sehen ist, streicht der abtastende ,zitternd bewegte Punkt 21 von dem Spiegel 12 kontinuierlich über den gleichen räumlichen Bogen, wie er durch die Linie des Bogens 15 dargestellt wird, und diese Abtastung erfolgt von einer Position 31 zu einer Position 32 des zitternd bewegten Strahls mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit. Um dicht aneinander angrenzende benachbarte Abtastungen entsprechend den Linienzügen 22 bis 25 in Fig. 2 zu erhalten, sollte die Abtastzeit des zitternd bewegten Strahls von der Unterseite bis zur Oberseite jeder Abtastung mal der Geschwindigkeit des Werkstücks in Richtung des Pfeils 18 gleich der Breite D des zitternd bewegten Laserstrahls sein. Weiter muß der Strahl von dem oberen Ende der Abtastung zum unteren Ende in Bereitschaft für die nächste Abtastung nach oben während einer Zeitdauer

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viel kürzer als die Abtastzeit zurückbewegt werden, so daß 'sich das Werkstück 16 nicht wesentlich bewegt hat. Gleichzeitig darf der zitternd bewegte Laserstrahl nicht zurückgeführt werden, sich nicht über eine fertige Abtastung bewegen oder diese überlappen, es sei denn mit einer sehr hohen Geschwindigkeit , welche wesentlich höher als die Abtastgeschwindigkeit ist. Einige Techniken, um dies zu erreichen, sind kurz beschrieben folgende: 1) wie in Fig. 2 dargestellt, kann der zitternd bewegte Laserstrahl während des Rückführens abgeblendet oder blockiert werden.2) Ohne ein Abblenden des Strahls kann das Rückführen bei einer sehr hohen Geschwindigkeit verglichen mit der Abtastung erfolgen, so daß die zusätzliche durch das Rückführen des Strahles im Abtastbereich abgegebene Strahlungsenergie unwesentlich ist. Diese schnelle Rückführung läßt sich durch einen entsprechend geformten Nocken 41 erreichen. Ein Beispiel einer solchen Nockenform ist eine archimedische Spirale, welche eine lineare Ablenkung mit einer schnellen Rückführung ergibt. Wenn eine schnelle Rückführung verwendet wird, sind Zahnräder 48 und 49, Welle 47 und Scheibe 38 nicht erforderlich und können weggelassen werden.3)Die langsamen Abtastungen gefolgt von schneller Rückführung können mit einer intermittierenden Bewegung des Werkstücks in Richtung des Pfeils 18 synchronisiert werden, so daß sich das Werkstück relativ langsam während einer Abtastung und schnell während der Rückführung bewegt, mit dem Ergebnis, daß die Abtastungen nebeneinander und unmittelbar benachbart wie in Fig. 2 dargestellt angeordnet sind. 4) Der Ablenk-Spiegel und der Mechanismus 14 für den Antrieb des Ablenk-Spiegel.s können derart sein, daß der von dem abtastenden, zitternd bewegtenStrahl während des Rückführens gebildete räumliche Bogen nicht der gleiche ist, wie der von dem Strahl während einer Abtastung durch-laufene Bogen. Zum Beispiel kann der Ablenk-Spiegel 12 um seine Achse 13 gekippt werden, um eine Abtastung entlang beispielsweise dem Linienzug 25 von der unteren Position 2 6 in eine obere Position entsprechend dem Punkt 21 der Abtastung zu erzeugen, und dann würde der Spiegel 12 um eine andere Achse kippen oder die Achse 13 würde sich verschieben und der Spiegel 12 schnell um die neue Achse gekippt werden,

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um die Rückführung entsprechend der Linie 27 zu erreichen. 5) Der fokussierende Spiegel 11 könnte um eine Achse 35 in einer durch einen Pfeil 36 angedeuteten Richtung gerade während des Rückführungszyklus gekippt werden, um den zitternd bewegten Strahl am Ende der Rückführung zu der Unterseite des abgetasteten Bereichs unmittelbar benachbart und entlang der vorher durchgeführten Abtastung und bereit für die nächste Abtastung zurückzuführen. In diesem Punkt würde der fokussierende Spiegel 11 in seine ursprüngliche Position während der nächsten Abtastung durch den Ablenk-Spiegel 12 zurückgeführt. Es ist klar zu erkennen, daß diese Technik Synchronismus zwischen dem Antrieb für den fokussierenden Spiegel 11 und dem Antrieb des Ablenk-Spiegels 12 erfordert.

