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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR MODIFYING THE LOCAL GRAIN STRUCTURE AT THE SURFACE OF A MATERIAL BY MEANS OF HIGH-ENERGY RADIATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1994/006596
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a method and device for modifying the local grain structure at the surface of a material in the solid or liquid phase. The surface in the zone being worked is heated to a given temperature by high-energy radiation. The temperature at this point is measured. The measured values thus obtained are modified to bring them closer to the required target values by using a control unit to modify the rate of emission of energy from the high-energy radiation source. Following the heating phase, the rate of cooling of the material is determined by measuring the temperature of the surface of the material, in the zone being worked, at at least two different points in time as the material cools. The temperature of the material is controlled as it cools further by irradiating it at least once more, in the zone being worked, in such a way that a previously specified rate of cooling of the material in the zone being worked results.

Inventors:
KUEPPER FRANK (DE)
WISSENBACH KONRAD (DE)
Application Number:
PCT/DE1993/000896
Publication Date:
March 31, 1994
Filing Date:
September 18, 1993
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
KUEPPER FRANK (DE)
WISSENBACH KONRAD (DE)
International Classes:
B23K15/00; B23K26/00; C21D1/09; (IPC1-7): B23K26/00
Foreign References:
US4825035A1989-04-25
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Änderung der lokalen Gefügestruktur an der Oberfläche eines Werkstoffes in der festen oder flüssigen Phase, wobei die Oberfläche des Bearbeitungsortes mittels einer ersten Hochenergiebestrahlung auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird und die dort entstehende Ober¬ flächentemperatur während des Bearbeitungsprozesses gemessen wird, und ferner eine Veränderung der so gewonnenen IstWerte mittels einer Regeleinheit durch eine Änderung der Emission der Hochenergiebestrah lungsquelle in Richtung der gewünschten SollWerte durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung der Aufheizphase des Werkstoffes durch eine erste Hochenergiebestrahlung der TemperaturZeitVerlauf beim Abkühlen des Werkstoffes ermittelt wird, daß dazu an mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten die Temperatur des Werkstoffes an dem Bearbeitungsort ge¬ messen wird, und daß die Regelung des ermittelten TemperaturZeitVer¬ laufs während des weiteren Abkühlvorganges dadurch erfolgt, daß min¬ destens eine weitere Hochenergiebestrahlung des Werkstoffes am Bear¬ beitungsort in dem Maße bzw. der Dosierung erfolgt, daß ein geforderter resultierender TemperaturZeitVerlauf beim Abkühlen des Werkstoffes am Bearbeitungsort erzielt wird.
2. ? Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Elektronenstrahlung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Laserstrahlung erfolgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlungsquelle gegenüber der Werkstoffoberflä che oder die Werkstoffoberfläche gegenüber der Hochenergiebestrah¬ lungsquelle bewegt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtstrahl der Hochenergiebestrahlungsquelle in zwei oder mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, und daß die Teilstrahlen jeweils zeitlich nacheinander das Werkstück am Bearbeitungsort beaufschlagen.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsanteile der Teilstrahlen jeweils für jeden einzelnen Teilstrahl regelbar ausgeführt sind.