DE4212035C2 - Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen von Werkstücken mit Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Um­ schmelzen von Werkstückoberflächen, auf die ein ge­ führter Laserstrahl gerichtet ist, dessen Ein­ fallswinkel α, bezogen auf die Werkstückoberflächen­ normale größer als 0° ist, wobei das Werkstück aus einem Grundwerkstoff und einer darauf angeordneten Vorbeschichtung besteht, die beim Umschmelzen mit dem darunterliegenden Grundwerkstoff eine Verbindung ein­ geht.

Ein derartiges Umschmelzen von Oberflächen findet An­ wendung bei der gezielten Oberflächenmodifikation von Werkstücken, zum Beispiel zur Erhöhung der Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit. Das Verfahren ist beson­ ders geeignet für das Umschmelzen von vorbeschichteten Oberflächen, z. B. mit Folien, Pasten, Pulver, Spritz­ schichten usw., insbesondere bei Vorhandensein von zur Entgasung oder Verdampfung neigenden nichtmetallischen Bindern oder von Legierungselementen, die zu heftigen chemischen Reaktionen neigen.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Laserstrahlung bekannt.

Bei den allgemein bekannten Verfahren zum Umschmelzen vorbeschichteter Werkstoffe mit Laserstrahlung trifft der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche der Vorbeschichtung und wird dort teilweise absorbiert. Der Wärmetransport in die Tiefe erfolgt hierbei durch Wärmeleitung und - bei Ausbildung eines Schmelzbades - durch Konvektion im Schmelzbad. Diese bekannten Verfahren haben den grundlegenden Nachteil, daß der Laserstrahl während des Bearbeitungsvorgangs immer auf die Vorbeschichtung auftrifft und diese erst durchdringen muß, bis er mit dem sich darunter befindlichen Werkstück in Wechselwirkung treten kann (Einstechvorgang). Dabei gehen große Teile der Vorbeschichtung verloren, zum Beispiel durch Abtragen oder Verdampfen, und stehen somit nicht zur Ausbildung der gewünschten Legierung mit dem Grundwerkstoff zur Verfügung. Diese Verfahren haben somit nachteilige Auswirkungen auf die Bearbeitungsqualität und den Prozeßwirkungsgrad. Darüberhinaus führt die anhaltende direkte Einwirkung der Laserstrahlung auf die Vorbeschichtung bei Werkstoffen, die kein Schmelzbad in der Vorbeschichtung ausbilden, infolge der fehlenden Wärmeabfuhr durch die Schmelzbadkonvektion zu einer Überhitzung der Oberfläche und zu einer Zerstörung der Vorbeschichtung.

Die Verwendung eines von 0° abweichenden Einfalls­ winkels bei der Oberflächenbehandlung von Werk­ stücken ist zum Beispiel in der DE-PS 31 26 953 sowie in der gattungsbildenden WO 91/18704 offenbart.

In beiden Druckschriften wird zudem auf die allgemein bekannte Gesetzmäßigkeit hingewiesen, daß der parallel zur Einfallsebene polarisierte Anteil der auf das Werk­ stück auftreffenden Laserstrahlung als Funktion des Einfallswinkels ein Absorptionsmaximum durchläuft (s. z. B. Fig. 9 in der WO 91/18704).

