DE10009122B4

DE10009122B4 - Method and device for processing an inner surface of a cylindrical bore by means of a laser

Info

Publication number: DE10009122B4
Application number: DE10009122A
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann; Klaus Färber; Thomas Heider
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-02-26
Filing date: 2000-02-26
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2020-02-27
Also published as: DE10009122A1

Abstract

Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer eine Zylinderlängsachse (20) aufweisenden zylinderförmigen Bohrung (10) eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei die Innenfläche (18) abschnittsweise mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen und in den aufgeschmolzenen Abschnitt ein Legierungspulver eingebracht wird, wobei der Laserstrahl mittels einer Umlenkoptik (12) mit einer Umlenkoptiklängsachse (22) in die Bohrung (10) geführt und mit einem Umlenkspiegel (16) auf die Innenfläche gerichtet wird, wobei die Umlenkoptik (12) sowie eine Vorrichtung zum Zuführen des Legierungspulvers derart rotiert und in die Bohrung (10) vorgeschoben wird, dass ein vorbestimmter Bereich der Innenfläche (18) der Bohrung (10) von dem Laserstrahl überstrichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (12) mit der Umlenkoptiklängsachse (22) vor oder nach der Einführung in die Bohrung (10) bzgl. der Zylinderlängsachse (20) um einen vorbestimmten Winkel (28) verkippt wird.method for editing an inner surface one cylinder longitudinal axis (20) having cylindrical Bore (10) of a component, in particular of an aluminum cylinder crankcase of an internal combustion engine, being the inner surface (18) partially melted with a laser beam and in introduced an alloy powder the molten portion is, wherein the laser beam by means of a deflection optics (12) with a Umlenkoptiklängsachse (22) guided in the bore (10) and is directed with a deflection mirror (16) on the inner surface, wherein the Deflection optics (12) and a device for feeding the alloy powder rotated in such a way and in the bore (10) is advanced that a predetermined area of the inner surface (18) of the bore (10) of the laser beam overlined is, characterized in that the deflection optics (12) with the Umlenkoptiklängsachse (22) before or after the introduction into the bore (10) with respect. The cylinder longitudinal axis (20) by a predetermined Angle (28) is tilted.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer eine Zylinderlängsachse aufweisenden zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei die Innenfläche abschnittsweise mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen und in den aufgeschmolzenen Abschnitt ein Legierungspulver eingebracht wird, wobei der Laserstrahl mittels einer Umlenkoptik mit einer Umlenkoptiklängsachse in die Bohrung geführt und mit einem Umlenkspiegel auf die Innenfläche gerichtet wird, wobei die Umlenkoptik sowie eine Vorrichtung zum Zuführen des Legierungspulvers derart rotiert und in die Bohrung vorgeschoben wird, daß ein vorbestimmter Bereich der Innenfläche der Bohrung von dem Laserstrahl überstrichen wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche einer eine Zylinderlängsachse aufweisenden zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einem einen Laserstrahl abgebenden Laser, einer den Laserstrahl in die Bohrung führenden Umlenkoptik und einem den Laserstrahl auf die Innenwand richtenden Umlenkspiegel, welcher an einem vom Laser abgewandten Ende der Umlenkoptik angeordnet ist, wobei die Umlenkoptik um die Zylinderlängsachse als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The The invention relates to a method for processing an inner surface of a a cylinder longitudinal axis having cylindrical Bore a component, in particular an aluminum cylinder crankcase one Internal combustion engine, wherein the inner surface sections with a Laser beam melted and melted in the section an alloy powder is introduced, wherein the laser beam means a deflection optics with a Umlenkoptiklängsachse out into the bore and with a deflecting mirror is directed to the inner surface, wherein the Deflection optics and a device for feeding the alloy powder so rotated and advanced into the bore that a predetermined Area of the inner surface the bore of the laser beam swept over will, according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a device for editing an inner surface one cylinder longitudinal axis having cylindrical Drilling a component, in particular an aluminum cylinder crankcase of an internal combustion engine, with a laser emitting a laser beam, one of the laser beam leading into the bore Deflection optics and a laser beam directed to the inner wall Deflection mirror, which at a remote from the laser end of the deflection optics is arranged, wherein the deflection optics about the cylinder longitudinal axis rotatable with respect to. The bore is formed as a rotation axis, according to the preamble of claim 7.