Dies ist lediglich eine der Techniken, welche angewendet werden kann, um sicherzustellen, daß der von jeder der aufeinanderfolgenden Abtastungen des zitternd bewegten Laserstrahls, z.B. entlang der Linienzüge 22 bis 25,*eine Laserbestrahlung von durchgehend gleichmäßiger Intensität erhält, so daß die Oberfläche des derart überstrichenen Werkstücks durch den abtastenden, zitternd bewegten Laserstrahl gleichmäßig auf eine gleichmäßige Tiefe erwärmt wird. Fig. 2 zeigt den synchron mit dem antreibenden Mechanismus 14 für den Ablenk-Spiegel 12 angetriebenen mechanischen Aufbau zum Sperren des zitternd bewegten Laserstrahls zwischen der Öffnung 10 und dem fokussierenden Spiegel 11 derart, daß der Strahl während des Rückführens oder wenigstens unmittelbar folgend auf die Rückführung mit hoher Geschwindigkeit gesperrt wird, welche ausreicht, daß das Werkstück verschoben wird, bis der Strahl für den Beginn einer weiteren Abtastung bereit ist. Dieser Mechanismus 37 enthält eine abblendende Scheibe 38, welche synchron mit dem antreibenden Mechanismus 14 für den Ablenk-Spiegel 12 gedreht wird. Der antreibende Mechanismus 14 enthält einen Antriebsmotor 39, welcher einen Nocken 41 in Kontakt mit einer Schwenkstange 42 für den Ablenk-Spiegel antreibt. Im Betrieb bewegt sich, wenn der'Nocken in Richtung einesPfeils 43 gedreht wird, die Schwenkstange 42 vor und zurück und schwenkt den Spiegel 12 gegen die Wirkung einer Feder 44. Die in Fig. 2 dar-

3tüberdeckte Bereich

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gestellte Position dieses Nockens ist die am Ende einer Abtastung, wobei sich die Schwenkstange 42 an der Stufe 45 des Nockens befindet. Wenn sich der Nocken durch diese Stufe dreht, schwingt der Spiegel 12 sehr plötzlich den Strahl vom oberen Ende des abgetasteten Zielbereichs 17 des Werkstücks über den Rückführungsweg längs der Linie 27 nach unten. Das Abtasten wird dann angehalten, während sich das Werkstück genügend bewegt, um den zitternd bewegten Strahl in die richtige Position für die nächste Abtastung zu bringen, und während dieser Pause wird der Strahl vorzugsweise abgelenkt, so daß er nicht weiter auf einem Bereich des Werkstücks spielt, ehe die nächste Abtastung beginnt. DerStrahl wird während dieser Zeitdauer durch die abblendende Scheibe 38 abgeblendet, welche sich auf der Welle 47 mit dem Zahnrad 48 dreht. Das Zahnrad 48 wird durch das entsprechende Zahnrad 49 in Form eines Kegelrades auf der Welle von dem Nocken 41 angetrieben. Wenn sich der Nocken in Richtung des Pfeiles 43 dreht, dreht sich die Scheibe 38 in Richtung eines Pfeils 51. Der Synchronismus ist derart, daß beim oder unmittelbar folgend auf die Schwenkung des Ablenk-Spiegels 12 beim Rückführen die Scheibe 38 den Laserstrahl während des folgenden halben Zyklus der Umdrehung des Nockens abblendet, zu welcher Zeit der Strahl dann am unteren Ende des abgetasteten Bereichs des Werkstücks und in einer Position für den Beginn der nächsten Ablenkung ist.