Bei der Lehre aus Technik WO 91/18704 erfolgt die Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Laserstrahlung unter Ausnutzung der zuvor genannten Gesetzmäßigkeit, so daß eine Anpassung der Absorption der Laserstrahlung an die Geometrie des zu be­ arbeitenden Werkstücks erreicht wird, indem der Strahlfleck unter Beachtung der Werkstückgeometrie so geformt ist, daß unterschiedliche Bereiche des Strahl­ flecks unterschiedliche Einfallswinkel aufweisen. Damit kann z. B. ein Kantenaufschmelzen an einem Werkstück vermieden werden, indem in den Kantenbereichen die Absorption entsprechend dem gewählten Einfallswinkel geringer ist als in kantenfernen Bereichen. Weiter­ gehende Angaben zum Umschmelzen von Oberflächen von Werkstücken mit Laserstrahlung sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aus dem Artikel "Perspektiven und Grenzen der Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlen" von W. König et al., VDI-Z., Bd. 129(1987), Nr. 6, geht ebenfalls das Umschmelzen von vorbeschichteten Werkstücken mit Laserstrahlung hervor, jedoch können auch aus dieser Druckschrift keine Hinweise entnommen werden, wie das Umschmelzen möglichst schonend für das umzuschmelzende Material durchzuführen ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umschmelzen von Oberflächen von Werkstücken mit Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem die eingangs genannten Nachteile vermieden werden. Ferner soll die Erfindung das Umschmelzen von vorbeschichteten Ober­ flächen ermöglichen, insbesondere bei Vorbeschich­ tungen, die zur Entgasung und/oder zu heftigen chemischen Reaktionen neigen und/oder aufgrund ihres Hartstoffanteils nur schwer schmelzbar sind. Ein weiteres der Erfindung zugrundeliegendes Problem ist es, bei verschleißbeanspruchten Bauteilen (z. B. Werkzeugen) den Hartstoffanteil in der Schicht zu erhöhen und damit eine Verbesserung der Verschleiß­ beständigkeit zu erzielen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausge­ staltungen und Weiterentwicklungen, insbesondere für das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung, das Umschmelzen von vorbeschichteten Werkstoffen, sind in den Unteransprüchen 2 bis 16 angegeben.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Umschmelzen von Werkstückoberflächen, auf die ein geführter Laserstrahl gerichtet ist, dessen Einfallswinkel α, bezogen auf die Werkstückoberflächennormale größer als 0° ist, wobei das Werkstück aus einem Grundwerkstoff und einer darauf angeordneten Vorbeschichtung besteht, die beim Umschmelzen mit dem darunterliegenden Grundwerkstoff eine Verbindung eingeht, derart auszuführen, daß die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstückoberfläche derart erfolgt, daß die Strahlachse des Laserstrahls und die Bewegungsrichtung des auf die Werkstückoberfläche geführten Laserstrahls einen Winkel von größer 90° einschließen, daß nach einem Einste­ chvorgang des Laserstrahls durch die Vorbeschichtung ein Randbereich in der Vorbeschichtung ausgebildet wird, an dem ein Schmelzbad an der Oberfläche des Grundwerkstoffes entsteht, und durch den an der Schmelzbadoberfläche zur Vorbeschichtung hin re­ flektierten Anteil der Laserstrahlung der Randbereich der Vorbeschichtung zusätzlich vorgewärmt wird.

Durch die Anwendung linear polarisierter Laserstrahlung wird die Umschmelzrate, d. h. die pro Zeiteinheit umge­ schmolzene Fläche, erheblich gesteigert und damit der Prozeßwirkungsgrad drastisch erhöht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf alle Oberflächen, insbesondere auf alle vorbeschichteten Oberflächen angewendet werden. Da jedoch das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung das Umschmelzen von vorbeschichteten Oberflächen ist, soll im folgenden dieser Fall näher behandelt werden.

Die Vorbeschichtung kann mit verschiedenen Techniken hergestellt werden. Besonders effektiv ist das Verfahren für die Behandlung von kompliziert geformten und schwer zugänglichen Stellen eines Bauteiles. In diesen Fällen bieten sich zum Beispiel Folien, Bänder oder aufgeschwemmte Schichten als Vorbeschichtung an. Die typischen Schichtdicken liegen im Bereich von 0,1 bis 10 mm. Die Zusammensetzung der Schicht ist abhängig von den gewünschten Gebrauchseigenschaften und dem Herstellungsverfahren. Aufgrund des Herstellungsver­ fahrens bzw. der Art der Aufbringung enthalten derartige Vorbeschichtungen häufig Reste von Bindern und Klebern bzw. der Feuchtigkeitsanteil ist relativ hoch. Derartige Verunreinigungen verdampfen oder vergasen während des Umschmelzens und behindern die Ausbildung eines Schmelzbades und/oder führen zu einer verstärkten Porenbildung.