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 AlSiI₇Cu₄Mg, 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.The predominantly used for cylinder crankcases hypoeutectic aluminum-silicon alloys are unsuitable due to the low proportion of wear-resistant silicon phase for the tribological stress of the system piston-piston ring cylinder bore. Hypereutectic alloys, for example the alloy AlSiI ₇ Cu ₄ Mg, have a sufficient proportion of silicon crystallites. This hard, wear-resistant structural constituent is emphasized by chemical and / or mechanical processing steps in relation to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required aerofoil fraction. A disadvantage, however, is the lack of castability, the poor machinability and the high cost of this alloy compared to the hypoeutectic and near-eutectic alloys.

Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z.B. Grauguß- und übereutektischen Aluminiumlegierungen. 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.A possibility To circumvent this disadvantage is the pouring of liners made of wear-resistant material such as. Gray cast iron and hypereutectic Aluminum alloys. However, the problem here is the connection between socket and casting, which ensures alone by a mechanical gearing becomes. By using a porous ceramic bushing material, it is possible in the casting process this to infiltrate and arrive at a material connection. This is a slow mold filling as well as the application of high pressure required what the cost-effectiveness significantly reduces the process.

Alternativ werden unter- und naheutektische 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.alternative become sub-and near-eutectic alloys as galvanic coatings applied directly to the raceways. However, this is expensive and tribochemically insufficient resistant. Another alternative form thermal spray coatings, which also directly on the treads be applied. However, the adhesive strength of these layers is due to a sole micromechanical clamping only insufficient.

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.It has therefore already been proposed to carry out the surface modifications remelting, alloying, dispersing and coating by the use of a laser, such as from DE 196 43 029 A1 or the EP 0 950 461 A2 known. Here, a hollow body to be machined, which is cylindrical with a rotationally symmetrical cylinder axis, held stationary and a deflection optics for the laser beam and a supply of alloy powder rotates and simultaneously advanced along the cylinder axis. The falling on the surface of the body to be machined laser beam generated on the cylinder wall in the region of a piston tread a molten bath, in which preferably silicon or other hard materials are introduced in order to obtain a wear-resistant, tribologically suitable tread.

In der DD 297 586 A5 wird ebenfalls eine Laserschweißvorrichtung mit einem Schweißkopf beschrieben, der um seine Achse drehbar und entlang seiner Achse verschiebbar ist. Der Schweißkopf weist einen zylindrischen Mantel auf, der dazu ausgebildet ist, um mit der Innenwandung eines zu bearbeitenden Rohres zusammenzuwirken, so dass eine Selbstzentrierung des Schweißkopfes in dem Rohr möglich ist. Die Längsachse des Rohres und die Längsachse der vorgesehenen Umlenkoptik fallen somit zusammen.In the DD 297 586 A5 Also described is a laser welding apparatus with a welding head which is rotatable about its axis and displaceable along its axis. The welding head has a cylindrical shell adapted to cooperate with the inner wall of a pipe to be machined, so that self-centering of the welding head in the pipe is possible. The longitudinal axis of the tube and the longitudinal axis of the proposed deflection optics thus coincide.

Alternativ dazu wird in der WO9841356A vorgeschlagen, die Laseroptik und die Zuführung für Legierungspulver ortsfest zu halten und den zu bearbeitenden Körper zu rotieren, wobei die Laseroptik und die Zuführung für Legierungspulver in einer Bohrung des Körpers, in der eine Oberflächenbehandlung stattfinden soll, eintaucht. Hierbei soll der Laserstrahl zwar parallel zu einer Mittelachse der Bohrung aber beabstandet von dieser einfallen. Auf diese Weise ist es möglich, den Umlenkspiegel der Umlenkoptik mit größerem Abstand zu der zu behandelnden Fläche anzuordnen. Durch die damit einhergehende Vergrößerung der Brennweite wird eine Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit des Laserstrahls erreicht. Diese Vorrichtung ist jedoch wegen der notwendigen Ausgleichsmassen zum Ausgleich von Unwuchten in dem zu rotierenden Körper aufwendig, kompliziert und benötigt viel Raum.Alternatively, in the WO9841356A proposed to keep the laser optics and the supply of alloy powder stationary and to rotate the body to be processed, wherein the laser optics and the supply of alloy powder immersed in a bore of the body in which a surface treatment is to take place. In this case, although the laser beam is parallel to a central axis of the bore but spaced from this incident. In this way it is possible to arrange the deflection mirror of the deflection optics with a greater distance from the surface to be treated. Due to the associated magnification ßerung the focal length, an improvement of the imaging accuracy of the laser beam is achieved. However, this device is complicated because of the necessary balancing weights to compensate for imbalances in the body to be rotated, and requires a lot of space.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, welche unabhängig vom gewählten Laserbearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Auflegieren oder Auftragsschweißen, ein gutes Bearbeitungsergebnis erzielen und gleichzeitig für Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern geeignet sind.Of the The present invention is based on the object, an improved Method and an improved device of the type mentioned above to disposal to ask which ones independently of the chosen Laser processing methods, such as alloying or Hardfacing, achieve a good machining result and at the same time for drilling are suitable with different diameters.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Vorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 7 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These The object is achieved by a Method of o.g. Type having the features characterized in claim 1 and by a device of the above-mentioned. Type with the characterized in claim 7 Characteristics solved. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Umlenkoptik derart in der Bohrung angeordnet wird, daß die Umlenkoptiklängsachse bzgl. der Zylinderlängsachse um einen vorbestimmten Winkel verkippt ist.To is it in a procedure of o.g. Art provided according to the invention, that the Umlenkoptik is arranged in the bore, that the Umlenkoptiklongitudinal axis with respect to the cylinder longitudinal axis is tilted a predetermined angle.

