DD281141A5 - Verfahren zur laserbearbeitung von vorzugsweise hochreflektierenden werkstuecken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung auf den Gebieten Haerten, Einschmelzen, Eindiffundieren, Beschichten, Schneiden und generell Oberflaechenveredeln. Unter Verwendung optimaler Bestrahlungsparameter und Absorberschichtdicken soll die Strahlungsdissipation nahe der Grenzflaeche vom Absorberschicht und Werkstueckoberflaeche eintreten und eine optimale Energieeinkopplung erreicht werden. Erfindungsgemaesz gilt fuer einen Einfallswinkel d, eine Dicke d der Absorberschicht und einen Brechungsindex n(n) sowie einen Absorptionsindex k(n) der Absorberschicht, wobei nn/c der Wellenzahl des Laserstrahles mit der Frequenz n und der Lichtgeschwindigkeit c darstellt, die Beziehung 0,9and2,3. Dabei ist a nach der erfinderischen Lehre zu berechnen.{Verfahren; Laserstrahlen; Haerten; Einschmelzen; Eindiffundieren; Beschichten; Schneiden; Oberflaechenveredeln; Eisenwerkstoffe; Bestrahlungsparameter; Absorberschichten; Energieeinkopplung}

Description

0,9 < a · **· d < 2,3 erfüllt und dabei

17.77 η k ff ,2 _ _k2.2 (n² ₊k²)² i^L

für die entsprechende Wellenzahl vNst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fur eine optimale Energieeinkopplung din Größen d, k (\7) und η (tf) so gewählt werden, daß der Einfallswinkel θ im Bereich von 20° bis 65° liegt.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lasermateri?.ibearbeitung auf den Gebieten Härten, Einschmelzen, Eindiffundieren, Beschichten, Schneiden und generell Obertlächenveredeln.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Erhöhung der Strahlungsabsorption von Werkstückoberfläthen bei der Laserbearboitung sind unterscniedliche Verfahren bekannt. Nebon dem Aufbringen von absorbierenden Schichten sind das nach dem EP 0029914; G 02 B, 1/12 die Aufrauhung der Oberfläche, nach der DE-PS 3126953; B23 K, 26Ό2 die Nutzung des Brewster-Effektes bei sehr hohen Einfallswinkeln, nach der DE-OS 2430994; B 23 K, 26/00 die zusätzliche Verwendung eines kurzen Laserimpulses hoher Intensität zur Erhöhung des Absorptionsvermögens oder nach der DD-PS 131152; B 26K, 26/00 die Einleitung einer exothermen Reaktion.

Die genannten Verfahren sind in der Laserbearbeitung nur bedingt einsetzbar, da nur eine relat'v geringe Erhöhung der Absorption auf mtximal 30% möglich (EP 0029914), der geforderte Einfallswinkel größer als 70° technologisch schwer realisierbar (DE-PS 3126953) und ein hoher gerätetechnischer Aufwand zur Realisierung der Verfahren nach den DE-OS 2430994 und OD-PS 131152 notwendig ist.

Aus diesen Gründen ist die Verwendung von Absorberschichten empfehlenswert. Hierzu kommen vor allem Schichten aus Farbstoffen, Oxiden, Graphit, Phosphaten und Chromaten zuti Einsatz.

Dabei ist festzustellen, daß nahezu sämtliche Absorberschichten für die l.aserbearbeitung vornehmlich auf empirischem Weg gefunden worden sind bzw. dio Komple. ität der Absorptions-, Energieumwandlungs- (Dissipations-) und Wärmetransportprozesse innerhalb des Schicht-Werkstück-Verbundes ungenügend beachtet wird. So werden vornehmlich die unterschiedlichen Parameter, welche gravierenden Einfluß auf die Energieeinkopplung haben, isoliert voneinander betrachtet.

Dies betrifft einerseits Strokturparameter, so für Schichtsubstanzen, z. B. Kupferoxid. Andererseits werden Hinweise für optimale Bestrahlungsparameter nur getrennt für Einfallswinkel oder optimale Schichtdicken gegeben.

All diese Größen stehen in einem komplexen Zusammenhang.

Darüber hinaus finden Wä:melf Ü'.mgseigenschaften sowie die lokale Abhängigkeit der Absorption innerhalb der Schicht keine ausreichende Berücksichtigung.

Ziel der Erfindung

Als Ziel der Erfindung soll mit geringem gerätetechnischen Aufwand eine hohe Qualität dor bearbeiteten Werkstücke erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Laserbearbeitung von vorzugsweise hochreflektierenden Werkstücken unter Verwendung von Absorberschichten und parallel zur Einfallsebene polarisierter Strahlung zu schaffen, mit dem die Strahlungsdissipation nahe der Grenzfläche von Absorberechicht und Werkstückoberfläche erfolgt und eine optimale Energieeinkopplung eintritt.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß für einen Einfallswinkel θ, bezogen auf die Oberflächennormale, eine Dicke d der Absorberschicht und einen Brechungsindex η M sowie einen Absorptionsindex k (V) der Absorberschicht, wobei«¹'=V/cder Wellenzahl des Laserstrahles mit der Frequenz Vund der Lichtgeschwindigkeit c darstellt, die Beziehung 0,9 < a · V· d < 2,3 erfüllt und dabei

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1 - ⁹ⁱⁿ

für die entsprechende Wellenzahl tfist.

