DE102006001688B4

DE102006001688B4 - Verfahren und System zum Laserbeschichten

Info

Publication number: DE102006001688B4
Application number: DE102006001688A
Authority: DE
Inventors: Jennifer M. Clarkston Stanek; Timothy L. Ortonville Neal; Chandran B. Rochester Hills Santanam; Ko-Jen Troy Wu
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: CN1804120A; CN1804120B; DE102006001688A1; US20060153996A1

Abstract

Verfahren zum Laserbeschichten, wobei das Verfahren umfasst, dass:
eine Materialdickenänderung eines Substrats (12) bestimmt wird;
eine Laserintensität bei der Laserbeschichtung abhängig von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats (12) geändert wird, und
eine CAD/CAM-Software dazu verwendet wird, die Materialdickenänderungen in Bereichen des Substrats (12), die bestrahlt werden sollen, zu bestimmen, und dass die Intensität des Laserstrahls (28) entsprechend den zu bestrahlenden Bereichen des Substrats (12) an die Materialdickenänderung angepasst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Laserbeschichten und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes unter Verwendung eines Laserbeschichtungsprozesses.
Bei Verbrennungsmotoren werden häufig Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Materialien für eine Anzahl der Hauptmotorgussstücke, wie beispielsweise die Zylinderköpfe, verwendet. Wenn die Zylinderköpfe aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt werden, werden bestimmte Komponenten des Zylinderkopfes aus einem anderen Material hergestellt, um so die Haltbarkeit des Motors zu verbessern. Beispielsweise sind Ventilsitze vorgesehen, bei denen die Ventilseite eines Einlass- oder Auslassventils mit dem Zylinderkopfkörper in Eingriff steht. Da der Ventilsitz mit dem Einlass- oder Auslassventil wiederholt in Eingriff tritt und einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, wird der Ventilsitz aus einem härteren Material ausgebildet, wie beispielsweise Eisen oder eisenhaltigen Legierungen, um die Lebensdauer des Ventilsitzes zu verlängern.
Ventilsitzeinsätze für aus Aluminiumlegierung bestehende Motorköpfe sind für einige Zeit verwendet worden, um die Ventilsitzbereiche zu verstärken, auf die Ventile unter hoher Temperatur und Aufprall kontinuierlich einwirken. Diese Einsätze werden gewöhnlich aus Eisen oder aus auf Nickel basierenden Pulvermetallpresskörpern hergestellt, die die Hitze, mechanische Beanspruchung wie auch Aufprallbelastung aushalten, die bei derartigen Anwendungen auftreten. Die Einsätze werden in eine vorbearbeitete Tasche des Kopfsitzträgers über Presspassung oder Schrumpfpassung eingesetzt. Obwohl derartige Einsätze die Verschleißfes tigkeit über die des Mutteraluminiums hinaus steigern, können diese auch Motorverbrennungsparameter durch Beschränkung des Wärmeflusses von den Ventilen in den Zylinderkopf und schließlich zu dem Kühlmantel einschränken. Die Erhöhung der Temperatur kann aus zwei Aspekten resultieren. Zunächst können Spalte in der Größenordnung von 50–150 Mikrometern zwischen dem Einsatz und dem Mutterträgermetall des Zylinderkopfes vorhanden sein. Derartige Spalte verhindern eine effiziente Wärmebeseitigung weg von dem Sitz durch den Kopf während der Verbrennung, wodurch die Temperatur der Ventile in Kontakt mit derartigen Sitzen erhöht wird. Zweitens müssen die Einsätze eine erhebliche Dicke besitzen, um eine angemessene Starrheit bei einer mechanischen Anbringung sicherzustellen. Eine derartige Dicke trägt zu einem Wärmewiderstand bei, wodurch die Wärmeleitung von den Ventilen weg beschränkt wird. Als Folge davon werden die Motorbetriebsparameter oftmals geändert, um zu verhindern, dass die Ventile extremen Temperaturen ausgesetzt werden, wie beispielsweise durch Beschränkung des Grades an Zündzeitpunktverstellung oder Kompressionsverhältnis, wodurch die verfügbare Leistung und das verfügbare Drehmoment beschränkt werden. Zusätzlich beschränkt die erhebliche Dicke des Ventilsitzeinsatzes die Größe des Ventils, wodurch die verfügbare Leistung und das verfügbare Drehmoment beschränkt werden.