Der mittlere Intensitätsgradient über den zitternd bewegten Laserstrahl (über die Abmessung D des zitternd bewegten Strahls) wird grundsätzlich durch die Wellenform der Zitterschwingung, welche den Spiegel 6 antreibt, bestimmt. Wie oben beschrieben worden ist, hängt dieses mittlere Intensitätsprofil auch von dem Profil des ursprünglichen Laserstrahls ab. Als Regel wird jedoch das mittlere Intensitätsprofil über dem zitternd bewegten Strahl Spitzen oder Flügel an den Enden zeigen,und diese sind unerwünscht, wenn es der Zweck des zitternd bewegten Strahles ist, ein Muster wie in Fig. 2 gezeigt auf einem Werkstück zu überstreichen und eine gleichmäßige Erwärmung mit gleichmäßiger Tiefe in dem überstrichenen Bereich des

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Werkstückes zu erzeugen. Diese Flügel oder Spitzen 55 in Fig. 4 können durch die Öffnung 10 gesperrt werden. Diese Öffnung kann variabel gemacht werden, so daß in jedem Falle durch Ändern dieser Öffnung Einstellungen vorgenommen werden können, um das Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls zu beschneiden.

Das in Fig. 4 dargestellte Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls wird erreicht durch Verwendung eines ursprünglichen Strahls mit einem angenäherten Gauss'sehen Intensitätsprofil, welcher um einen Abstand von etwa 5 mal dem ursprünglichen Strahldurchmesser gependelt wird, wobei die charakteristische Zitterwellenform sinusförmig ist. Wenn die natürliche Punktgröße des Laserstrahls in dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten System, während der Strahl ohne Zitterbewegung und ohne Ablenkbewegtung auf das Werkstück projiziert wird, in der Größenordnung von etwa 4,76 mm im Durchmesser ist, würde die Abmessung D des zitternd bewegten Strahles auf dem Werkstück in der Größenordnung von etwa 2 5,4 mm sein. In diesem Falle würde die Gesamtabmessung der Zitterbewegung bei weggelassener Öffnung 10 größer als etwa 25,4 mm sein, da die Öffnung die Intensitätsspitzen an den Enden des zitternd bewegten Strahls, wie in Fig. 4 gezeigt, entfernt.

Während als Beispiel ein Strahl mit einer Gauss'sehen Intensitätsverteilung dargestellt worden ist, versteht es sich, daß die Erfindungnichtauf Strahlen mit einer solchen Intensitätsverteilung beschränkt ist. So kann ein ringförmiger Strahl mit einem Intensitätsprofil wie in Fig. 6 dargestellt zitternd bewegt werden, um wenigstens im wesentlichen nicht genau das gleiche Intensitätsprofil zu erzielen, wie es in Fig. 4 gezeigt und beschrieben worden ist.

Als ein Beispiel für die Verwendung des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Aufbaus kann ein Werkstück betrachtet werden, welches aus Gußeisen ist, und dessen Zielbereich ein glatter Oberflächenbereich des Gußeisens überzogen mit einem Material wie Manganphosphat ist, welches für 10,6 Mikron Strahlung stark absorbierend ist.

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Wenn der ursprüngliche Laserstrahl ein Strahl mit kontinuierlicher Welle von 10,6 Mikron Wellenlänge von einem Lasersystem wie oben beschrieben ist, und die Strahlleistung etwa 10 kW ist, während die Zitterfrequenz 300 Hz und die Ablenkgeschwindigkeit über die Oberfläche des Werkstücks etwa 5,08 m/min ist, ergibt sich ein wesentliches Härten der Oberfläche. Wenn z.B. die Härte der Oberfläche des Gußeisens etwa 30 auf der Rockwell-C-Skala vor der Behandlung war, so hat sich gezeigt, daß die Oberflächenhärte nach der Behandlung auf 55 bis 60 auf der gleichen Rockwell-C-Skala angestiegen war, und dies ist etwa so hart, wie dieses Material überhaupt gemacht werden kann. Eine graphische Darstellung der Härte über der Tiefe in einer solchen Gußeisenoberfläche ist in Fig. 7 gezeigt. Wie zu erkennen ist, erstreckt sich die Härte in die Oberfläche hinein etwa 0,38 mm (0,015 Zoll). Diese Behandlung erfordert kein Abschrecken, weil nur ein sehr geringer Teil des Gußeisens über die kritische Temperatur des Gußeisens erwärmt wird, und weil dieser erwärmte Teil ein sehr großes Verhältnis Oberfläche zu Volumen hat, kühlt er sich nach dem Durchgang des Strahles sehr schnell ab, wodurch -eine Oberflächenhärte erreicht wird, welche ebenso groß ist, wie sie bisher mit üblichen Techniken durch Erwärmen gefolgt von Abschrecken erreicht werden konnte.