Um eine optimale Energieeinkopplung zu erreichen, werden die Größen d, k (<4 und η (Ϋ} so gewählt, daß der Einfallswinkel θ im Bereich von 20° bis 65° liegt.

Der Absorptionsgrad des beschichteten Werkstückes hängt im wesentlichen von der Wellenzahl dar Laserstrahlung und deren Polarisation bezüglich der Einfallsebene, dem Einfallswinkel, den Schichtparametern Schichtdicke, Brechungsindex, Absorptionsindex sowie den Werkstoffeigenschaften des Werkstückes ab.

Durch eine spektroskopische Charakterisierung kann anhand des Absorptionsspektrums entschieden werden, ob sich die

konkrete Schicht als Absorberschicht eignet. Vielfach läßt sich durch gezielte Änderung eines oder mehrerer Parameter das Absorptionsverhalten verbessern. Das Absorptionsspektrum ist jedoch ein für jede Frequenz integraler Wen, d. h„ es beinhaltet keinerlei Information über die Ortsabhängigkeit, besonders Tiefenabhängigkeit der Absorption.

Die Tiefenabhängigkeit hat wesentlichen Einfluß auf die Größe der Energieeinkopplung in das Werkstück. Findet die Strahlungsabsorption vor allem an der Grenzfläche zwischen Luft und Absorberschicht statt, so kann die dort freigesetzte Wärmeenergie unter Umständen nur bedingt durch Wärmeleitung das Werkstück erreichen, da gewöhnlich gute Absorbermaterialien mit ungünstigen Wärmeleiteigenschaften verbunden sind.

Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse bewirkt die erfindungsgemäße Lösung, daß unter Verwendung von optimalen Bestrahlungsparametern und Absorberschichtdicken die Strahlungsdissipetion nahe der Grenzfläche von Absorberschicht und Werkstückoberfläche eintritt und eine optimale Energieeinkopplung erfolgt.

Darüber hinaus wird auch eine wesentliche Reduzierung experimenteller Untersuchungen sowie die Anwendung auf eine Vielzahl von Stoffklassen, so zum Beispiel für die Verwendung der Absorberschichten als Ausgangsmaterial für Diffusions-, Einschmelz·, Logierungs- und Beschichtungsverfahren, erreicht.

Ausfuhrur'jSbeispiel

Die Erfindung ist nachs hend anhand eines bevorzugten Aus/ührungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Daisollungen zeigen:

Fig. 1: Strahlungsverlauf innerhalb des Systems Luft-Absorberschicht-Werkstück, Fig. 2: Reflexionsspektren einer mit Aluminiumoxid beschicnteten Eisenoberfläche bei einer Schichtdicke von 2 μπΊ, Fig. 3: Reflexionsspektren entsprechend Fig. 2 bei einer Schichtdicke von 10 pm, Fig.4: die Abhängigkeit der Feldintensität vom Einfallswinkel θ in einer Absorberschicht aus Aluminiumoxid auf einer Eisenoberfläche für unterschiedliche Entfernungen von der Oberfläche der Absorberschicht, wobei die Dicke der Absorberschicht 10μηι beträgt,

Fig. 5: die Verteilung der Energiedit sipation in einer 10μηι dicken Absorberschicht aus Aluminiumoxid, Fig. β: Aussagen entsprechend Fig. 4 bei einer Dicke der Absorberschicht von 2 μπη und Fig.7: die Verteilung der Energiedissipation in einer 2pm dicken Absorberschicht aus Aluminiumoxid.

Es wird eine Absorberschicht aus Aluminiumoxid mit einem Brechungsindex η = 0,847 und einem Absorptionsindex k = 0,606 bei der Laseremissionswellenzahl von 943cm"¹ auf einei usenoberfläche betrachtet, wobei die Absorberschicht eine Rauhtiefe von etwa 1 pm aufweist.

In Fig. 1 ist eine Absorberschicht 2 auf einer Eisenoberfläche 3 und eine über die Absorberschicht 2 befindliche Luftschicht 1 dargestellt. Bezüglich der Laserstrahlung bedeuten J, die Intensität der einfallenden Strahlung, J₁ die Intensität der transmittierten Strahlung, J, die Intensität der reflektierten Strahlung und θ der Einfallswinkel der Strahlung J, bezüglich der Oberflächennormale der Absorberschicht 2.

