DE10009121B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Laseroberflächenbearbeiten mit einem Pulverzuführungssystem - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Laseroberflächenbearbeiten mit einem Pulverzuführungssystem Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Laseroberflächenbearbeiten einer zylinderförmigen Bohrung (10) eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Pulverzuführung, einem einen Laserstrahl (14) abgebenden Laser und einer den Laserstrahl (14) in die Bohrung (10) führenden Umlenkoptik (12), wobei die Umlenkoptik (12) um eine Umlenkoptiklängsachse als Drehachse (20) drehbar bzgl. der Bohrung (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem aus der Bohrung (10) herausragenden Ende der rotierenden Umlenkoptik (12) ein mit der Umlenkoptik (12) rotierender Pulverbehälter (32) sowie wenigstens eine bzgl. der Bohrung (10) stationäre Pulverdosieranlage (26, 28) angeordnet ist, welche wenigstens zwei separate in den Pulverbehälter (32) geführte Pulverleitungen (30) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laseroberflächenbearbeiten einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Pulverzuführung, einem einen Laserstrahl abgebenden Laser und einer den Laserstrahl in die Bohrung führenden Umlenkoptik, wobei die Umlenkoptik um eine Umlenkoptiklängsachse als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laseroberflächenbearbeiten einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei mittels einer um eine Drehachse rotierenden Umlenkoptik ein Laserstrahl in die Bohrung eingeführt wird und mittels einer Pulverzuführung Legierungspulver an einen Bearbeitungsort transportiert wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring-Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z.B. die Legierung AlSil7Cu4Mg, besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.
  • Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z.B. Grauguß. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.
  • Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen als galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.
  • Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 196 43 029 A1 oder der EP 0 950 461 A2 bekannt. Hierbei wird ein zu bearbeitender Hohlkörper, welcher zylinderförmig mit einer rotationssymmetrischen Zylinderachse ausgebildet ist, ortsfest gehalten und eine Umlenkoptik für den Laserstrahl sowie eine Zuführung für Legierungspulver rotiert und gleichzeitig entlang der Zylinderachse vorgeschoben. Der auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Körpers fallende Laserstrahl erzeugt an der Zylinderwand im Bereich einer Kolbenlauffläche ein Schmelzbad, in welches hier vorzugsweise Silizium oder andere Hartstoffe eingebracht werden, um eine verschleißfeste, tribologisch geeignete Lauffläche zu erhalten.
  • Es stellt sich bei derartigen Anlagen mit rotierender Pulverzuführung häufig als problematisch heraus, das Legierungspulver gleichmäßig an einen Bearbeitungsort, an dem der Laserstrahl auf die Innenfläche der Bohrung trifft, zu fördern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, die auf einfache und kostengünstige Weise eine gleichmäßige Pulververteilung und Pulverausbringung sicherstellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 9 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Dazu ist es bei einer Vorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an einem aus der Bohrung herausragenden Ende der rotierenden Umlenkoptik ein mit der Umlenkoptik rotierender Pulverbehälter sowie wenigstens eine bzgl. der Bohrung stationäre Pulverdosieranlage angeordnet ist, welche wenigstens zwei separate in den Pulverbehälter geführte Pulverleitungen aufweist.
  • Dies hat den Vorteil, daß eine gleichmäßige und pulsationsfreie Pulverzuführung mit gleichbleibend konstantem Volumenstrom bei gleichzeitig einfachem Aufbau zur Verfügung steht. Auch bei rotierendem Lasersystem ergeben sich keine Druckschwankungen beim Pulveraustrag.