Je nach gewünschter Gebrauchseigenschaft werden z. B. auch reaktive Zusätze wie Titanpulver und/oder hoch­ schmelzende Zusätze wie Titankarbid (T_schmelz = 3140°C) und Wolframcarbid (T_schmelz =2840°C) und/oder Zusätze verwendet, die keine Schmelzphase ausbilden. Bei heftigen chemischen Reaktionen, wie z. B. Ti + C verhindern diese Zusätze die Ausbildung eines Schmelzbades bzw. bei hochschmelzenden Zusätzen verdampft der in der Schicht oder im Grundwerkstoff enthaltene Stahl (T_verdampfung < 2700°C), bevor die Schmelztemperatur der Zusatzwerkstoffe erreicht wird.

Daher soll mit der Erfindung die Erzeugung eines maximalen Hartstoffanteils (z. B. Karbidanteil) und/oder einer bestimmten Legierungskonzentration in der Schicht erreicht werden. Hierfür ist die Prozeßführung so aus­ zulegen, daß durch die Wechselwirkung der Laser­ strahlung mit der Schicht keine Hartstoffe oder Legierungselemente verloren gehen (z. B. durch Verbrennen, Abdampfen, Wegsprengen). Ferner muß die nach der Laserstrahlbehandlung entstandene Schicht poren- und rißfrei sein, sowie eine gute Haftung zum Substrat aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Bearbeitungsrichtungen beim Umschmelzen eines vorbeschichteten Werkstücks,

Fig. 2a Einstechvorgang beim Umschmelzen eines vorbe­ schichteten Werkstücks,

Fig. 2b Start des Umschmelzvorgangs am Rand der Vorbe­ schichtung,

Fig. 2c Situation während des Umschmelzens nach abge­ schlossenem Einstechvorgang,

Fig. 3 vergrößerte Schnittdarstellung der Schmelzbad­ zone,

Fig. 4a bis 4c Umschmelzen einer hartstoffgefüllten Folie,

• a) schematische Darstellung mit α = 70°C,
• b) Aufsicht auf die legierte Oberfläche,
• c) Querschnitt durch die legierte Oberfläche,

Fig. 5 Umschmelzen mit schräg gestelltem Laserstrahl,

Fig. 6 Umschmelzen unter Schwerkrafteinfluß,

Fig. 7a Einfallswinkel der Laserstrahlung zur Werkstücksober­ fläche,

Fig. 7b Reflexionsgrad/Absorptionsgrad als Funktion des Einfallswinkels für verschiedene Polarisations­ zustände,

Fig. 8 Einfluß der Verfahrrichtung auf das Bearbeitungsergeb­ nis für verschiedene Einfallswinkel.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch verschiedene Arten des Um­ schmelzens von vorbeschichteten Werkstoffen. Die Schnittdarstellung zeigt einen Oberflächenbereich eines Werkstücks 1, der aus einem Grundwerkstoff 2 und einer darüber befindlichen Vorbeschichtung 3 aufgebaut ist. Bei der hier vorliegenden Darstellung soll das Werk­ stück 1 ortsfest sein und der auf die Vorbeschichtung 3 auftreffende Laserstrahl 4 mit einer Vorschubgeschwin­ digkeit v in Pfeilrichtung, also von links nach rechts, über die Werkstückoberfläche geführt werden. Es sind drei verschiedene Anordnungen für den Einfallswinkel a bezogen auf das Einfallslot N des Laserstrahls 4 darge­ stellt, nach denen sich die Bezeichnungen für die Bearbeitungsrichtung ergeben. Die mittlere Anordnung entspricht dem eingangs genannten Stand der Technik mit einem senkrecht auf die Vorbeschichtung 3 auftreffenden Laserstrahl 4. Die rechte Anordnung zeigt einen der Bearbeitungsrichtung entgegengesetzt einfallenden Laserstrahl 4 (α 0), so daß der Umschmelzvorgang in schleppender Bearbeitungsrichtung erfolgt. Hierbei trifft aufgrund des Einfallswinkels immer deutlich mehr Laserenergie direkt auf die Vorbeschichtung 3. Damit verbunden ist ein dauernder Einstechvorgang, wie er auch bei der Bearbeitung nach dem eingangs genannten Stand der Technik vorliegt. Bei dieser Bearbeitungswei­ se ist daher mit denselben Nachteilen zu rechnen, wie sie beim Stand der Technik vorliegen, d. h. die Vorbe­ schichtung 3 wird abgetragen, verdampft, verbrannt oder in anderer Weise vernichtet. Demgegenüber zeigt die linke Anordnung einen in Bearbeitungsrichtung einfal­ lenden Laserstrahl 4 (α 0), so daß der Um­ schmelzvorgang erfindungsgemäß in stechender Bearbei­ tungsrichtung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll am Beispiel des Umschmelzens einer Vorbeschichtung aus hartstoff­ gefüllten Folien erläutert werden. Hartstoffgefüllte Folien können z. B. aus einem relativ weichen aber hoch temperaturbeständigen Udimet 700 Matrixmaterial und TiC als Hartstoff bestehen. Der prinzipielle Ablauf des Umschmelzprozesses ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Hierbei wird beispielhaft von einer linienförmigen Intensitätverteilung im Laserstrahl 4 ausgegangen, wie sie z. B. ein Linienfokussierspiegel erzeugt.