Es ist ein Laserbeschichten dazu verwendet worden, Wärme- und Größenbarrieren, die durch Metalleinsätze erzeugt werden, zu verringern. Eine Laserbeschichtung umfasst gewöhnlich vorher angeordnete oder gleichzeitig zugeführte Pulver oder Drähte aus harte Flächen bildenden Legierungen, die in dem Ventilsitzgebiet durch Verdünnung mit dem Aluminiumbasismaterial des Zylinderkopfes angeordnet werden. Das Laserbeschichten kann die Ventilbetriebstemperatur um bis zu etwa 65,56°C (150°F) verringern. Ferner ermöglicht das Laserbeschichten Ven tilsitze mit größerem Durchmesser, wodurch der Motorluftdurchfluss und folglich die Spitzenleistung erhöht wird.
Bei dem in der DE 102 18 563 A1 beschriebenen Verfahren wird das Laserbeschichten dazu verwendet, Materialien auf Kupferbasis, wie beispielsweise Kupferlegierungspulver auf einem Aluminiumzylinderkopf abzuscheiden, um einen Ventilsitz zu bilden, wobei das beschichtete Material sich mit dem Muttermaterial (d. h. Verdünnung) mischt, wodurch der herkömmliche Ventilsitzeinsatz ersetzt wird. Jedoch führt das Laserbeschichten eine erhebliche Wärmemenge in das Sitzträgergebiet ein, die die Metallurgie der darunter liegenden Aluminiumlegierung des Zylinderkopfes erheblich abwandeln kann. Die Qualität der Abscheidung wird durch die Leistungseinstellung des Lasers und die für den Beschichtungsprozess gewählte Zufuhrrate wie auch die Kühlung der Materialien nach einer Beendigung des Beschichtens bestimmt. Wenn beispielsweise eine einzelne Leistungslasereinstellung zum Beschichten eines Ventilsitzes verwendet wird, ist das Ergebnis der Verdünnung zwischen den beiden Materialien nicht gleichförmig. Diese Ungleichförmigkeit wird durch die den Ventilsitz umgebende, variable Materialdicke aufgrund der Anwesenheit von Kühlmänteln, einem Zündkerzenloch und einer allgemein variierenden Ausgestaltung des Zylinderkopfes in der Nähe des Ventilsitzes bewirkt. Diese Schwankung der Verdünnung ist um den Ventilsitz herum nicht erwünscht, da dies zu einem vorzeitigen Reißen führen kann.
Genauer wird, wenn die Wärme von dem Laser zu groß ist, ein großer Teil des Aluminiumlegierungsbasismetalls geschmolzen, und das Kupferlegierungspulver wird so verdünnt, dass das Beschichtungsmaterial in eine harte und brüchige Legierungszusammensetzung geändert wird. Wenn die Größe des Wärmeeingangs von dem Laser zu gering ist, wird das Kupferle gierungspulver nicht ausreichend in das Aluminiumbasismetall geschmolzen.
Aus der DE 40 14 808 A1 ist ein Verfahren und ein System zum Laserbeschichten eines Bauteils bekannt, wobei die Laserintensität in Abhängigkeit der Bauteildicke einstellbar ist.
Die WO 2004/039531 A2 beschreibt eine Steuerung zum Laserbeschichten mittels eines geschlossenen Regelkreises, wobei Ist-Abessungen einer Schicht mit Soll-Abmessungen der Schicht verglichen werden, und wobei die Soll-Abmessungen der Schicht auf Grundlage eines CAD/CAM-Modells bestimmt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Herstellen eines Ventilsitzes unter Verwendung eines Laserbeschichtungsprozesses vorzusehen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Es ist ein Verfahren zum Laserbeschichten offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Materialdickenänderung eines Substrats bestimmt wird, und eine Laserintensität in Abhängigkeit von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats geändert wird.