  • Eine gute Vermischung von zwei oder mehr Zusatzstoffen zu gewünschten prozentualen Anteilen wird dadurch sichergestellt, dass ein Boden des Pulverbehälters bzgl. einer Senkrechten zur Drehachse einen vorbestimmten Winkel aufweist und an einer in Schwerkraftrichtung tiefsten Stelle in ein Pulveraustragsrohr mündet, welches eine Pulveraustragsöffnung aufweist, welche zum Ausbringen von Pulver in den Laserstrahl in Richtung einer vom Laserstrahl bearbeiteten Stelle einer Innenfläche der Bohrung benachbart zum Laserstrahl angeordnet ist.
  • Zum Anpassen an unterschiedliche Pulverarten und Betriebsbedingungen sind jeweilige, den Boden bildende Einlegeteile für den Pulverbehälter vorgesehen, welche unterschiedliche Winkel α ausbilden. Beispielsweise sind diese Einlegeteile jeweils im Pulverbehälter verstiftet oder es ist eine zentrierende Verbindung zwischen Pulverbehälter und Einlegeteil vorgesehen.
  • Zum Einleiten bzw. Fördern des Pulvers in den Pulverbehälter sowie durch das Pulveraustragsrohr umfaßt die Dosieranlage einen Fördergasstrom.
  • Zweckmäßigerweise ist zwischen Pulverdosieranlage und Pulverleitungen ein Pulververteiler angeordnet. Bevorzugt umgibt der Pulverbehälter die Umlenkoptik in einem vorbestimmten Abschnitt mantelförmig.
  • Ferner ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Pulver an einem aus der Bohrung herausragenden Ende der Umlenkoptik an wenigstens zwei separaten Stellen zugeführt, koaxial zur Drehachse in Rotation versetzt und entlang der Umlenkoptik zum Bearbeitungsort geleitet wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige und pulsationsfreie Pulverzuführung mit gleichbleibend konstantem Volumenstrom bei gleichzeitig einfachem Aufbau zur Verfügung steht. Ferner ist eine Vermischung von zwei oder mehreren Zusatzstoffen zu den gewünschten prozentualen Anteilen sichergestellt. Auch bei rotierendem Lasersystem ergeben sich keine Druckschwankungen beim Pulveraustrag.
  • Zum Sicherstellen einer ausreichenden Durchmischung und konstantem Volumenstrom wird das Pulver einem an der Umlenkoptik angeordneten Pulverbehälter derart zugeführt, daß ein Füllgradwinkel einen maximalen Winkel αmax nicht überschreitet.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
  • 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Schnittansicht,
  • 2 in Aufsicht,
  • 3 ein Einlegeteil für einen Pulverbehälter der Vorrichtung gemäß 1 in Aufsicht und
  • 4 in Seitenansicht.
  • Die 1 und 2 veranschaulichen eine in einer zylinderförmigen Bohrung 10 angeordnete Umlenkoptik 12, welche einen Laserstrahl 14 in die Bohrung 10 führt und mittels eines Umlenkspiegels 16 auf eine Innenfläche 18 der Bohrung 10 richtet. Mit 20 ist eine Umlenkoptiklängsachse der Umlenkoptik 12 bezeichnet, wobei diese Längsachse 20 mit einer Zylinderlängsachse der Bohrung 10 fluchtet. Sowohl die Bohrung 10 als auch ein wesentlicher Abschnitt der Umlenkoptik 12 sind rotationssymmetrisch um die Längsachse 20 ausgebildet.
  • Der von einem nicht dargestellten, stationären Laser ausgehende Laserstrahl 14 wird von einem stationären Spiegel 21 in die Umlenkoptik 12 hinein abgelenkt und nach Reflexion am Umlenkspiegel 16 trifft der Laserstrahl 14 auf die Innenfläche 18 der Bohrung 10, wobei die Anordnung derart getroffen ist, da sich ein Laserfokus 24 möglichst genau auf der Innenfläche 18 der Bohrung 10 befindet.