Dies hat den Vorteil, daß sich ein vergrößerter Abstand zwischen einem vom Laserstrahl bearbeiteten Abschnitt der Innenfläche und dem Umlenkspiegel ergibt, so daß eine reduzierte Verschmutzung des Umlenkspiegels durch entstehende Gase und Streupartikel erzielt wird. Ferner stellt sich eine größere Fokuslänge durch einen vergrößerten Abstand zwischen Umlenkspiegel und Innenwand ein, wodurch sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Abbildungsgenauigkeit des Laserstrahls auf der Innenfläche ergibt, da sich bei Abweichungen des Abstandes zwischen Umlenkspiegel und Innenfläche vom gewünschten Arbeitsabstand ein Fokusdurchmesser nur geringfügig ändert. Ferner ist der Kippwinkel derart variierbar, daß eine Anpassung an unterschiedliche Bohrungsdurchmesser möglich ist.This has the advantage of being an increased distance between a laser beam processed portion of the inner surface and the deflecting mirror, so that a Reduced contamination of the deflecting mirror due to the formation of gases and scattering particles is achieved. Furthermore, there is a greater focus length an increased distance between Deflection mirror and inner wall, resulting in an advantageous manner an improved imaging accuracy of the laser beam on the palm results, as in deviations of the distance between deflecting mirror and inner surface of the desired Working distance a focus diameter changes only slightly. Further, the tilt angle variable so that a Adaptation to different bore diameters is possible.

Beispielsweise wird als Bearbeitung der Innenfläche ein Auftragsschweißen, Dispergieren, Umschmelzen oder Einlegieren durchgeführt.For example is called machining the inner surface a build-up welding, Dispersing, remelting or alloying carried out.

Zum weiteren Vergrößern des Abstandes zwischen Innenfläche und Umlenkspiegel wird die Umlenkoptik vordem Verkippen in der Bohrung derart außermittig angeordnet wird, daß die Umlenkoptiklängsachse parallel beabstandet zur Zylinderlängsachse verläuft.To the further enlargement of the Distance between inner surface and deflection mirror is the deflection optics before tilting in the hole so off-center is arranged that the Umlenkoptiklängsachse parallel spaced from the cylinder axis.

Eine von einem Bohrungsdurchmesser unabhängige Anwendbarkeit erzielt man dadurch, daß vor und/oder während der Bearbeitung eine in der Umlenkoptik vorgesehene Fokussierlinse derart verschoben wird, daß der Laserstrahl auf die Innenfläche der Bohrung fokussiert wird.A Applicability independent of a bore diameter one by the fact that before and / or during the processing provided in the deflection optics focusing lens is shifted so that the Laser beam on the inner surface the bore is focused.

Beim Einsatz von leistungsstarken Lasern, beispielsweise zum Erzielen einer hohen Eindringtiefe in die Innenfläche, wird der Umlenkspiegel zum Abführen von Wärmeenergie und zum Vermeiden von thermischen Beschädigungen gekühlt.At the Use of powerful lasers, for example to achieve a high penetration depth into the inner surface, the deflection mirror for discharging of heat energy and cooled to avoid thermal damage.