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Teilstrahlen jeweils für jeden einzelnen Teilstrahl re¬ gelbar ausgeführt ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Abweichungen von den vorgegebenen SollGrößen in Gestalt des ge¬ forderten resultierenden TemperaturZeitVerlaufs durch die veränderbaren Intensitätsanteile und/oder die veränderbare Leistung der Teilstrahlen ausgeregelt werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Gesamtstrahl der Hochenergiebestrahlungsquelle gebildeten Teilstrahlen aus einem Primärstrahl zur Erwärmung des Werk Stoffes und aus einem oder mehreren Sekundärstrahlen zur Veränderung des resultierenden TemperaturZeitVerlaufes bestehen, und daß Primär¬ strahl und ein oder mehrere Sekundärstrahlen über ein oder mehrere Kopplungssysteme verbunden sind, und daß das Kopplungssystem be¬ züglich der Verteilung der Strahlungsanteile des Gesamtstrahls regelbar ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 , 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungssystem für Primär und Sekundärstrahlen und die Kopplungssysteme zwischen mehreren Sekundärstrahlen zur weiteren Unterteilung der Sekundärstrahlen als verfahrbare Laserstrahlteiler ausge¬ führt sind.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zu bearbeitende Werkstoff aus Keramik, Kunststoff, Glas oder Metall besteht.
12. Vorrichtung zur Änderung der lokalen Gefügestruktur an der Oberfläche eines Werkstoffes in der festen oder flüssigen Phase, wobei die Oberfläche des Bearbeitungsortes mittels einer ersten Hochenergiebestrahlung auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird und die dort entstehende Ober¬ flächentemperatur während des Bearbeitungsprozesses gemessen wird, und ferner eine Veränderung der so gewonnenen IstWerte mittels einer Regeleinheit durch eine Änderung der Emission der Hochenergiebestrah¬ lungsquelle in Richtung der gewünschten SollWerte durchgeführt wird, für ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtstrahl der Hochenergiebestrahlungsquelle mittels eines oder mehrerer Strahlteiler in wenigstens zwei oder mehrere Teilstrahlen zerlegt wird, wobei ein dabei entstehender Primärstrahl zur Erwärmung des Werkstoffes und die dabei entstehenden ein oder mehreren Sekundär strahlen zur Veränderung des TemperaturZeitVerlaufes beim Abkühlen des Werkstoffes dienen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Elektronenstrahlung erfolgt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochenergiebestrahlung durch Laserstrahlung erfolgt.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Primärstrahl und Sekundärstrahlen über ein oder mehrere Kopp¬ lungssysteme verbunden sind, und daß das Kopplungssystem bezüglich der Verteilung der Strahlungsanteile des Gesamtstrahls regelbar ausge¬ bildet sind.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Sekundärstrahlen regelbare Kopplungssyste¬ me angeordnet sind, durch die die Sekundärstrahlenanteile innerhalb der Sekundärstrahlen veränderbar sind.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12, 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungssysteme als verfahrbare Laserstrahlteiler ausgeführt sind.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Werkstoffes am Bearbeitungsort bei der Bestrah¬ lung durch die Primärstrahlen und durch die Sekundärstrahlen mit Senso¬ ren gemessen werden.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als Pyrometer oder als Photodioden ausgebildet sind.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor kontinuierlich mit dem Werkstück bewegt wird.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren jeweils einzeln der Primärstrahlung und den jeweiligen Sekundärstrahlungen zugeordnet sind.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12, 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Strahlteiler, abbildender Spiegel und Temperatursensor zu einer kompakten, modularen Strahlführungs, Strahlformungs und Me߬ einheit zusammengefaßt werden, und daß die modularen Einheiten durch eine Regeleinheit gemäß dem geforderten resultierenden TemperaturZeit Verlauf beim Abkühlen gesteuert werden.
23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der zu bearbeitende Werkstoff aus Keramik, Kunststoff, Glas oder Metall besteht.
Description:
BESCHREIBUNG