Es ist auch ein System offenbart, um eine Beschichtung auf einem Substrat vorzusehen. Das System umfasst ein Mittel, um eine Materialdickenänderung eines Substrats zu bestimmen, ein Mittel, um berechnete Parameter der Materialdickenänderung des Substrats an ein Computerprogramm bereitzustellen, und ein Mittel, um eine Laserintensität abhängig von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats zu ändern.
Ferner ist ein weiteres System offenbart, um eine Beschichtung auf einem Substrat vorzusehen. Das System umfasst einen Computer mit einem Modelliermittel, das das Substrat in drei Dimensionen (3-D) modelliert, um eine Materialdickenänderung zwischen einer ersten und zweiten Zielposition des Substrats zu bestimmen, wobei der Computer ein Verarbeitungsmittel umfasst, das derart ausgestaltet ist, um einen Trend der Materialdickenänderung des Substrats vorherzusagen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Motorzylinderkopfanordnung mit vier Brennräumen ist, wobei jeder Brennraum einen Einlassventilsitz, einen Auslassventilsitz und ein Zündkerzenloch dazwischen umfasst;
2 ein schematisches Schaubild eines Laserbeschichtungssystems in Wirkverbindung mit einem Zylinderkopf von 1 und einem Computer gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Laserbeschichten eines Substrats, das die Kopfanordnung von 2 umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine perspektivische Schnittansicht des zweiten Brennraums von 1 ist, die durch ein Modelliersystem dargestellt ist, das eine Änderung der Materialdicke in der Nähe des laserbeschichteten Ventilsitzes zeigt;
5 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht des Brennraums von 4 ist, die durch das Modelliersystem gezeigt ist und eine radiale Scheibe zur Berechnung eines damit in Verbindung stehenden Parameters gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
6 eine andere Modelliersystemansicht des Brennraums ist, die 72 radiale Scheiben zeigt oder eine radiale Scheibe alle fünf Winkelgrade der Ventilsitze zur Berechnung eines Parameters derselben durch den Computer zeigt;
7 ein Schaubild ist, das eine Fläche einer Seite jeder radialen Scheibe in einer Serie aneinander angrenzender radialer Scheiben gegenüber ihrer radialen Position aufzeichnet, um eine Änderung des Materialdickentrends des Zylinderkopfes bezüglich sowohl dem Einlass- als auch Auslassventilsitzbereich zu zeigen; und
8 ein Schaubild ist, das ein Volumen jeder radialen Scheibe in einer Serie aneinander liegender radialer Scheiben gegenüber ihrer radialen Position aufzeichnet, um eine Änderung des Materialdickentrends des Zylinderkopfes bezüglich sowohl dem Einlass- als auch Auslassventilsitzbereich zu zeigen.
Der Begriff ”Laserbeschichtungsprozess”, der hier verwendet ist, bezeichnet einen Prozess zur Laserabscheidung einer Pulver- oder Metallmischung, bei dem Material einer einzelnen Lage oder mehrerer Lagen auf einem Substrat abgeschieden wird, indem die Metallmischung und das Substrat durch einen Laser angeschmolzen werden, um die Materialien miteinander zu verdünnen. Der Begriff ”Beschichten” betrifft die abgeschiedene Lage auf dem Substrat. Der Prozess zum Herstellen von Beschichtungen wird als ”Beschichten” und synonym ”Überziehen” bezeichnet, wenn die Dicke der Beschichtung klein ist und der Prozess dazu verwendet wird, eine Fläche des Substrats mit einem anderen Material zu überziehen oder zu verdünnen.
1 zeigt eine Motorzylinderkopfanordnung 10 mit vier Brennräumen 12, die darin ausgebildet sind. Jeder Brennraum 12 zeigt vorbearbeitete Taschen für die Beschichtungsabscheidung eines Einlassventilsitzes 14 und eines Auslassventilsitzes 16 mit einer Öffnung 18 zum Einschrauben einer Zündkerze (nicht gezeigt). Die Motorkopfanordnung 10, die gezeigt ist, ist ein Kopf auf Aluminiumbasis, wobei jedoch auch andere Metall- und Metalllegierungsbasismaterialien verwendet werden können.