Die Fig. 2 zeigt Reflexionsspektren für parallel zur Einfallsebene polarisierte Strahlung und unterschiedliche Einfallswinkel. Die Schichtdicke beträgt 2 μπι. B ji 943cm"' ist die Wellenzahi eines üblicherweisu fü · die Materialbearbeitung verwendeten CO₂-Lasers eingezeichnet. Es ist zu erkennen, daß in diesem Bereich nur 20% bis 40% der einfallenden Strahlung reflektiert w!i d und bei einem Einfallswinkel von etwa 55°, welcher in der Nähe des, Brewster-Winkels liegt, eine Erhöhung der Absorption eintritt. Ebenso bringt eine Erhöhung der Schichtdicke auf lOpm eine zusätzliche Verbesserung des Absorptionsvermögens, was Fig. 3 verdeutlicht. Daraus kann die Schlußfolgerung gezogen v/erden, daß die gewählte Schicht mit den Parametern η = 0,847, k - 0,606 und den Schicf.tdicken 2pm bzw. 10μιτ> bei einem Einfallswinkel von etwa 55° als Absorberschicht geeignet ist.

Die lokal-spektrale Strahlungsdissipation bei vorgegebener Laserfrequenz ist in Fig.4 und 6 für unterschiedliche z-Koordinaten (Tiefer.) innerhalb der Absorberschicht in Abhängigkeit von äußeren Bestrahlungswinkeln O gezeigt.

Danach ergeben sich für werkstücknahe Bereiche (50 nm über Werkstückgrenzfläche) optimale Bestrahlungswinkel von etwa 29° bei 10pm Schichtdicke bzw. 46° bei 2 pm Schichtdicke bei parallel zur Einfallsebene polarisierter Strahlung. Mit diesen Bestrahlungsparametern ergibt sich eine lokale Verteilung der Strahlungsdissipation, welche in Fig.5 für eine Schichtdicke von 10μηη und in Fig. 7 für eine Schichtdicke von 2 pm dargestellt ist. Daraus ist ersichtlich, daß in beiden Fällen annähernd die gleiche Gesamtenergie umgesetzt wird. Verdeutlicht wird dies durch die Flächeninhalte der entsprechenden Kurven. Bei einer Schichtdicke von 10 pm hat der Einfallswinkel nur geringen Einfluß auf das Profil der Dissipation, zudem wird die gesamte Energie an der Oberfläche der Absorberschicht dissipiert. In der Nähe der Eisenoberfläche ist die Energiedissipation nahezu Null. Trotz des aus dem integralen Absorptionsspektrum abgeleiteten höheren Absorptionsvermögens der 10pm dicken Absorbeschicht gegenüber der 2 pm dicken Absorberschicht ist aus der in Fig. 5 gezeigten, lokal aufgelösten Strahlungsdissipation abzuleiten, daß aufgrund der generell für Aluminiumoxid ungünstigen Wärmeleiteigenschaften nur ein geringer Anteil der freigesetzten Wärmeenergie die Eisenoberfläche erreicht, die Oberfläche der Absorberschicht stark aufgeheizt wird und Absorberschichten dieser Dicke unter Umständen thermisch geschädigt werden und abplatzen. Für die 2prn dicke Absorberschicht (Fig.7) wird bei senkrechter Inzidenz bzw. bei einem Einfallswinkel von 46° ungefähr die gleiche Gesamtenergie in Wärme umgesetzt. Jedoch ist für einen Einfallswinkel von 46° eine wesentliche Zunahme der Strahlungsencrgiedissipation in unmittelbarer Nähe der Werkstückoberfläche zu erkennen. Damit kann die umgesetzte Wärme auf kürzerem Weg den Eisenwerkstoff erreichen und die Absorberschicht wird thermisch weniger belastet, da ein eventueller Wärmestau erst bei höheren Strahlungsflußdichten bzw. größeren Bestrahlungszeiten einsetzt. Mit den so ermittelten Parametern, Schichtdicke d = 2 pm und Einfallswinkel θ = 46° und unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lehre, ergibt sich ein Quotient von 1,27.

Da dieser im Wertebereich der erfindungsgemäßen Lehre liegt, ist erkennbar daß mit den genannten Parametern eine optimale Energieeinkopplung in die Werkstoffoberfläche erfolgt.

Demgegenüber liegt für die 10pm dicke Absorberschicht der Quotient bei 7,59 und damit außerhalb des Wertebereiches, d. h., die gewählten Parameter gestatten keine optimale Energieeinkopplung.

Claims (1)

1. -1- 281141 Patentanspruch:

   1. Verfahren zur Bearbeitung von vorzugsweise hochreflektieren den Werkstücken mit einem Laserstrahl unter Verwendung von AL sorberschichten und parallel zur Einfallsebene polarisierter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, caß für einen Einfallswinkel θ, bezogen auf die Oberflächennormale, eine iricke d der Absorberschicht und einen Brechungsindex η (ν) sowie einen Absoptionsindex k (v) der Absorberschicht, wobei ν = v/c der Wellenzahl des Laserstrahles mit der Frequenz ν und der Lichtgeschwindigkeit c darstellt, die Beziehung