Zum Ausgleich von Abweichungen vom Arbeitsabstand (Fokuslänge) sowie zum Anpassen der Umlenkoptik an Bohrungen mit verschiedenen Durchmessern und verschiedene Kippwinkel der Umlenkoptik wird vor und/oder während der Bearbeitung der Umlenkspiegel verstellt bzw. verkippt.To the Compensation of deviations from the working distance (focal length) as well as for adapting the deflection optics to holes with different diameters and different tilt angle of the deflection optics is before and / or during the Machining the deflection mirror adjusted or tilted.

Ferner ist es bei einer Vorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Umlenkoptik bzgl. der Drehachse um einen vorbestimmten Winkel verkippt angeordnet ist.Further it is in a device of o.g. Art provided according to the invention, that the Umlenkoptik with respect to the axis of rotation tilted by a predetermined angle is arranged.

Zum weiteren Vergrößern des Abstandes zwischen Innenfläche und Umlenkspiegel wird die Umlenkoptik vor dem Verkippen in der Bohrung derart außermittig angeordnet, daß die Umlenkoptiklängsachse parallel beabstandet zur Zylinderlängsachse verläuft.To the further enlargement of the Distance between inner surface and deflection mirror, the deflection optics before tilting in the Bore so off-center arranged that the Umlenkoptiklängsachse parallel spaced from the cylinder axis.

Zum Anpassen der Umlenkoptik an Bohrungen mit verschiedenen Durchmessern, so daß der Laserstrahl immer auf den Auftreffpunkt auf der Innenfläche fokussiert ist, ist in der Umlenkoptik eine entlang der Umlenkoptiklängsachse verschiebbare Fokussierlinse angeordnet.To the Adapting the deflection optics to holes with different diameters, so that the laser beam always focused on the impact point on the inner surface is in the deflection optics a along the Umlenkoptiklängsachse sliding focusing lens arranged.

Zum Ausrichten des Laserstrahls auf die Innenfläche für verschiedene Kippwinkel der Umlenkoptik und verschiedene Durchmesser der Bohrung ist der Umlenkspiegel in der Umlenkoptik verstellbar angeordnet.To the Aligning the laser beam on the inner surface for different tilt angles of the Umlenkoptik and different diameter of the bore is the deflection mirror arranged adjustable in the deflection optics.

Beispielsweise ist der Umlenkspiegel der Umlenkoptik als Galvanometerspiegel ausgebildet und optional mit einer Kühleinrichtung verbunden. Die Kühlung dient dabei insbesondere der Wärmeabfuhr bei hohen Laserstrahlintensitäten zum Vermeiden von thermischen Schädigungen des Umlenkspiegels, wenn große Eindringtiefen in die Innenfläche gewünscht sind.For example the deflecting mirror of the deflection optics is designed as a galvanometer mirror and optionally with a cooling device connected. The cooling In this case, in particular, the heat dissipation is used at high laser beam intensities to avoid thermal damage to the deflection mirror, if big Penetration depths in the inner surface required are.

Eine rechteckförmige Strahlintensitätsverteilung am Fokus bzw. Auftreffpunkt des Laserstrahls auf die Innenfläche erzielt man dadurch, daß der Umlenkspiegel als Zonenspiegel, Facettenspiegel oder asphärischer Spiegel ausgebildet ist.A rectangular Beam intensity distribution achieved at the focus or impact point of the laser beam on the inner surface one in that the Deflection mirror as zone mirror, facet mirror or aspherical Mirror is formed.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Reflexionsfläche des Umlenkspiegels für den Laserstrahl mit einer hochreflektierenden Beschichtung, insbesondere mit Kupfer, Gold und/oder Molybdän belegt. Dies hat bei einer Kühlung des Umlenkspiegels zusätzlich den Vorteil einer guten Wärmeleitung und damit einer effektiven Wärmeabfuhr von der Reflexionsfläche des Umlenkspiegels.In a preferred embodiment is a reflection surface of the deflecting mirror for the laser beam with a highly reflective coating, in particular with copper, gold and / or molybdenum busy. This has at a cooling the deflecting mirror in addition the advantage of good heat conduction and thus an effective heat dissipation from the reflection surface the deflecting mirror.