VERFAHREN ZUR ÄNDERUNG DER LOKALEN GEFUGESTRUKTUR

AN DER OBERFLÄCHE EINES WERKSTOFFES MITTELS

HOCHENERGIEBESTRAHLUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der lokalen Gefügestruktur an der Oberfläche eines Werkstoffes in der festen oder flüssigen Phase mittels Hochenergiebestrahlung mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1 beschriebenen Gattung.

Stand der Technik

Verfahren zur Änderung der lokalen Gefügestruktur an der Oberfläche eines Werkstoffes, wobei die Oberfläche des Bearbeitungsortes mittels einer Hoch- energiebestrahlung auf eine definierte Temperatur erwärmt wird, sind an sich bekannt. Für die Bestrahlung der Oberfläche der Werkstoffe von Bauteilen fin¬ den Laser Verwendung, wie beispielsweise Cθ2-Laser und Nd-YAG-Hochlei- stungslaser. Aus der DE-OS 37 26 466 ist eine Werkstückbearbeitungsvorrich¬ tung zum Oberflächenhärten von Werkstücken bekannt, die mit einem Laser, und zwar mit einem Kohlendioxidlaser, arbeitet. Diese Bearbeitungsvorrichtung besitzt eine Fokussiervorrichtung zum Bündeln des Laserstrahls auf das Werkstück und einen diesem Werkstück zugeordneten Strahlungsdetektor, der die Wärmestrahlung des erhitzten Werkstücks detektiert, und jeweils ein von der Stärke dieser Strahlung abhängiges Ausgangssignal zur Leistungssteuerung des Lasers liefert. Im Strahlengang des Lasers ist ein für die Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls durchlässiger Spiegel angebracht, der die vom Werkstück abgegebene Wärmestrahlung gesondert zu dem außerhalb des Strahlengangs angeordneten Strahlendetektor lenkt. Dieser Detektor liefert ein

der Stärke der Wärmestrahlung proportionales elektrisches Ausgangssignal, das nach Verstärkung als Ist-Wert einem Regelkreis zugeführt wird, an den der Laser angeschlossen ist. Der Regelkreis ist dann bestrebt, die Laserleistung auf einem zuvor in den Regelkreis eingegebenen Soll-Wert zu halten. Es ist also möglich, die Temperaturen in dem Bereich direkt zu messen, in dem das Werkstück auf¬ geheizt wird. Das Werkstück wird damit immer auf gleiche Temperatur gebracht, unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers.

Aus der DE-OS 3733 147 ist ein Verfahren zum Laserwärmebehandeln bekannt, das für Laserhärten, Laserweichglühen und Laserrekristallisieren von Bauteilen im festen Zustand verwendet wird. Ein Strahlungspyrometer, das isoliert nur die Wärmestrahlung einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines bestimmten Wellen¬ längenbereichs erfaßt, mißt die Oberflächentemperatur entlang eines Bearbei¬ tungsbereiches des Bauteils. Mit Hilfe eines PID-Reglers wird die Leistung eines Lasers on-line so schnell geregelt, daß die Temperatur der Oberfläche in dem Bearbeitungsbereich in einem vorgegebenen Temperaturintervall stets konstant gehalten wird. Zur Anwendung kommen auch hier Cθ2-Laser und Festkörperla¬ ser, z.B. Nd-YAG-Laser. Metalle lassen sich in vielen Fällen mit Hilfe eines CO - Hochleistungslasers an der Oberfläche von Bauteilen härten. Dieser Vorgang ist diffussionsgesteuert und damit von der Temperatur und der Zeit abhängig. Die Umwandlung von Stählen in verschiedene Gefügezustände werden in soge¬ nannten Zeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubildern zusammengefaßt. Diese Austenitisierungsschaubilder gelten für konstante Aufheizgeschwindigkeiten. Gemäß der DE-OS 37 33 147 kommt es nach der Austenitisierung beim Abküh¬ len durch Selbstabschreckung des Bauteils zur Bildung des Martensit, solange eine ausreichend große Abschreckgeschwindigkeit erreicht werden kann.

In dem geschilderten Stand der Technik werden Verfahren bzw. Vorrichtungen geoffenbart, die die Oberflächentemperatur am Bearbeitungsort der durch die Laserstrahlung erwärmten Oberfläche des Bauteils erfassen. Mit Hilfe eines PID- Reglers wird die Leistung des jeweiligen Lasers derart geregelt, daß die Tempe¬ ratur an der Oberfläche des Bauteils konstant gehalten wird. Bei hohen Aufheiz¬ geschwindigkeiten, die typisch für das Laserhärten sind, ist es möglich zu ver-

hindern, daß die Schmelztemperaturen überschritten werden. Die Verfahren nach dem Stand der Technik überwachen damit stets die Aufheizphase der Oberflächen der Werkstoffe, damit die Schmelztemperatur für lokale Aufschmel¬ zungen nicht überschritten wird.