  • Mittels der in 1 und 2 dargestellten Anordnung erfolgt eine Oberflächenbehandlung der Innenfläche 18 der Bohrung 10 derart, dass der Laserstrahl 14 einen Abschnitt der Innenfläche 18 aufschmilzt, so daß ein Schmelzbad entsteht, und diesem Schmelzbad ein entsprechendes Legierungspulver zugeführt wird. Eine entsprechende Vorrichtung zum Zuführen von Legierungspulver 22 transportiert ggf. unter Zuhilfenahme eines Schutzgasstromes das Legierungspulver 22 zu einem Bearbeitungsort am Laserfokus 24. Je nach Intensität der Laserstrahles 14 wird nur eine Oberfläche der Innenfläche 18 aufgeschmolzen (Auftragsschweißen) oder eine vorbestimmte Eindringtiefe des Laserstrahles 14 in die Innenfläche 18 erzielt, so dass das Schmelzbad über eine vorbestimmte Strecke in die Innenfläche 18 hineinreicht (Auflegieren).
  • Die Bohrung 10 ist beispielsweise in einem ansonsten nicht näher dargestellten Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet, wobei mittels der Laserbehandlung (Laser-Pasmabeschichtung) an der Zylinderwand 18 eine tribologisch geeignete Kolbenlauffläche mit entsprechend bzgl. reinem Aluminium höherer mechanischer Festigkeit hergestellt wird. Dabei wird beispielsweise eine Kolbenlauffläche mit Eintrag von Siliziumpulver hergestellt. Um eine entsprechende Fläche als Kolbenlauffläche herzustellen, muß der Laserstrahl 14 eine entsprechende Fläche an der Innenfläche 18 der Bohrung 10 überstreichen. Hierzu wird die Umlenkoptik 12 entsprechend gedreht, so daß der Laserstrahl 14 sukzessive andere Abschnitte der Innenfläche 18 der Bohrung 10 überstreicht. Zusätzlich zu der Drehung erfolgt ein entsprechender Vorschub der Umlenkoptik 12 in die Bohrung 10 hinein.
  • Die Vorrichtung zum Zuführen von Legierungspulver 22 umfaßt eine Zuleitung 26 von einer nicht dargestellten Dosieranlage zu einem Pulververteiler 28, von dem aus mehrere Pulverleitungen 30 zu einem Pulverbehälter 32 führen. Der Pulverbehälter 32 ist mit der rotierenden Umlenkoptik 12 verbunden, so dass der Pulverbehälter 32 mit der Umlenkoptik 12 zusammen um die Drehachse 20 rotiert. Aus den z.B. vier Pulverleitungen 30 tritt das Legierungspulver 22 an verschiedenen Stellen in den Pulverbehälter 32 aus. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, sind die Austrittsstellen der Pulverleitungen 30 innerhalb des sich drehenden Pulverbehälters 32 an den Ecken eines Rechteckes angeordnet. Die Pulverleitungen 30 sind bezüglich der Bohrung 10 stationär sind, wobei das aus den Pulverleitungen 30 in den sich drehenden Behälter 32 fallende Pulver 22 entsprechend koaxial um die Drehachse 20 beschleunigt wird.
  • Der Pulverbehälter 32 weist einen Boden 34 auf, welcher bezüglich einer Senkrechten 36 zur Drehachse 20 einen vorbestimmten Winkel α 38 einschließt. Der Boden 34 und der Pulverbehälter 32 bilden eine Öffnung 40 aus, an der ein Pulveraustragsrohr 42 mit einer Pulveraustragsöffnung 44 angeordnet ist. Aus der Pulveraustragsöffnung 44 tritt das Legierungspulver 22 benachbart zum Laserstrahl 14 in Richtung des Behandlungsortes am Laserfokus 24 aus. Der Transport des Legierungspulvers 22 durch die Zuführung 26, den Pulververteiler 28, die Pulverleitungen 30 und das Pulveraustragsrohr 42 erfolgt ggf. mittels eines Schutzgasstromes. Wie insbesondere anschaulich aus 2 ersichtlich, nähert sich die Öffnung 40 bei der Rotation des Pulverbehälters 32 sukzessive den Öffnungen der Pulverleitungen 30 und entfernt sich wieder von diesen. Durch die um die Drehachse herum gleichmäßige Anordnung der Enden der Pulverleitungen 30 ist jedoch die Öffnung 40 nie besonders weit von wenigstens einem Ende einer der Pulverleitungen 30 entfernt, so daß sich durch die Bewegung der Öffnung 40 bzgl. der Enden der Pulverleitungen 30 keine Pulsationen bei der Förderung und dem Austrag des Pulvers mittels des Rohres 42 ergibt.