Entsprechend der in Fig. 1, linke Anordnung, darge­ stellten stechenden Bearbeitungsrichtung trifft der Laserstrahl 4 unter einem Einfallswinkel α von 10° α 85° auf die Werkstückoberfläche auf. Hierbei ist, je nachdem wo der Umschmelzvorgang gestartet wird, zwi­ schen zwei Fällen zu unterscheiden (Fig. 2a, Fig. 2b). Der Umschmelzvorgang wird, wie in Fig. 2a dargestellt, auf den vorbeschichteten Werkstück 1 oder, wie in Fig. 2b dargestellt, in einer nicht-vorbeschichteten Zone des Werkstücks 1 an einen Randbereich der Vorbeschich­ tung 3 gestartet. Wird der Prozeß auf dem vorbeschich­ teten Werkstück gestartet, so trifft die Laserstrahlung direkt auf die Vorbeschichtung 3 (Fig. 2a) und wird an der Oberfläche der Vorbeschichtung teilweise absorbiert. Die dann stattfindenden Mechanismen, die auch bei dem eingangs genannten aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vorliegen, werden im folgenden näher beschrieben und sollen als Einstechen bezeichnet werden.

Bei der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der Schichtoberfläche kommt es zu einer starken Aufheizung einer dünnen Schicht an der Oberfläche der Vorbeschich­ tung, da sich kein Schmelzbad und damit keine Konvektionsströmung ausbildet, die zur Reduzierung der Temperatur der Schicht beiträgt. Da die Wärmeleit­ fähigkeit innerhalb dieser Schichten aufgrund des Schichtaufbaues (z. B. lose Pulverschüttung mit Binder) relativ gering ist, erfolgt eine Überhitzung dieser dünnen Schicht und es wird ein Abtragprozeß in Gang gesetzt, bei dem Partikel 5 der Vorbeschichtung 3 entfernt werden und der meist die gesamte Vorbeschich­ tung 3 absprengt. Damit sind dann vergleichbare Start­ bedingungen hergestellt, wie beim Start des Umschmel­ zens auf einem nicht-vorbeschichteten Werkstück an einem Randbereich der Vorbeschichtung 3 entsprechend Fig. 2b.

Nach diesem Einstechen des Laserstrahls 4 in die Vorbe­ schichtung 3 trifft die Laserstrahlung auf die Oberflä­ che des Grundwerkstoffes 2 und es kommt zur Ausbildung eines Schmelzbades 6 (Fig. 2c). Im weiteren Prozeß finden nur geringe direkte Wechselwirkungen der Laser­ strahlung mit der Vorbeschichtung 3 statt. Der Laser­ strahl 4 trifft immer zuerst auf das Schmelzbad 6 an der Werkstückoberfläche. Wie in Fig. 3 dargestellt, trifft nur noch die an der Schmelzbadoberfläche reflek­ tierte Laserstrahlung 9 auf die Vorbeschichtung 3 und wärmt diese vor. Der Grad der Vorwärmung ist dabei über den Einfallswinkel und/oder den Winkel der Polarisationsrichtung, sofern polarisierte Laserstrah­ lung verwendet wird, zur Werkstückoberfläche so einzu­ stellen, daß Verbrennungs-, Verdampfungs- und Verga­ sungsprozesse z. B. des Matrixmaterials oder von Legierungselementen vermieden werden. Die Vorwärmtem­ peratur ist jedoch mindestens so hoch einzustellen, daß Reste von in der legierten Schicht 9 unerwünschten Zusatzstoffen wie z. B. Binder und Kleber 10 entgast werden.