Die Vorgänge bei der Selbstabschreckung bzw. dem Abkühlen der Werkstoffe laufen unbeobachtet ab. Es wird für das Härten lediglich eine Mindestabkühlge- schwindigkeit vorausgesetzt. Die Bildung der verschiedenen Gefügezustände des Werkstoffs ist jedoch vom Temperatur-Zeit-Verlauf abhängig. Der Tempera¬ turverlauf beeinflußt die Art der Abkühlung und je nach Verlauf kann das Gefügeergebnis des Werkstoffes sehr unterschiedlich ausfallen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein für die Massenfertigung geeignetes, einfaches und preiswertes Verfahren und eine entsprechende Vor¬ richtung dazu zu schaffen, die bei der Herstellung von Werkstoffen oder bei der Nachbearbeitung an der Oberfläche der Werkstoffe während des Bearbeitungs¬ prozesses durch Regelung definierte Randbedingungen zur Erzeugung bestimmter lokaler Gefügestrukturen an der Oberfläche geschaffen werden, so daß je nach der Beschaffenheit des Werkstoffes in weitem Umfang unterschied¬ liche lokale Gefügestrukturen an der Oberfläche erzielt werden können, dabei soll gleichzeitig erreicht werden, daß die Reproduzierbarkeit der Bearbeitungs¬ ergebnisse stets gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbil¬ dungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Merkmalen der Unter¬ ansprüche 2 bis 23 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß nach dem Ende der Aufheizphase des Werkstoffs der Temperatur-Zeit-Verlauf beim Abkühlen genau verfolgt wird, was durch entsprechende Messungen an der Oberfläche

des Bearbeitungsortes erfolgt. Dadurch wird eine weitere Führungsgröße für die Regelung des Bearbeitungsprozesses während der Abkühlphase gewonnen, zugleich ist eine on-line-Regelung der Abkühlgeschwindigkeit nunmehr möglich. Der Temperatur-Zeit-Verlauf während der Abkühlung läßt sich entsprechend den Materialgegebenheiten und den angestrebten bzw. geforderten Gefügestruktu¬ ren an der Oberfläche des Werkstoffes genau definiert steuern. Damit steigt die Qualität der Bearbeitung durch Erzielung genau definierter Gefügestrukturen am Bearbeitungsort. Aufgrund der exakten Prozeßüberwachung und Prozeßrege¬ lung ist nunmehr auch die Reproduzierbarkeit der unterschiedlichen Gefüge¬ strukturen in den durch die Eigenschaften des Werkstoffs gegebenen Grenzen jederzeit möglich. Durch die Einhaltung definierter Temperatur-Zeit-Verläufe mittels Vor- und Nachwärmphase ist es nunmehr möglich, die Temperatur¬ gradienten der Werkstoffe zu reduzieren, d.h. insbesondere auch eine Vermin¬ derung der thermisch induzierten Spannungen zu erzielen. So ergeben sich bei¬ spielsweise für das Umschmelzen, das Beschichten sowie das thermische Ver¬ dichten von Spritzschichten mit Laserstrahlung neue Perspektiven zur Vermei¬ dung von Rißbildungen und damit eine deutliche Qualitätssteigerung in der Oberflächenbehandlung gegenüber dem Stand der Technik. Mit dem vorgestell¬ ten Verfahren ist es also möglich, zielgenau die gewünschten Gefügestrukturen an der Oberfläche des Werkstoffes zu erzeugen, die den gewünschten Gebrauchseigenschaften jeweils angepaßt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und von Zeichnungen noch näher erläutert:

Figur 1 eine Schemadarstellung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens, wobei der Sensor mit dem Werkstück bewegt wird,

Figur 2 Temperatur-Zeit-Verlauf an einem beliebigen Beobach¬ tungspunkt während eines Bearbeitungsprozesses und

Figur 3 verschiedene Varianten der Bearbeitungsvorrichtung, wobei die Strahlteilung wahlweise über Prismen, dichroitische Spiegel oder Scraper-Spiegel erfolgen kann.