Das Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahles kann so beschnitten werden, daß es fast jede beliebige Form hat. Die inFig. gezeigte Form des Intensitätsprofils ist verwendbar für die Wärmebehandlung einer Metalloberfläche, um die Oberfläche wie oben beschrieben gleichmäßig zu härten. Das Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls kann auch so geformt werden, daß es die in Fig. 5 gezeigte Form hat. Dies ergibt angenähert ein Sägezahn- oder Rampenprofil, wenn die Flügel an den Enden durch eine Öffnung gesperrt werden. Statt z.B. den Zitter-Spiegel sinusförmig zu bewegen, was dazu führt, daß ein niedriger Punkt in der Mitte und Spitzen an den Kanten sind, kann das in Fig. 5 gezeigte näherungsweise sägezahnförmige Profil mit geeigneten, den Spiegel tragenden Befestigungen und einem Signalformnetzwerk zum Einspeisen eines elektromechanischen

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Betätigungsgliedes erzeugt werden, welche den Torsionsstab 7 und die mechanische Antriebseinrichtung 8 für den Torsionsstab ersetzen. Zum Beispiel kann der Zitter—Spiegel 6 in einem sich drehenden Lager und direkt durch ein elektromechanxsches Betätigungsglied angetrieben werden, welches durch elektrische Impulse von dem Netzwerk eingespeist wird, wobei diese Impulse derart vorgeformt sind, wie es erforderlich ist, um den gewünschten Zitterzyklus zu erhalten. Als weiteres Beispiel läßt sich das hutförmige Intensitätsprofil des zitternd bewegten Strahls, wie in Fig. 8 gezeigt, erreichen, wenn ein besonders geformter Einspeiseimpuls mit Impulsspitzen auf beiden Seiten verwendet wird. Dieser würde bewirken, daß das elektromechanx sehe Betätigungsglied den Zitter-Spiegel 6 derart antreibt, daß der Spiegel seine Richtung von im Uhrzeigersinn zu gegen den Uhrzeigersinn sehr schnell ändern und dann eine konstante Geschwindigkeit während der weiteren Drehung des Spiegels bei Beendigung des Zitter-Zyklus beibehalten würde.

Die oben beschriebenen Techniken ergeben einen zitternd bewegten Laserstrahl, bei welchem die Zitterbewegung in einer Richtung quer zum Strahl erfolgt, während der zitternd bewegte Strahl zum Überstreichen eines Werkstücks quer zur Zitterrichtung veranlaßt wird. Der Strahl kann auch in zwei orthogonalen Richtungen wie in Fig. 9 gezeigt, gependelt werden, wobei zwei orthogonal gependelte Zitter-Spiegel wie in Fig. 1O gezeigt verwendet werden, um auf der Oberfläche eines Werkstücks einen großen Strahlbereich mit einem im wesentlichen flachen Intensitätsprofil über dem Strahlbereich in jeder Richtung zu erhalten.

Das System in Fig. 1O enthält einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Systems. Es enthält das aerodynamische Fenster 3, den fokussierenden Spiegel 4 und den auf dem Torsionsstab 7 befestigten Zitter-Spiegel 6, welcher von einem Betätigungsglied 60 so angetrieben wird, daß dieser Spiegel um die Achse 9 schwingt. Dieses ist das X-Zittersystem 61, welches bei 62 einen in X-Richtung zitternd bewegten Strahl erzeugt. Ein ähnliches Zitter-System, das Y-Zitter-

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system 63,bewegt den Strahl zitternd in der Y-Richtung, so daß ein auf ein Werkstück 65 projezierter, doppelt zitternd bewegter Strahl 64 einen großen Punkt 66 erzeugt, welcher wesentlich größer sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung ist, als der ohne Zitterbewegung auf das Werkstück projezierte Punkt 67.