Idealerweise ist die Vorwärmtemperatur so einzustellen, daß sich erste einzelne Schmelztropfen 7 bilden und die nicht aufge­ schmolzenen Hartstoffe (z. B. TiC) benetzen. Diese Schmelztropfen 7 werden in die Schmelze 6 eingelagert und erstarren einschließlich der Hartstoffe zu einer neuen Schichtzusammensetzung, der legierten Schicht 8. Aber auch nicht aufschmelzbare Anteile der Vorbeschichtung 3 werden durch das sich unterhalb der Vorbeschichtung 3 bildende Schmelzbad 6 und durch die Schmelzbadkonvektion in das Schmelzbad 6 eingelagert. Die Schichtdicke bzw. der Hartstoffanteil und/oder Legierungsanteil sind durch die eingebrachte Streckenener­ gie (absorbierte Laserleistung/Vorschubgeschwindigkeit) und die Dicke bzw. Zusammensetzung der Vorbeschichtung einstellbar. Der Anteil des Grundwerkstoffes 2 am Schmelzbadvolumen sollte dabei ausreichend hoch gewählt werden, so daß z. B. die Hartstoffe durch die Schmelzbadkonvektion möglichst homogen verteilt werden und verbleibende Reste von Bindern und Klebern aus dem Schmelzbad 6 entgasen können und keine Poren bilden.

Zur Entfernung der in den meisten Vorbeschichtungen vorhandenen Zusatzstoffe, wie Binder, Kleber, Feuchtig­ keit, etc. wird zum einem wie zuvor bereits beschrieben die reflektierte Laserstrahlung 9 ausgenutzt. Zusätz­ lich erfolgt durch den Wärmevorlauf also durch die der Schmelze voreilende Wärme, eine Entgasung bzw. Verdamp­ fung dieser Zusatzstoffe durch die poröse Vorbeschich­ tung. So eilt z. B. bei einer Vorschubgeschwindigkeit von v = 1 m/min die 300°-Isotherme 11 um ca. 0,5 mm dem Schmelzbad 6 vor.

Ist der Anteil an Bindern und Klebern in der Vorbeschich­ tung 3 so hoch, daß die Einwirkzeit der reflektierten Strahlung 9 bzw. der Wärmevorlauf nicht zur Entgasung ausreicht, so kann eine Wärmebehandlung vor dem Um­ schmelzvorgang zum Abbau der unerwünschten Zusatzstoffe und damit zur Qualitätsverbesserung der legierten Schicht 8 beitragen.

Hierbei empfehlen sich Wärmebehandlungen, die direkt vor dem Umschmelzvorgang in gleicher Aufspannung erfol­ gen können, wie z. B. das induktive Erwärmen. Hier läuft der Induktor dem Laserstrahl in einem definierten Abstand voraus, so daß auch die Restwärme zur Steige­ rung der Prozeßgeschwindigkeit ausgenutzt werden kann. Bei Vorwärmtemperaturen von 300°C bis 400°C können Geschwindigkeitssteigerungen von 20 bis 30% erreicht werden. Je nach Zusammensetzung der Vorbeschichtung 3 kann das erfindungsgemäße Umschmelzverfahren für einen Legierungs-, Dispergierungs- oder Beschichtungsprozeß genutzt werden.

Die Fig. 4a bis 4c zeigen die Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens für die Herstellung einer Schicht aus dem Werkstoff Udimet 700 bei einem Einfallswinkel des Laserstrahls 4 von α = 70° und mit einem 6-mm- Linienfokus. Der Laserstrahl hat eine Leistung von 4 kW am Werkstück und die Vorschubgeschwindigkeit v beträgt 1.400 mm/min. In der schematischen Darstellung von Fig. 4a wird ein rechteckförmiger Laserstrahlfleck 12 in Pfeil­ richtung über das Werkstück 1 geführt und hinterläßt die ungeschmolzene Fläche in Form einer Beschichtungs­ spur 13. Bei dem gewählten Überlappgrad der Beschich­ tungsspur 13 von 50% wurde eine Umschmelzrate von 42 cm²/min erreicht. In Fig. 4b ist die fertig umgeschmol­ zene Oberfläche in Aufsicht und in Fig. 4c im Querschnitt dargestellt.