Bester Weα zur Ausführung der Erfindung

Oberflächenbehandlungen von Werkstoffen, also die Änderung der lokalen Ge¬ fügestruktur an der Oberfläche, können sowohl im Festzustand als auch wäh¬ rend der flüssigen Phase beim Erkalten des Werkstoffs durchgeführt werden. Häufig ist es weder technisch erforderlich, noch ist es aus wirtschaftlicher und kostenmäßiger Sicht sinnvoll, den Werkstoff für ein Bauteil stets nach den höchsten Verschleißanforderungen auszuwählen. Man wählt vielmehr einen Werkstoff, bei dem nachträglich an den Stellen des höchsten Verschleißes eine entsprechend verschleißbeständige Oberfläche geschaffen wird, beispielsweise durch Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur mittels einer Hochenergie¬ bestrahlung. Diese Hochenergiebestrahlung kann beispielsweise eine Laser¬ strahlung oder eine Elektronenstrahlung oder jede andere für eine derartige Er¬ wärmung der Oberfläche geeignete Strahlung sein. Die Gebrauchseigenschaften des Werkstoffs bzw. des Bauteils werden mit dem vorgestellten Verfahren gezielt verändert, um so die gewünschte Gefügestruktur zu erzeugen, die den Belastungen angepaßt ist und dem zu erwartenden Verschleiß standhalten kann. Die lokale Gefügestruktur an der Oberfläche des Werkstoffes hängt einmal von der Legierungszusammensetzung ab und zum anderen von der Gefügestruktur des Werkstoffes nach der Bearbeitung.

Eine in Figur 1 nicht dargestellte Laserquelle sendet einen Gesamtlaserstrahl 1 aus, der durch einen Strahlteiler 2 in einen Primärstrahl 3 und in einen oder meh¬ rere Sekundärstrahlen 5, 6 u.s.w. zerlegt wird. Die Ablenkungsspiegel für die Primär- und Sekundärstrahlen können als Scraper-Spiegel, Klapp- oder Schräg¬ spiegel ausgebildet sein. Primär- und Sekundärstrahlen bilden also ein über ein oder mehrere Strahlteiler gekoppeltes System. Mittels des Primärstrahls 3 wird eine erste Hochenergiebestrahlung am Bearbeitungsort vorgenommen und mittels eines Temperatursensors 4 wird die dort entstehende Temperatur wäh-

rend des Bearbeitungsprozesses gemessen. Der gemessene Ist-Wert wird mit¬ tels einer hier nicht dargestellten Regeleinheit durch die Änderung der emittierten Leistungsdichte der Laserstrahlenquelle in Richtung des geforderten und also vorher festgelegten Soll-Wertes entsprechend verändert. Der Primärstrahl 3 dient also der Aufheizung des Werkstoffes.

In Figur 1 wird der Temperaturverlauf kontinuierlich durch den Temperatursen¬ sor 4 gemessen. Dieser Temperatursensor kann beispielsweise als Pyrometer, als Photodiode oder als anderer Temperatursensor ausgebildet sein, der derar¬ tige Temperaturen messen kann. Nach Beendigung der Aufheizphase des Werkstoffes durch den Primärstrahl 3 wird der Temperatur-Zeit-Verlauf während des Abkühlens des Werkstoffes mittels des Temperatursensors 4 gemessen. Die Temperatur des Werkstoffes muß mindestens an zwei unterschiedlichen Zeitpunkten während des Abkühlens am Bearbeitungsort gemessen werden, damit der Verlauf der Abkühlungskurve ermittelt werden kann. Weicht nun der Verlauf des Temperatur-Zeit-Verlaufs von dem gewünschten Soll-Wert ab, so erfolgt die Regelung des ermittelten Temperatur-Zeit-Verlaufs während des Ab¬ kühlvorganges dadurch, daß mindestens eine oder mehrere weitere Hochener¬ giebestrahlungen des Werkstoffs am Bearbeitungsort vorgenommen werden. Zu diesem Zweck werden von dem Gesamtstrahl 1 über den Strahlteiler 2 Sekun¬ därstrahlen 5 und 6 abgezweigt. Es können selbstverständlich nicht nur einer, sondern auch mehr als zwei derartige Sekundärstrahlen ausgekoppelt werden. Dazu sind entsprechende Kopplungssysteme zwischen den Sekundärstrahlen vorgesehen. Die Kopplungssysteme werden bezüglich der Verteilung der Strahlungsanteile des Gesamtstrahls dabei regelbar ausgebildet, so daß jeder gewünschte Temperatur-Zeit-Verlauf mittels der Sekundärstrahlen in der Ab¬ kühlphase erzielt werden kann.