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 inFurther Features, advantages and advantageous embodiments of the invention arise from the dependent ones claims, and from the following description of the invention with reference to the attached Drawings. These show in

1 eine außermittige Anordnung einer Umlenkoptik in einer Bohrung nach einem ersten Verfahrensschritt in Schnittansicht und 1 an eccentric arrangement of a deflection optics in a bore after a first step in a sectional view and

2 eine verkippte Anordnung der Umlenkoptik in der Bohrung nach einem zweiten Verfahrensschritt in Schnittansicht. 2 a tilted arrangement of the deflection optics in the bore after a second method step in a sectional view.

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 Zylinderlängsachse der Bohrung 10 und mit 22 ist eine Umlenkoptiklängsachse der Umlenkoptik 12 bezeichnet. Sowohl die Bohrung 10 als auch ein wesentlicher Abschnitt der Umlenkoptik 12 sind rotationssymmetrisch um die jeweilige Längsachse 20, 22 ausgebildet.The 1 and 2 illustrate one in a cylindrical bore 10 arranged deflecting optics 12 , which is a laser beam 14 into the hole 10 leads and by means of a deflecting mirror 16 on an inner surface 18 the bore 10 directed. With 20 is a cylinder longitudinal axis of the bore 10 and with 22 is a Umlenkoptiklängsachse the deflection optics 12 designated. Both the hole 10 as well as an essential section of the deflection optics 12 are rotationally symmetrical about the respective longitudinal axis 20 . 22 educated.

In der Umlenkoptik 12 ist ferner eine Fokussierlinse 24 angeordnet. Nach Durchtritt des Laserstrahls 14 durch die Fokussierlinse 24 und Reflexion am Umlenkspiegel 16 trifft dieser auf die Innenfläche 18 der Bohrung 10, wobei die Fokussierlinse 24 derart angeordnet ist, daß sich ein Laserfokus 26 möglichst genau auf der Innenfläche 18 der Bohrung 10 befindet.In the deflection optics 12 is also a focusing lens 24 arranged. After passage of the laser beam 14 through the focusing lens 24 and reflection at the deflection mirror 16 this hits the inner surface 18 the bore 10 , wherein the focusing lens 24 is arranged such that a laser focus 26 as exactly as possible on the inner surface 18 the bore 10 located.

Mittels der in den 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. Aus Darstellungsgründen ist in den 1 und 2 eine Vorrichtung zum Zuführen des Legierungspulvers, ggf. unter Zuhilfenahme eines Schutzgasstromes, nicht dargestellt. 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).By means of in the 1 and 2 The arrangement shown is a surface treatment of the inner surface 18 the bore 10 such that the laser beam 14 a section of the inner surface 18 melts, so that a molten bath is formed, and this molten bath is supplied to a corresponding alloy powder. For illustration purposes is in the 1 and 2 a device for supplying the alloy powder, optionally with the aid of a protective gas flow, not shown. Depending on the intensity of the laser beam 14 only one surface of the inner surface 18 melted (build-up welding) or a predetermined penetration depth of the laser beam 14 in the inner surface 18 achieved, so that the molten bath over a predetermined distance in the inner surface 18 extends (alloying).

Die Bohrung 10 ist beispielsweise in einem ansonsten nicht näher dargestellten Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet, wobei mittels der Laserbehandlung (Laser-Plasmabeschichtung) 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.The hole 10 is formed, for example, in an aluminum cylinder crankcase, not otherwise shown, wherein by means of the laser treatment (laser plasma coating) on the cylinder wall 18 a tribologically suitable piston running surface with correspondingly pure pure aluminum higher mechanical strength is produced. In this case, for example, a piston tread is made with entry of silicon powder. In order to produce a corresponding surface as a piston running surface, the laser beam 14 a corresponding surface on the inner surface 18 the bore 10 sweep. For this purpose, the deflection optics 12 rotated accordingly, so that the laser beam 14 successively other sections of the inner surface 18 the bore 10 sweeps. In addition to the rotation, a corresponding feed of the deflection optics 12 into the hole 10 into it.