Eine Verbesserung des Bearbeitungsresultats, insbeson­ dere bei reaktiven Vorbeschichtungen, kann durch eine Verkippung eines rechteckiggeformten Laserstrahls 4 um einen Winkel β erreicht werden. Wie in Fig. 5 in Auf­ sicht schematisch dargestellt ist, schließt die Projek­ tion des Laserstrahls 4 auf die Oberfläche des Werk­ stücks 1 mit der Bearbeitungsrichtung bzw. der bereits erzeugten Beschichtungsspur 13 den Winkel β ein. Da hierdurch die Reaktionszone und die Energie pro umgeschmol­ zener Fläche bei gleichen Strahlabmessungen und Laserlei­ stungen vergrößert wird, ergibt sich eine günstigere Schmelzbadkonvektion.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist in Fig. 6 in einem rechtwinkligen Koordinatensystem (x, y, z) in Seitenansicht dargestellt, wobei die y-Achse senkrecht aus der Zeichenebene heraus­ tritt. Das Werkstück 1 ist hierbei um einen Winkel γ gegenüber der Horizontalen verkippt, d. h. die untere Werkstückebene, die in der von den Achsen a und y ge­ bildeten Ebene liegt, ist um den Winkel γ in Richtung der z-Achse gedreht worden. Der Laserstrahl 4 schließt mit dem verkippten Werkstück l den Winkel α ein. Die Vorschub­ richtung ist in dem hier dargestellten Fall so gewählt, daß sie in Richtung der Projektion der Schwer­ kraft auf die Werkstückoberfläche, d. h. in Richtung der Hangabtriebskraft und somit parallel zur Achse a verläuft.

In diesem Fall bewirkt die Schwerkraft eine Bewegung der Schmelze in Vorschubrichtung. Hierdurch kann die Schmelze 6 die Vorbeschichtung 3 gleichzeitig oder sogar vor dem Laserstrahl 4 benetzen und so z. B. Hartstoffe in das Schmelzbad 6 direkt einbeziehen. Der Winkel γ der Ver­ kippung darf hierbei nicht zu groß eingestellt werden, da ansonsten die Schmelzbadkonvektion und die Oberflächen­ spannung ein Abtropfen der Schmelze nicht verhindern kön­ nen. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt insbesondere bei hochschmelzenden Stoffen oder re­ aktiven Vorbeschichtungen zu einer weiteren Resultatsver­ besserung.

Unter Umständen kann es auch von Vorteil sein, wenn das Werkstück 1 zusätzlich um einen Winkel δ um die in der x,z-Ebene liegende Achse a verdreht ist, so daß das Schmelzbad in geringerem Maße als zuvor gegen die Vorbe­ schichtung 3 gedrückt wird. Der Winkel δ muß jedoch in Abhängigkeit vom Winkel γ derart eingestellt werden, daß das Schmelzbad 6 nicht den Kontakt mit der Vorbe­ schichtung 3 verliert und auch nicht quer zur Vorbeschich­ tung vom Werkstück 1 abfließen kann.

Gegebenenfalls kann auch die Vorschubrichtung von der zuvor genannten zu a parallelen Richtung abweichen und einen von Null abweichenden Betrag in +y- oder -y-Rich­ tung aufweisen.

Im Extremfall ist der Winkel δ hierbei gleich Null und die Vorschubrichtung verläuft nahezu parallel zur y-Achse, so daß die Beschichtungsspur horizontal über das Werkstück verläuft.