  • Der Pulverbehälter 32 ist in einem oberen Abschnitt der Umlenkoptik 12 mantelförmig um diese herum angeordnet. Die Dosierung der Pulverzuführung über die Pulverleitungen 30 erfolgt derart, daß ein maximaler Füllgradwinkel αmax 46 nicht überschritten wird. Durch die Rotation des Pulverbehälters 32 und damit des in diesen eingeleiteten Legierungspulvers 22 erfolgt einerseits eine gute Durchmischung von ggf. verschiedenen Komponenten des Legierungspulvers 22 sowie andererseits ein pulsfreier Austrag durch das Pulveraustragsrohr 42 und die Pulveraustragsöffnung 44 an dem Behandlungsort am Laserfokus 24, trotz rotierenden Umlenkoptik 12 bzw. trotz Rotation des Pulveraustragsrohres 42.
  • Dies gewährleistet eine gleichmäßige Pulververteilung sowie Pulverausbringung, wobei gleichzeitig eine Vermischung von zwei oder mehreren Zusatzstoffen zu gewünschten prozentuellen Anteilen sichergestellt ist. Zudem tritt das Pulver an der Pulveraustragsöffnung 44 in gewünschten Anteilen ohne Druckschwankungen (Pulsationen) auch bei rotierendem Lasersystem 12 kontinuierlich, pulsationsfrei und mit gleichbleibendem, konstantem Volumenstrom aus.
  • Gegebenenfalls sind mehrere Dosieranlagen und mehr als vier Pulverleitungen 30 vorgesehen, was anschaulich mehrere Zusatzstoffe zuläßt und zu einer weiteren Reduktion von Pulsationen an der Pulveraustragsöffnung 44 führt.
  • Bedingt durch die Rotation (Fliehkraft) des mit dem Winkel α 38 konisch angeformten Pulverbehälters 32 und nur einer Pulveraustrittsöffnung 40, wird eine gleichmäßige Vermischung und ein gleichmäßiger Abfluß gewährleistet. Durch das stationär angeordnete Verteilersystem und den vier oder mehr Verbindungen 30 zum rotierenden Pulverbehälter 32 werden Pulsationen des Pulverförderstroms eliminiert, wodurch ein gleichmäßiger Volumenaustrag ohne Verstopfungsgefahr sichergestellt ist.
  • Die Winkel α 38 und αmax 46 sind auf das Fördervolumen der Dosieranlage sowie auf das zu fördernde Medium, deren Zusammensetzung, der Pulvergröße und dem Pulvergewicht (Partikelgewicht) abzustimmen. Hierbei sind der Winkel α 38 bzw. der Winkel αmax 46 Funktionen folgender Parameter: Fördervolumen der Dosieranlage, Größe des Pulvers, Verhältnis Pulver-/Partikelgewicht, Drehzahl des Pulverbehälters 32, Querschnitt der Austrittsöffnung 44, Böschungswinkel des jeweiligen Pulvers bzw. der Zusammensetzung. Beim Einsatz unterschiedlicher Pulver 22, die unterschiedliche Winkel α 38 funktionell benötigen, wird die Notwendigkeit verschiedener Pulverbehälter mit verschieden schräg angeordneten Böden 34 dadurch vermieden, daß zusätzliche Einlegeteile 48, wie aus 3 und 4 ersichtlich, vorgesehen sind. Diese Einlegeteile 48 sind derart ausgebildet, daß sie einen jeweiligen Winkel α 38 einstellen. Damit diese Einlegeteile 48 positioniert sind, wird eine zentrierende Verbindung zwischen dem Pulverbehälter 32 und dem Einlegeteil 48 eingesetzt. Verschiedene Einlegeteile 48 bilden dabei verschiedene Winkel α 38 aus.