Wie in 2 gezeigt ist, wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Laserstrahl mit einer hohen Energiedichte auf einen spezifischen Bereich von Metall fokussiert, um eine Pulvermetallmischung auf ein Muttermaterial zu beschichten, so dass eine Herstellung eines Ventilsitzes einteilig mit dem Muttermaterial (beispielsweise der Brennraum 12) ausgeführt wird. Dies bedeutet, dass ein Laserstrahl auf eine Ventilsitzzielposition 20 des Muttermaterials gerichtet wird, während ein gesteuerter Strom der Pulvermetallmischung durch den Laserstrahl erhitzt wird. Die Hitze des Lasers bewirkt, dass das Basismaterial und die Pulvermetallmischung verschmelzen, um eine verschmolzene metallische Bindung zu bilden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Laser ein Laser mit kontinuierlicher Welle (CW) oder ein Laser mit gepulstem Laserstrahl sein.
Wie in 2 gezeigt ist, wird bei einem beispielhaften Prozess zur Ausführung einer Laserbeschichtung eine Versorgungseinheit 24, um die Pulvermetallmischung zu speichern und diese an die Ventilsitzzielposition 20 zu liefern, und eine Düse (nicht gezeigt) zur Lieferung eines Abschirmgases an die Pulvermetallmischung verwendet, das an die Ventilsitzzielposition geblasen wird. Bei dem Prozess wird auch eine Laserstrahlversorgungsquelle 26 zur Erzeugung eines Laserstrahls 28 und ein Laserstrahloszillator 30 verwendet, der eine Linse 32 verwendet, um den Laserstrahl 28, der von der Laserstrahlversorgungsquelle 26 ausgestrahlt wird, auf die Pulvermetallmischung zu fokussieren, die an die Ventilsitzzielposition 20 geliefert wird, wie allgemein bei 38 gezeigt ist.
Allgemein und unter Bezugnahme auf die 1 und 2 umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes, dass eine ”Tasche” in dem Zylinderkopfmaterial oder Metallsubstrat (beispielsweise Brennraum 12) vorbearbeitet wird, die Ventilsitzzielposition 20 an einem Bereich des Kopfmaterials ausgebildet wird, der dem entspricht, an dem die Ventilsitze ausgebildet werden, ein Oxidationsfilm, der sich an der hergestellten Ventilsitzzielposition 20 gebildet hat, entfernt wird, und die Pulvermetallmischung 38 auf die Ventilsitzzielposition 20 eingespritzt wird und der Laserstrahl 28 auf die Pulvermetallmischung gerichtet wird. Während das Vorbearbeiten der Tasche in dem Gussstück als ein Ausgangspunkt für die Struktur beschrieben ist, auf der die Ventilsitzzielposition ausgebildet ist, sei es für Fachleute angemerkt, dass auch andere bekannte Prozesse verwendet werden können, um eine geeignete Struktur oder ein geeignetes Substrat vorzusehen.
Wie nun in 3 gezeigt ist, umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner, dass eine Materialdickenänderung des Substrats benachbart einem Bereich, der laserbeschichtet werden soll, bei Block 40 bestimmt wird. Bei Block 42 wird ein Laserstrahl auf eine Metallmischung gestrahlt, um die Metallmischung auf das Substrat zu beschichten. Bei Block 44 wird eine Intensität des Laserstrahls abhängig von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats bei Block 42 geändert. Auf diese Art und Weise wird die Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats benachbart der Zielposition dazu verwendet, die Laserintensität einzustellen, wodurch eine gleichförmige Verdünnung zwischen der Metallmischung und dem Substrat an der Zielposition vorgesehen wird. Genauer wird der Laser so eingestellt, dass die Laserintensität gemäß einer Materialdicke benachbart einem augenblicklichen Schweißort, der der Zielposition entspricht, geändert wird.