Fig. 7a zeigt schematisch einen Laserstrahl 4, der unter einem Einfallswinkel α auf das Werkstück 1 trifft und bei dem der elektrische Feldvektor E einen Anteil parallel zur Einfallsebene aufweist, wobei die Ein­ fallsebene als die Ebene definiert wird, die von dem einfallenden Strahl und der Normalen N auf der Oberflä­ che aufgespannt wird. Der von der Oberfläche absorbier­ te Anteil des einfallenden Laserstrahls 4 hängt hierbei von seinem Polarisationszustand und vom Einfallswinkel ab. In Fig. 7b ist dieser bekannte Zusammenhang gra­ fisch dargestellt. Die üblicherweise als Fresnel′sche Reflexionskurve bezeichneten Verläufe von Absorptions- bzw. Reflexionsgrad sind in Fig. 7b für verschiedene Polarisationszustände (R_p = parallel, R_s = senkrecht, R_c = zirkular) dargestellt. Die Kurve für parallele Polarisation durchläuft dabei in Abhängigkeit vom Ein­ fallswinkel ein Absorptionsmaximum, so daß der Ab­ sorptionsgrad über den Einfallswinkel und den Polarisationszustand einstellbar ist.

Bei der Prozeßführung mit Einfallswinkel α 0 und linear polarisierten Laserstrahlung sind somit zu be­ rücksichtigen:

• - die Vergrößerung der Strahlauftrefffläche mit zuneh­ menden Einfallswinkel und damit der Verringerung der Leistungsdichte
• - und die Zunahme des Absorptionsgrades mit steigendem Einfallswinkel (Fresnel-Absorption) bei paralleler Polarisation.

Bei Einfallswinkel α 0° vergrößert sich die Auftreff­ fläche und damit vermindert sich die Leistungsdichte. Dies kann entweder durch höhere Laserleistungen oder effektiver durch Erhöhung des Absorptionsgrades durch Verwendung linear polarisierter Laserstrahlung ausge­ glichen werden. Durch die Verwendung linear polarisierter Laserstrahlung kann bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren mit stechender Bearbeitungsrichtung sogar eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades erreicht werden, wenn Einfallswinkel α 30° benutzt werden. Hierbei sind sowohl zylindrische, gekrümmte als auch planare Oberflächen bearbeitbar. Bei zylindrischen und gekrümmten Bauteilen ist der Einfallswinkel durch Versatz von der jeweiligen Rotationsachse einstellbar. Bei planaren Oberflächen muß der Winkel durch die Optik oder durch die Werkstückposition vorgegeben werden. Einfallwinkel im Bereich von 70° haben sich bei einer Vorbeschichtungsdicke von 1 mm bereits bewährt. Mit Einfallswinkeln von 70° können dabei die Vorschubge­ schwindigkeit v und damit die bearbeitbare Fläche bis zu einem Faktor von 7 gesteigert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für vorbe­ schichtete Werkstücke geeignet, sondern allgemein für das Umschmelzen von Oberflächen von Vorteil. In Fig. 8 ist der Einfluß der Bearbeitungsrichtung auf das Bear­ beitungsergebnis für das Umschmelzen von Werkstücken ohne Vorbeschichtung mit linear polarisierter und zwar p-polarisierter Laserstrahlung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α dargestellt. Die Ausgangsleistung des Lasers betrug 4 kW und die Vorschubgeschwindigkeit v hatte einem Wert von 200 mm/min; das Werkstück wurde in horizontaler Lage bearbeitet. Die untere Kurve zeigt die umgeschmolzene Fläche als Funktion des Einfallswin­ kel für ein Umschmelzen bei schleppender Bearbeitung (vgl. Fig. 1 rechte Anordnung), während die obere Kurve dasselbe für die erfindungsgemäße stechende Bearbeitung darstellt. Für die Meßpunkte bei α = 70° sind für beide Fälle Querschnitte der umgeschmolzenen Fläche darge­ stellt. Bei einem Einfallswinkel von 70° läßt sich somit mit einer stechenden gegenüber einer schleppenden Bearbeitungsrichtung das umgeschmolzene Volumen um über 40% steigern.

Der für eine bestimmte Vorbeschichtung (Schichtzusammensetzung, Schichtdicke . . . ) optimale Einfallswinkel bzw. parallele Anteil des E-Vektors der polarisierten Laserstrahlung muß jedoch nicht identisch mit dem Einfallswinkel bzw. dem E-Vektor für eine maximale Absorptionsrate sein. Vielmehr ist auch hier der Anteil der reflektierten Strahlung wesentlich, der die Vorbeschichtung nach dem Einstechen trifft (vgl. Fig. 3).

In den Figuren sind jeweils gleiche oder ent­ sprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeich­ net.