  • 10
    Bohrung
    12
    Umlenkoptik
    14
    Laserstrahl
    16
    Umlenkspiegel
    18
    Innenfläche
    20
    Umlenkoptiklängsachse
    21
    stationärer Spiegel
    22
    Legierungspulver
    24
    Laserfokus
    26
    Zuführung
    28
    Pulververteiler
    30
    Pulverleitungen
    32
    Pulverbehälter
    34
    Boden
    36
    Senkrechten zur Drehachse
    38
    Winkel α
    40
    Öffnung
    42
    Pulveraustragsrohr
    44
    Pulveraustragsöffnung
    46
    Winkel αmax
    48
    Einlegeteil

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Laseroberflächenbearbeiten einer zylinderförmigen Bohrung (10) eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Pulverzuführung, einem einen Laserstrahl (14) abgebenden Laser und einer den Laserstrahl (14) in die Bohrung (10) führenden Umlenkoptik (12), wobei die Umlenkoptik (12) um eine Umlenkoptiklängsachse als Drehachse (20) drehbar bzgl. der Bohrung (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem aus der Bohrung (10) herausragenden Ende der rotierenden Umlenkoptik (12) ein mit der Umlenkoptik (12) rotierender Pulverbehälter (32) sowie wenigstens eine bzgl. der Bohrung (10) stationäre Pulverdosieranlage (26, 28) angeordnet ist, welche wenigstens zwei separate in den Pulverbehälter (32) geführte Pulverleitungen (30) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Boden (34) des Pulverbehälters (32) bzgl. einer Senkrechten (36) zur Drehachse (20) einen vorbestimmten Winkel α (38) aufweist und an einer in Schwerkraftrichtung tiefsten Stelle in ein Pulveraustragsrohr (42) mündet, welches eine Pulveraustragsöffnung (44) aufweist, welche zum Ausbringen von Pulver (22) in den Laserstrahl (14) in Richtung einer vom Laserstrahl (14) bearbeiteten Stelle einer Innenfläche (18) der Bohrung (10) benachbart zum Laserstrahl (14) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige, den Boden (34) bildende Einlegeteile (48) für den Pulverbehälter (32) vorgesehen sind, welche unterschiedliche Winkel α (38) ausbilden.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges Einlegeteil (48) im Pulverbehälter (32) verstiftet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrierende Verbindung zwischen Pulverbehälter (32) und Einlegeteil (48) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosieranlage einen Fördergasstrom umfaßt.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pulverdosieranlage (26) und Pulverleitungen (30) ein Pulververteiler (28) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverbehälter (32) die Umlenkoptik (12) in einem vorbestimmten Abschnitt mantelförmig umgibt.
  9. Verfahren zum Laseroberflächenbearbeiten einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei mittels einer um eine Drehachse rotierenden Umlenkoptik ein Laserstrahl in die Bohrung eingeführt wird und mittels einer Pulverzuführung Legierungspulver an einen Bearbeitungsort transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver an einem aus der Bohrung herausragenden Ende der Umlenkoptik an wenigstens zwei separaten Stellen zugeführt, koaxial zur Drehachse in Rotation versetzt und entlang der Umlenkoptik zum Bearbeitungsort geleitet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver einem an der Umlenkoptik angeordneten Pulverbehälter derart zugeführt wird, dass ein Füllgradwinkel einen maximalen Winkel αmax nicht überschreitet.
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