Das Y-Zittersystem 63 enthält einen Zitter-Spiegel 71, welcher auf einem Torsionsstab 72 befestigt und von einem Y-Betätigungsglied 73 so angetrieben wird, daß der Spiegel um eine Achse 74 schwingt. Die Achse 9 und 74 werden hier die X-Achse und die Y-Achse genannt. In dem gezeigten System sind die X- und Y-Betätigungsglieder 60 und 73 nicht synchronisiert und werden von verschiedenen, pulsformenden Netzwerken 75 und 76 eingespeist.

Der relativ große, im wesentlichen rechteckig oder quadratisch geformte Punkt 66 wird erzeugt, wenn X-und Y-Oszillatoren 77 und 78 verschiedene Frequenzen haben und so nicht synchronisiert sind. Wenn diese Oszillatoren durch einen einzigen Oszillator 79 ersetzt werden, welcher sowohl die X- als auch die Y-Impulsnetzwerke einspeist, wird die Form des zitternd bewegten, auf das Werkstück projezierten Punktes von der Phase der Schwingung der beiden Zitter-Spiegel 6 und 71 wie auch von der Amplitude der Zitterbewegung abhängen.

Wenn z. B. ein einziger Oszillator verwendet wird, d.h. die X- und die Y-Frequenz gleich ist, und die Zitter-Spiegel mit 90 Phasenverschiebung und gleichen Amplituden gependelt werden, wird der projezierte Punkt ein Ring sein. Wenn in dem gleichen Fall die Amplituden nicht gleich sind, wird der Punkt eine Ellipse sein. Wenn eine Frequenz zweimal so groß wie die andere ist, kann der Punkt die Form einer Acht haben. Es ist klar , daß durch Ändern der X- und Y-Zitterfrequenzen, Amplituden und Phasen alle bekannten Lissajous-Figuren erzeugt und auf das Werkstück projeziert werden können. Die doppelte Zitterbewegung, d.h . eine Zitterbewegung in zwei orthogonalen Richtungen, könnte auch mit einem einzigen Zitter-

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Spiegel erreicht werden, welcher in einer doppelten kardanischen Aufhängung befestigt ist, wobei die X-Antriebseinrichtung eine Kardanachse und die Y-Antriebseinrichtung die andere Kardanachse antreibt. Dieser Aufbau ist in Fig. 11 dargestellt. Die doppelte Kardanaufhängung 80 enthält eine äußere Kardanaufhängung 81 und eine innere Kardanaufhängung 82, welche um eine in der Kardanaufhängung 81 gehaltene Achse 83 schwenkbar ist. Der Zitter-Spiegel 84 schwenkt um eine Y-Achse 85, welche in der Kardanaufhängung 82 gehalten ist. Der X-Antrieb 86 setzt die innere Kardanaufhängung in bezug auf die äußere in Schwingung und der Y-Antrieb 87 setzt den Spiegel in bezug auf die innere Kardanaufhängung in Schwingung.

Die zwei in den Fig. 10 und 11 gezeigten Zittersysteme können auch in Kombination verwendet werden. In einer Ausführungsform würde das System nach Fig. 10 einen doppelt zitternd bewegten Strahl erzeugen, welcher in einem beliebigen Muster durch das in Fig. 11 gezeigte System über das Werkstück geführt würde. In einer anderen Ausführungsform würde das in Fig. 11 gezeigte System einen doppelt zitternd bewegten Strahl erzeugen, während das System nach Fig. 10 das gewünschte Ablenkmuster auf dem Werkstück erzeugen würde.