Bei den in den 1 und 2 dargestellten, aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten wird die Umlenkoptik gemäß 1 außermittig bezüglich der Zylinderlängsachse 20 in der Bohrung 10 angeordnet. Mit anderen Worten verläuft die Umlenkoptiklängsachse 22 parallel beabstandet zur Zylinderlängsachse 20. Danach wird, wie aus 2 ersichtlich, die Umlenkoptik 12 bezüglich der Zylinderlängsachse 20 um einen vorbestimmten Winkel 28 verkippt. Wie sich sofort anschaulich aus 2 ergibt, ist dadurch eine Fokuslänge 30, d.h. ein Abstand zwischen dem Reflexionsbereich des Laserstrahls 14 am Umlenkspiegel 16 und einem Auftreffpunkt 26 des Laserstrahles 14 auf der Innenfläche 18 entsprechend vergrößert. Hierdurch ist eine Verschmutzung der Umlenkoptik 12 und insbesondere des Umlenkspiegels 16 aufgrund von reflektierten, nicht eingebundenen Streupartikeln, welche vom Laserfokus 26 ausgehen, weitgehend vermieden, da derartige Streupartikel, bevor sie den Umlenkspiegel 16 erreichen könnten, entsprechend abgesaugt werden. Ein weiterer Vorteil der außermittigen und verkippten Anordnung der Umlenkoptik 12 liegt darin, daß der Arbeitsabstand zwischen Umlenkspiegel 16 und Laserfokus 26 vergrößert ist. Daraus ergibt sich, daß bei Abweichungen vom Arbeitsabstand der Fokusdurchmesser nur geringfügig geändert wird. Im Ergebnis erzielt dies eine bessere Abbildungsgenauigkeit des Laserstrahls 14 mittels der Umlenkoptik 12 auf der Innenfläche 18.In the in the 1 and 2 shown sequential process steps, the deflection optics according to 1 eccentrically with respect to the cylinder longitudinal axis 20 in the hole 10 arranged. In other words, the Umlenkoptiklängsachse runs 22 parallel spaced to the cylinder longitudinal axis 20 , After that, how will off 2 visible, the deflection optics 12 with respect to the cylinder longitudinal axis 20 at a predetermined angle 28 tilted. As is immediately apparent 2 results, is thereby a focus length 30 ie a distance between the reflection area of the laser beam 14 at the deflection mirror 16 and a point of impact 26 of the laser beam 14 on the inner surface 18 increased accordingly. This causes contamination of the deflection optics 12 and in particular the deflection mirror 16 due to reflected, unincorporated scattering particles, which are from the laser focus 26 go out, largely avoided, because such scattering particles, before they turn the mirror 16 could be achieved, be sucked out accordingly. Another advantage of the eccentric and tilted arrangement of the deflection optics 12 lies in the fact that the working distance between deflecting mirror 16 and lasers focus 26 is enlarged. It follows that in deviations from the working distance of the focus diameter is only slightly changed. As a result, this achieves a better imaging accuracy of the laser beam 14 by means of the deflection optics 12 on the inner surface 18 ,

Um einen hohen Variationsgrad bezüglich unterschiedlicher Durchmesser der Bohrung 10 zu erhalten, ist die Fokussierlinse 24 in der Umlenkoptik 12 derart verschiebbar angeordnet, daß durch eine Veränderung der Fokussierlinsenhöhe 32 eine Verlagerung des Laserfokus 26, ausgerichtet auf den jeweiligen Durchmesser der Bohrung 10, stattfinden kann. Dadurch tritt abermals eine Veränderung der Fokuslänge 30 ein.To a high degree of variation with respect to different diameter of the bore 10 to get is the focusing lens 24 in the deflection optics 12 arranged so displaceable that by changing the Fokussierlinsenhöhe 32 a shift of the laser focus 26 , aligned to the respective diameter of the bore 10 , can take place. This again causes a change in the focal length 30 one.

In der in 2 dargestellten Anordnung der Umlenkoptik 12 in der Bohrung 10 wird die Umlenkoptik 12 um die Zylinderlängsachse 20 als Drehachse gedreht und in Richtung dieser Drehachse 20 in die Bohrung 10 hinein vorgeschoben, um in entsprechender Weise ein Überstreichen des Laserstrahls 14 eines vorbestimmten Bereiches (Kolbenlauffläche) innerhalb der Bohrung 10 zu erzielen.In the in 2 illustrated arrangement of the deflection optics 12 in the hole 10 becomes the deflection optics 12 around the cylinder's longitudinal axis 20 rotated as a rotation axis and in the direction of this axis of rotation 20 into the hole 10 advanced to a corresponding sweeping of the laser beam 14 a predetermined range (piston running surface) within the bore 10 to achieve.

In 2 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie eine zweite Position für die Fokussierlinie 24 mit geänderter Fokussierlinsenhöhe 32 dargestellt.In 2 is an example with dashed line a second position for the focusing line 24 with changed focus lens height 32 shown.