Claims (16)

1. Verfahren zum Umschmelzen von Werkstückoberflächen, auf die ein geführter Laserstrahl (4) gerichtet ist, dessen Einfallswinkel α, bezogen auf die Werkstückober­ flächennormale, größer als 0° ist, wobei das Werkstück (1) aus einem Grundwerkstoff (2) und einer darauf ange­ ordneten Vorbeschichtung (3) besteht, die beim Um­ schmelzen mit dem darunterliegenden Grundwerkstoff (2) eine Verbindung eingeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwi­ schen Laserstrahl und Werkstückoberfläche derart er­ folgt, daß die Strahlachse des Laserstrahls und die Bewegungsrichtung des auf die Werkstückoberfläche geführten Laserstrahls einen Winkel von größer 90° einschließen, daß nach einem Einstechvorgang des Laserstrahls durch die Vorbeschichtung (3) ein Randbereich in der Vorbe­ schichtung (3) ausgebildet wird, an dem ein Schmelzbad (6) an der Oberfläche des Grundwerkstoffes (2) entsteht, und daß durch den an der Schmelzbadoberfläche zur Vorbe­ schichtung hin reflektierten Anteil (9) der Laserstrahlung (4) der Randbereich der Vorbeschichtung (3) zusätzlich vorgewärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmtemperatur durch Variation des Einfallswinkels α des Laserstrahls (4) und/oder durch Variation des Winkels der Polarisations­ richtung zur Werkstückoberfläche eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmtemperatur in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Vorbeschichtung (3) mindestens der Temperatur für eine Entgasung von in der Vorbeschichtung enthaltenen, für die umgeschmolzene Schicht unerwünschten Zusatzstoffen, z. B. Binder oder Kleber, entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmtemperatur minde­ stens einen Wert erreicht, der zur Ausbildung von einzel­ nen Schmelztropfen (7) im Randbereich der Vorbeschichtung erforderlich ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (4) im Bereich der Bearbeitungszone zu einem rechteckförmigen Strahlquer­ schnitt (12) ausgebildet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umschmelzen durch eine geradlinige Bewegung des Laserstrahls (4) oder des Werk­ stücks (1) eine geradlinige Be­ schichtungsspur (13) ausgebildet wird, wobei die Be­ schichtungsspur (13) mit dem auf die Werkstückoberfläche projizierten Laserstrahl (14) einen Winkel β bildet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche in einem rechtwinkligen Koordinatensystem (x, y, z) um einen Winkel γ derart verkippt ist, daß die Bearbeitung in Richtung der Projektion der Schwerkraft auf die Werkstück­ oberfläche erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) an einer in der (x, z)-Ebene liegenden parallel zur Werkstückfläche verlaufenden Achse a um einen Winkel δ gedreht ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel γ und δ derart eingestellt sind, daß das Schmelzbad (6) infolge der Schwerkraft den Rand der Vorbeschichtung (3) benetzt, und daß das Schmelzbad (6) nicht von der Werkstückoberfläche abfließt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (4) linear polarisiert ist und die Polarisationsrichtung überwiegend parallel zu der vom einfallenden Laserstrahl (4) mit dem Einfallslot gebildeten Ebene verläuft.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Laserstrahlung (4), der von der Werkstückoberfläche absorbiert wird, durch Variation des Ein­ fallswinkels α des Laserstrahls und/oder der Querschnitts­ fläche des Laserstrahls (4) eingestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorptionsgrad derart eingestellt wird, daß ein für die Vorwärmung der Vorbe­ schichtung ausreichender Anteil an reflektierter Laser­ strahlung (9) nicht unterschritten wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei gekrümmten, insbesondere zylindrischen, Bauteilen der Einfallswinkel des Laser­ strahls (4) durch Versatz von der jeweiligen Rotations­ achse einstellbar ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel α des Laserstrahls (4) im Bereich von 30° bis 80°, vorzugs­ weise im Bereich von 65° bis 75° liegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche vor dem Umschmelzen einer Wärmevorbehandlung unterzogen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmevorbehandlung auf induktive Weise erfolgt und daß dabei der Induktor dem Laserstrahl derart vorausläuft, daß im Bereich des Schmelzbades zusätzlich die Restwärme der Wärmevorbe­ handlung für den Umschmelzvorgang zur Verfügung steht.