Die Abweichungen von den vorgegebenen Soll-Größen in Gestalt des geforder¬ ten resultierenden Temperatur-Zeit-Verlaufs kann sowohl durch veränderbare Intensitätsanteile als auch durch die veränderbare Leistung der Teilstrahlen aus¬ geregelt werden, wobei die entsprechenden Regelvorrichtungen hier jeweils nicht dargestellt und beschrieben sind. Mittels der Aufteilung in Primär- und Se-

kundärstrahlen sowie der systematischen Messung nach der Aufheizung an der Oberfläche des Werkstoffes wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung eine kontinuierliche Regelung der Abkühlraten durch definierte Temperatur-Zeit-Verläufe erreicht. Und damit können in einem Zeit-Temperatur-Diagramm punktgenau diejenigen Linien angefahren werden, die der gewünschten Gefügestruktur des betreffenden Werkstoffes beim Abkühlen entspricht. Je nach Werkstoffart und auch Werkstoffzusammen¬ setzung kann z.B. durch den Umwandlungszeitpunkt der Phasen bei einer ganz bestimmten Temperatur eine vorher bestimmte Härte des Oberflächenmaterials erzielt werden. Mit derartigen Temperatur-Zeit-Verläufen lassen sich jedoch auch die Temperaturgradienten des Werkstoffs reduzieren und so eine Verminderung der thermisch induzierten Spannungen des Werkstoffs an der Oberfläche errei¬ chen.

Während in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Figur 1 die Werk¬ stückoberfläche gegenüber der Laserquelle bewegt wird, wird bei dem erfin¬ dungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Figur 3 die Laserquelle bzw. die Be¬ arbeitungsvorrichtung gegenüber dem Werkstück 7 bewegt. Außerdem kann das Kopplungssystem für den Primär- und die Sekundärstrahlen und auch die Kopplungssysteme zwischen mehreren Sekundärstrahlen zur weiteren Untertei¬ lung der Sekundärstrahlen als verfahrbare Laserstrahlteiler ausgeführt sein. Die Kopplungssysteme zwischen Primärstrahlen und Sekundärstrahlen sowie die Kopplungssysteme zwischen mehreren Sekundärstrahlen sind dabei bezüglich der Verteilung der Strahlungsanteile des Gesamtstrahls regelbar ausgebildet. Auch die Verteilung der Sekundärstrahlenanteile innerhalb der Sekundärstrahlen ist veränderbar ausgebildet.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entspre¬ chenden Vorrichtung nach Figur 3 sind jeweils Temperatursensoren 4 sowohl der Primärstrahlung wie auch der jeweiligen Sekundärstrahlung zur Messung der Temperatur am Bearbeitungsort zugeordnet. In der Ausführungsform der Erfindung nach Figur 3 sind jeweils ein Strahlteiler, ein abzubildender Spiegel und ein Temperatursensor zu einer kompakten modularen Strahlführungs-,

Strahlformungs- und Meßeinheit zusammengefaßt, dabei sind die Strahlführun¬ gen und die Strahlformungen hier nicht dargestellt. Diese modularen Einheiten werden durch eine übergeordnete Regeleinheit gemäß dem geforderten resultie¬ renden Temperatur-Zeit-Verlauf beim Abkühlen gesteuert. Die in den Primär¬ strahl und ein oder mehrere Sekundärstrahlen aufgeteilte Gesamtlaserstrahlung beaufschlagt und bestrahlt die Oberfläche des Werkstücks am Bearbeitungsort jeweils zeitlich nacheinander. Neben der Vorschubgeschwindigkeit entweder des Werkstücks oder der Bearbeitungsvorrichtung steht als Regelgröße auch die veränderbare Leistung der Teilstrahlen wie auch die veränderbaren Intensi¬ tätsanteile der Teilstrahlen zur Verfügung. Die Strahlteilung kann wahlweise über Prismen, dichroitische Spiegel oder Scraper-Spiegel erfolgen.