Wie insbesondere in 4 gezeigt ist, umfasst ein Computer 50 (2), der in Wirkverbindung mit dem Laser oder der Laserstrahlversorgungsquelle 26 steht, ein Modelliermittel, um einen Kopf 12 in drei Dimensionen (3-D) zu modellieren und damit eine Materialdickenänderung des Zylinderkopfes 12 benachbart jedem Ventilsitz 14 und 16 zu bestimmen. Das Modelliermittel umfasst ein computerunterstütztes Konstruktionssystem mit einer Beschreibung des herzustellenden Gegenstandes. Das Modelliermittel umfasst eine CAD/CAM-Software, die derart ausgebildet ist, um die Materialdickenänderungen in Bereichen des Kopfes 12, die bestrahlt werden sollen, zu bestimmen. Der Computer 50 umfasst ein Verarbeitungsmittel, das derart ausgebildet ist, um einen Trend der Materialdickenänderung des Substrats vorherzusagen, wie nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben wird. Der Computer 50 ist über eine Schnittstelle mit dem Laser 26 verbunden, wie mit Linie 52 in 2 gezeigt ist, um eine Intensität des Laserstrahls abhängig von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats zu ändern. Der Computer 50 kann eine Steuereinheit (nicht gezeigt) für eine derartige Schnittstelle mit dem Laser 26 umfassen. Ferner kann die Steuereinheit eine Schaltung zum Einstellen des Lasers umfassen.
4 zeigt, dass sich eine Materialdicke radialer Schichten oder Scheiben um jeden vorbearbeiteten Ventilsitzbereich 14 und 16 aufgrund der Anwesenheit des Zündkerzenlochs 18 und der Kühlmäntel 56 ändert, wie auch eine allgemeine Ausgestaltung des Brennraums 12. Beispielsweise ist eine Querschnittsfläche an einem ersten Bereich 58 benachbart dem Ventilsitz 14 verschieden von einer Querschnittsfläche an einem zweiten Bereich 60 benachbart dem Ventilsitz 16. 5 zeigt einen radialen Schnitt 70 des Einlassventilsitzbereiches 14. Für Fachleute sei angemerkt, dass der radiale Schnitt 70 eine Querschnittsoberfläche, die mit 72 gezeigt ist, und eine entsprechende Volumengröße proportional zu der Fläche 72 umfasst, wenn radiale Scheiben oder Schnitte im Wesentlichen die gleiche Dicke 76 haben.
In 6 ist ein 3D-Bild beider vorbearbeiteten Einlass- und Auslassventilsitze 14 und 16 der Brennraum 12 gezeigt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Computer 50 eine CAD/CAM-Software, die derart ausgebildet ist, um jeden Ventilsitz 14 und 16 in radiale Schnitte 70 zu unterteilen, und bezeichnet jeden mit einer radialen Position 74, wie in 6 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass der in 5 gezeigte radiale Schnitt 70 einer radialen Position von etwa 180 Winkelgrad (engl. ”radial degree”) entspricht, wie in 6 in Bezug auf den vorbearbeiteten Einlassventilsitz 14 gezeigt ist. Genauer unterteilt die CAD/CAM-Software jeden Ventilsitz 14 und 16 in radiale Schnitte, um einen Trend einer Änderung einer Materialdicke, die jeden Ventilsitz 14 und 16 umgibt, vorherzusagen. Auf diese Art und Weise kann der Computer 50 einen Parameter für jeden der Radialschnitte 70 berechnen, der eine Laserleistungsintensität angibt, die an jeden Radialschnitt 70 angelegt werden sollte, um eine gleichförmige Verdünnung zwischen der Beschichtung und dem Basismaterial vorzusehen. 6 zeigt, dass die Radialschnitte alle fünf Winkelgrad genommen werden, und zeigt somit 72 Schnitte für jeden Ventilsitz 14, 16, die berechnet werden, um einen Trend der Materialdickenänderung in einer Serie aneinander angrenzender Radialschnitte 70 vorzusehen, die jeden Ventilsitz 14 und 16 definieren (d. h. 360 Winkelgrad/5 Winkelgrad Schnitte = 72 Radialschnitte). Für Fachleute sei angemerkt, dass jeder Ventilsitz 14 und 16 auf andere Arten geschnitten werden kann, wie beispielsweise mit Schnitten mit einer spezifischen Dicke. In diesem Fall sei angemerkt, dass die Schnitte 70 etwa 8 mm bis etwa 15 mm dick wären.