Die verschiedenen Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung machen alle Gebrauch von der selben Technik, d.h.davon, daß ein Laserstrahl zitternd bewegt und so der Laserpunkt verbreitert wird, wobei ein vorbestimmtes Intensitätsprofil über den verbreiterten Punkt erzeugt wird. Diese Technik, wie sie in dem hier beschriebenen Aufbau Verwendung findet, ist zweckmäßig für die Wärmebehandlung einer Metalloberfläche zum Härten der Oberfläche. Andere Techniken zum zitternden Bewegen des Laserstrahls in aner oder zwei Richtungen und zum Ablenken des zitternd bewegten Strahls über einen Zielbereich oder zum Projizieren eines stationären, zitternd bewegten Strahls auf einen Zielbereich können Verwendung finden, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen.

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Claims

Patentansprüche

f1.) Lasersystem mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls im Ausgang mit einem vorbestimmten Intensitätsprofil über dem Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen zum räumlichen derartigen Pendeln (Zittern) des Laserstrahls in dem System über einen gegebenen räumlichen Weg vorgesehen sind, daß die mittlere Strahlungsintensität an Punkten entlang wenigstens e'ines Teils des Weges ein Intensitätsprofil des gependelten Strahles ergibt, welches im wesentlichen dem vorbestimmten Intensitätsprofil entspricht.
2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegebene räumliche Weg ein Bogen gegebenen Winkels ist.
3. Lasersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das räumliche Pendeln vom einen Ende zum anderen Ende des Bogens und vom anderen Ende zum einen Ende des Bogens erfolgt.
4. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche gependelte Strahl auf eine Zieloberfläche zum Zwecke des gleichmäßigen Bestrahlens der Oberfläche auftrifft.
5. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η -

ζ e i chnet, daß die Länge D des Bogens an der Zieloberfläche wenigstens zweimal so groß wie der Durchmesser d des Strahls an der Zieloberfläche ist.
6. Lasersystem nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Sperren eines Teils des räumlich

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ORIGINAL INSPECTED

gependelten Strahls zum Eliminieren eines Teils des Strahls, welcher nicht dem vorbestimmten Intensitätsprofil entspricht.
7. Lasersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der räumlich gependelte Strahl auf eine Zieloberfläche zum Zwecke der gleichmäßigen Bestrahlung der Oberfläche auftrifft, wobei die Einrichtung zum Sperren entlang des optischen Weges des räumlich gependelten Strahls zwischen der Einrichtung zum räumlichen Pendeln und der Zieloberfläche vorgesehen ist.
8. Lasersystem nach Anspruch 1, gekennz eichnet durch eine Einrichtung zum räumlichen Ablenken des räumlich gependelten Laserstrahls.
9. Lasersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des räumlichen Pendeins und der räumliche Ablenkung orthogonal zueinander sind.
10. Lasersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der räumlichen Ablenkung wesentlich größer als die Amplitude des räumlichen Pendeins ist.
11. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß die Einrichtungen zum räumlichen Pendeln Einrichtungen zum räumlichen Pendeln des Strahles in zwei im wesentlichen orthogonalen Richtungen enthalten.
12. Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Pendelungen in den zwei Richtungen bei verschiedenen Frequenzen erfolgen, so daß das vorbestimmte Intensitätsprofil über dem räumlich gependelten Strahl in beiden Richtungen erzeugt wird.
13. Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß die räumlichen Pendelungen in den zwei Rich-

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tungen bei den gleichen Frequenzen und mit 90° Phasenunterschied erfolgen, so daß der räumlich gependelte Strahl ringförmig im Querschnitt ist.
14. Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum räumlichen Pendeln des Strahls einen an der inneren Kardanaufhängung einer doppelten Kardanaufhängung befestigten Spiegel und eine Antriebseinrichtung an den Kardanachsen zum räumlichen Pendeln des Spiegels in jeder der zweiorthogonalen Richtungen enthalten.
15. Lasersystem nach Anspruch 4 oder 7, dadurch g e k e η η ■ ζ ei chnet, daß die Zieloberfläche eine Metalloberfläche ist, welche durch den Laserstrahl einsatzzuhärten ist.

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