In Figur 2 ist ein Temperatur-Zeit-Diagramm gezeigt, in dem die Temperatur-Zeit- Verläufe bei der Änderung der lokalen Gefügestruktur an der Oberfläche des Werkstoffes bei der Hochenergiebestrahlung durch die erfindungsgemäße Vor¬ richtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt ist. Der Bear¬ beitungsprozeß läuft wie folgt ab. Zum Zeitpunkt t 2 tritt ein fixer Punkt des Werk¬ stücks mit seiner Oberfläche in den Primärstrahl ein. Dieser Bearbeitungsort durchläuft den Primärstrahl 3 in Vorschubrichtung 8 mit einer eingestellten und regelbaren Vorschubgeschwindigkeit. Dies stellt die Aufheizphase für den Bear¬ beitungsort an der Oberfläche des Werkstoffs dar. Der Temperatursensor 4 überprüft die an dem Bearbeitungsort erreichte Maximaltemperatur. Sollte diese nicht ausreichend hoch sein, so wird beispielsweise der Leistungsanteil der Pri¬ märstrecke entsprechend den vorher aufgeführten Stellgrößen verändert. In der nun nachfolgenden Sekundärstrecke, also der Abkühlphase, erfaßt ein zweiter Temperatursensor 4 zum Zeitpunkt t 3 eventuell auftretende Abweichungen zwi¬ schen dem Temperatur-Soll-Wert und dem Temperatur-Ist-Wert. Durch die vor¬ gesehenen Regelmechanismen wird die Stellgröße des Verfahrweges des Pris¬ mas und/oder die Laserleistung solange geändert, bis die Abweichung eliminiert ist. Entsprechend funktionieren alle weiteren Teilkomponenten der Sekundär¬ strecke zu den Zeitpunkten t 4 u.s.w.. Der mit 9 bezeichnete Temperatur-Zeit- Verlauf stellt die geforderte Kurve bei der Erstarrung zur gewünschten Gefüge¬ struktur dar, bildet also den Soll-Wert. Der mit 10 bezeichnete Temperatur-Zeit-

Verlauf stellt die tatsächliche Kurve, also den Ist-Wert, dar, wie er sich bei der Bearbeitung der Werkstoffoberfläche durch die Bestrahlung mit Hochenergie einstellt. Deutlich sind zu den Zeitpunkten t 3 und t 4 die durch das erfindungsge¬ mäße Verfahren bzw. der dazugehörigen Vorrichtung erzielten Korrekturen er¬ kennbar. Der dadurch erzielte resultierende Temperatur-Zeit-Verlauf liegt innerhalb der zulässigen Bandbreite, ohne daß die geforderte Gefügestruktur des Werkstoffes geändert bzw. beeinträchtigt wird. Zudem läßt sich eine noch bessere Annäherung an die geforderte Soll-Kurve durch weitere zusätzliche Meßpunkte bzw. entsprechende Korrekturen erzielen.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Mit dem geoffenbarten Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung dazu, sind die Gebrauchseigenschaften eines Werkstoffes bzw. eines Bauteiles an der Oberfläche derart veränderbar, daß eine gewünschte Gefügestruktur des Materials erzeugt wird, die den erwarteten Belastungen angepaßt ist und dem zu erwartenden Verschleiß standhalten kann.

Bezuαszeichenliste

1 Gesamtlaserstrahl Strahlteiler Primärstrahl Temperatursensor Sekundärstrahl Sekundärstrahl Werkstück Vorschubrichtung geforderte Temperatur-Zeit-Kurve 0 tatsächliche Temperatur-Zeit-Kurve