Bei einem Beispiel, das in den 6 und 7 gezeigt ist, ist ein Ausdruck einer Oberfläche 72 gegenüber einer Radialposition 74 von aneinander angrenzenden Radialschnitten 70 für jeden Ventilsitz 14, 16 mit 100 gezeigt. Mit der durchgezogenen Linie 102 ist eine Aufstellung einer Oberfläche entsprechend einer sich ändernden Dicke des Einlassventilsitzes 14 gezeigt, während mit der gestrichelten Linie 104 diejenige für den Auslassventilsitz 16 gezeigt. Es sei angemerkt, dass die dünneren Schnitte jedes Ventilsitzes benachbart 0 und 360 Grad auftreten, was einem Ort entspricht, bei dem eine Distanz zwischen vorbearbeiteten Ventilsitzen 14 und 16 am kleinsten ist. Es sei ferner angemerkt, dass benachbart einer radialen Position von 180 Winkelgrad jede vorbearbeitete Ventilsitzoberfläche bei ihrem Maximum ist, mit Ausnahme bei etwa 30 und 330 Winkelgrad, was einem Materialaufbau des Zylinderkopfes 12 entspricht, da mehr Raum zwischen den Ventilsitzen 14 und 16 verfügbar ist.
Mit der in 7 gezeigten Information bezüglich der berechneten Oberflächen 72 einer Serie aneinander angrenzender radialer Schnitte 70 wird ein Trend einer sich ändernden Materialdicke um jeden vorbearbeiteten Ventilsitz 14, 16 herum dargestellt. Somit wird es möglich, die Laserintensität mit dieser Information einzustellen, indem die Laserintensität an Radialschnitten 70 mit erhöhten Oberflächen 72, die dickeren Gebieten entsprechen, erhöht wird, während die Laserintensität an Radialschnitten 70 mit verringerten Oberflächen 72, die dünneren Gebieten entsprechen, verringert wird. Auf diese Weise wird eine gleichförmige Verdünnung zwischen beiden Materialien bewirkt, wodurch die Festigkeit und Haltbarkeit eines laserbeschichteten Ventilsitzes verbessert wird.
Bei einem anderen Beispiel ist in den 6 und 8 ein Ausdruck eines Volumens gegenüber einer radialen Position aneinander angrenzender radialer Schnitte 70 für jeden vorbearbeiteten Ventilsitz 14, 16 mit 200 gezeigt. Mit einer durchgezogenen Linie 202 ist eine Aufstellung eines Volumens entsprechend einer sich ändernden Dicke des vorbearbeiteten Einlassventilsitzes 14 gezeigt, während mit der gestrichelten Linie 204 diejenige für den Auslassventilsitz 16 gezeigt ist. Wiederum wie bei dem Ausdruck der Oberflächen 72 sei angemerkt, dass die dünneren Schnitte eines Ventilsitzes benachbart 0 und 360 Grad auftreten, was einem Ort entspricht, bei dem eine Distanz zwischen den Ventilsitzen 14 und 16 am kleinsten ist. Es sei ferner angemerkt, dass benachbart einer radialen Position von 180 Winkelgrad jede Ventilsitzoberfläche auf einem Maximum ist, mit der Ausnahme bei etwa 30 und 330 Winkelgrad, was einem Materialaufbau des Brennraums 12 entspricht, da mehr Raum zwischen den vorbearbeiteten Ventilsitzen 14 und 16 aufgrund einer Trennung dazwischen verfügbar wird.
Mit der in 8 gezeigten Information bezüglich der berechneten Volumen einer Serie aneinander angrenzender radialer Schnitte 70 wird ein Trend einer sich ändernden Materialdicke um jeden vorbearbeiteten Ventilsitz 14, 16 dargestellt. Somit wird es möglich, die Laserintensität mit dieser Information einzustellen, indem die Laserintensität an radialen Schnitten 70 mit erhöhten Volumen, die dickeren Gebieten entsprechen, erhöht wird, während die Laserintensität an radialen Schnitten 70 mit verringerten Volumen, die dünneren Gebieten entsprechen, verringert wird. Auf diese Art und Weise wird eine gleichförmige Verdünnung zwischen beiden Materialien bewirkt, wodurch die Festigkeit und Haltbarkeit eines laserbeschichteten Ventilsitzes verbessert wird.