Die vorangehende Beschreibung bezüglich der Abfolge der Anordnung der Umlenkoptik 12 in der Bohrung 10, d.h. das außermittige Anordnen und das anschließende Verkippen bevor mittels Drehung der Umlenkoptik 12 die Oberflächenbearbeitung beginnt, ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Alternativ ist es auch möglich, daß die Umlenkoptik 12 bereits in der in 2 dargestellten Weise verkippt an einer Vorrichtung zur Bearbeitung der Innenfläche 18 der Bohrung 10 angeordnet ist und direkt in dieser Weise in die Bohrung eingeführt wird. Mit anderen Worten ist dann die Umlenkoptik 12 an der Bearbeitungsvorrichtung zur Laser-Plasmabeschichtung derart angeordnet, daß die Umlenkoptiklängsachse 22 bezüglich einer Drehachse 20 um einen vorbestimmten Winkel 28 verkippt ist. Hierbei ist es noch nicht unbedingt notwendig, daß auch eine entsprechend außermittige Anordnung der Umlenkoptik 12 erfolgt. Diese außermittige Anordnung ist in 2 dadurch ersichtlich, daß nicht ein Reflexionsbereich des Umlenkspiegels 16 für den Laserstrahl 14 durch die Drehachse 20 geschnitten wird, sondern die Drehachse 20 an einem Randbereich 34 des Umlenkspiegels 16 verläuft. Mit anderen Worten liegt ein Schnittpunkt zwischen der Zylinderlängsachse 20 und der Umlenkoptiklängsachse 22 nicht im Bereich des Umlenkspiegels 16, sondern oberhalb des Umlenkspiegels 16, ggf. oberhalb der Fokussierlinse 24 bzw. ggf. auch außerhalb der Bohrung 10.The preceding description regarding the sequence of the arrangement of the deflection optics 12 in the hole 10 , ie the eccentric arranging and the subsequent tilting before by means of rotation of the deflection optics 12 The surface treatment begins, is only to be understood as an example. Alternatively, it is also possible that the deflection optics 12 already in the in 2 shown tilted on a device for processing the inner surface 18 the bore 10 is arranged and is introduced directly into the hole in this way. In other words, then the deflection optics 12 arranged on the processing device for laser plasma coating such that the Umlenkoptiklängsachse 22 with respect to a rotation axis 20 at a predetermined angle 28 is tilted. It is not yet necessary that a corresponding eccentric arrangement of the deflection optics 12 he follows. This off-center arrangement is in 2 apparent that not a reflection region of the deflection mirror 16 for the laser beam 14 through the axis of rotation 20 is cut, but the axis of rotation 20 on a border area 34 the deflecting mirror 16 runs. In other words, there is an intersection between the cylinder longitudinal axis 20 and the Umlenkoptiklängsachse 22 not in the area of the deflection mirror 16 but above the deflecting mirror 16 , if necessary above the focusing lens 24 or possibly outside the bore 10 ,

Das erfindungsgemäße System zur Laser-Plasmabehandlung der Innenfläche 18 der Bohrung 10 ist unempfindlich gegenüber Toleranzabweichungen beim Variieren des Arbeitsabstandes, bedingt durch die größere Fokuslänge 30. Ferner ist es mit einer einzigen Laseroptik möglich, eine Oberflächenbehandlung in Bohrungen 10 mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern durchzuführen, indem einfach durch Variation des Kippwinkels 28 bzw. der Fokussierlinsenhöhe 32 die Fokussierlänge 30 entsprechend an den Durchmesser der Bohrung 10 angepaßt wird. Alternativ oder zusätzlich ist der Umlenkspiegel 16 in der Umlenkoptik 12 verkippbar angeordnet, so daß durch entsprechendes Verkippen dieses Umlenkspiegels 16 der Laserstrahl 14 an eine entsprechende Stelle der Innenfläche 18 führbar ist, wobei ggf. eine Fokussierlänge 30 zusätzlich weiter vergrößert wird.The inventive system for laser plasma treatment of the inner surface 18 the bore 10 is insensitive to tolerance deviations when varying the working distance, due to the greater focal length 30 , Furthermore, it is possible with a single laser optics, a surface treatment in holes 10 with different bore diameters by simply varying the tilt angle 28 or the Fokussierlinsenhöhe 32 the focus length 30 according to the diameter of the hole 10 is adapted. Alternatively or additionally, the deflection mirror 16 in the deflection optics 12 arranged tiltable, so that by appropriate tilting this deflecting mirror 16 the laser beam 14 to a corresponding point of the inner surface 18 is feasible, where appropriate, a focus length 30 additionally further increased.

1010: zylinderförmige Bohrungcylindrical bore
1212: Umlenkoptikdeflecting
1414: Laserstrahllaser beam
1616: Umlenkspiegeldeflecting
1818: Innenflächepalm
2020: Zylinderlängsachsecylinder longitudinal axis
2222: UmlenkoptiklängsachseUmlenkoptiklängsachse
2424: Fokussierlinsefocusing lens
2626: Laserfokuslaser focus
2828: Winkelangle
3030: Fokuslängefocal length
3232: FokussierlinsenhöheFokussierlinsenhöhe
3434: Randbereich des Umlenkspiegelsborder area the deflecting mirror

Claims

Method for processing an inner surface of a cylinder longitudinal axis ( 20 ) having cylindrical bore ( 10 ) of a component, in particular of an aluminum cylinder crankcase of an internal combustion engine, wherein the inner surface ( 18 ) is melted in sections with a laser beam and an alloy powder is introduced into the molten portion, wherein the laser beam by means of a deflection optics ( 12 ) with a Umlenkoptiklängsachse ( 22 ) into the hole ( 10 ) and with a deflecting mirror ( 16 ) is directed to the inner surface, wherein the deflection optics ( 12 ) and a device for feeding the alloy powder in such a way and into the bore ( 10 ) is advanced, that a predetermined area of the inner surface ( 18 ) of the bore ( 10 ) is swept by the laser beam, characterized in that the deflection optics ( 12 ) with the Umlenkoptiklängsachse ( 22 ) before or after the introduction into the bore ( 10 ) with respect to the cylinder longitudinal axis ( 20 ) by a predetermined angle ( 28 ) is tilted.

A method according to claim 1, characterized gekenn characterized in that as a processing of the inner surface a build-up welding, dispersing, remelting or alloying is performed.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the deflecting optics ( 12 ) before tilting in the bore ( 10 ) is arranged eccentrically such that the Umlenkoptiklängsachse ( 22 ) spaced parallel to the cylinder longitudinal axis ( 20 ) runs.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that before and / or during processing in the deflection optics ( 12 ) provided focusing lens ( 24 ) is shifted such that the laser beam on the inner surface ( 18 ) of the bore ( 10 ) is focused.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the deflection mirror ( 16 ) is cooled.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that before and / or during processing of the deflection mirror ( 16 ) is adjusted or tilted.

Device for processing an inner surface ( 18 ) one a cylinder longitudinal axis ( 20 ) having cylindrical bore ( 10 ) of a component, in particular of an aluminum cylinder crankcase of an internal combustion engine, with a laser beam ( 14 ) emitting laser, one of the laser beam ( 14 ) into the hole ( 10 ) leading deflection optics ( 12 ) with a Umlenkoptiklängsachse ( 22 ) and with a laser beam ( 14 ) on the inner surface ( 18 ) directing deflection mirror ( 16 ), which at a side facing away from the laser end of the deflection optics ( 12 ), wherein the deflection optics ( 12 ) about the cylinder longitudinal axis ( 20 ) Rotatable as a rotation axis with respect to the bore ( 10 ), characterized in that the deflection optics ( 12 ) with the Umlenkoptiklängsachse ( 22 ) with respect to the cylinder longitudinal axis ( 20 ) by a predetermined angle ( 28 ) is arranged tilted.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the deflection optics ( 12 ) with the Umlenkoptiklängsachse ( 22 ) before tilting the same off-center to the cylinder longitudinal axis ( 20 ) is arranged.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that in the deflection optics ( 12 ) one along the Umlenkoptiklängsachse ( 22 ) displaceable focusing lens ( 24 ) is arranged.

Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the deflection mirror ( 16 ) in the deflection optics ( 12 ) is arranged adjustable.

Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the deflection mirror ( 16 ) of the deflection optics ( 12 ) is designed as a galvanometer mirror.

Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the deflecting mirror ( 16 ) is designed as a zone mirror, facet mirror or aspherical mirror.

Device according to one of claims 7 to 12, characterized in that the deflection mirror ( 16 ) is connected to a cooling device.

Device according to one of claims 7 to 13, characterized in that a reflection surface of the deflection mirror ( 16 ) for the laser beam ( 14 ) is coated with a highly reflective coating, in particular with copper, gold and / or molybdenum.