Anhand der 7 und 8 sei angemerkt, dass ein berechneter Parameter entweder der Oberfläche 72 oder des Volumens für jeden Radialschnitt 70 einen ähnlichen Trend in den Daten vorsieht, um eine sich ändernde Materialdicke bezüglich jedem vorbearbeiteten Ventilsitz 14, 16 zu bestimmen. Diese Parameter können auch einen endgültigen Startpunkt für den Laserstrahl 28 zum Beginn des Prozesses unter Bezugnahme auf die 6–8 bestimmen. Genauer kann bei einer beispielhaften Ausführungsform eine Leistungsintensität des Laserstrahls 18 an der Position mit 0 Winkelgrad zwischen vorbearbeiteten Ventilsitztaschen 14 und 16 niedrig beginnen. Die Leistungsintensität des Laserstrahls 28 kann dann hinsichtlich der Leistung ansteigen, wenn der Laserstrahl um den Einlassventilsitz 14 verläuft, wobei bei Positionen von etwa 30, 180 und 330 Winkelgrad ein Maximum erreicht wird, bevor die 360-Grad-Position gekreuzt wird, die der 0-Grad-Position entspricht. Aufgrund der Ausgestaltung mit zwei Ventilen kann der Laserstrahl 28 den Zylinderkopf in einem Muster einer Zahl ”8” durchlaufen, wenn der Laserstrahl 28 den Beschichtungsprozess für den Auslassventilsitz 16 auf eine ähnliche Weise in Bezug auf die Laserleistungsintensität an den jeweiligen radialen Positionen beendet, wie oben in Bezug auf die vorbearbeitete Einlassventilsitztasche 14 beschrieben wurde.
Durch Verwendung eines derartigen Laserbeschichtungsprozesses, um die Ventilsitzzielposition 20 zu beschichten, wird die Herstellung der Ventilsitze relativ leicht gemacht. Beispielsweise kann der Durchmesser des Ventilsitzes und derjenige des Ventils, das mit dem Ventilsitz in Kontakt steht, bei der Konstruktion aufgrund der Verbesserung der Ventilsitzbeständigkeit gegenüber Verschleiß freier geändert werden. Auch kann durch Verringerung der Temperatur des Ventilsitzes das Kompressionsverhältnis erhöht und der Kraftstoffverbrauch verringert werden. Ferner werden Herstellkosten verringert, indem die Produktivität erhöht und ein vorzeitiges Reißen bei Haltbarkeitstests durch Beseitigung der Änderung der Verdünnung verringert werden.
Bei dem Verfahren und System zur Herstellung von Ventilsitzen unter Verwendung eines Laserbeschichtungsprozesses der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben ist, wird die Hochenergiedichteeigenschaft von Laserstrahlen auf die Herstellung von Ventilsitzen angewendet, so dass die Schmelzfestigkeit zwischen dem Muttermaterial und der Beschichtungslage erhöht wird, und die resultierenden Ventilsitze in der Lage sind, höhere Temperaturen auszuhalten, und sehr beständig gegenüber Verschleiß sind, wodurch die Gesamtlebensdauer des Motors gesteigert wird. Es sei jedoch angemerkt, dass, obwohl die beispielhaften Ausführungsformen für die Laserbeschichtung unter Bezugnahme auf Ventilsitze eines Zylinderkopfes beschrieben worden sind, das oben beschriebene Verfahren und oben beschriebene System zum Laserbeschichten auch zum Laserbeschichten einer Metallmischung mit einem beliebigen Substrat, das für den gewünschten Endzweck geeignet ist, verwendet werden kann.
Zusammengefasst umfasst ein Verfahren und ein System zum Laserbeschichten, dass eine Materialdickenänderung eines Substrats bestimmt wird und eine Laserintensität abhängig von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats geändert wird. Die Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats umfasst, dass Parameter berechnet werden, die eine relative Materialdicke zwischen einer ersten Zielposition und einer zweiten Zielposition angeben.

Claims

Verfahren zum Laserbeschichten, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Materialdickenänderung eines Substrats (12) bestimmt wird; eine Laserintensität bei der Laserbeschichtung abhängig von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats (12) geändert wird, und eine CAD/CAM-Software dazu verwendet wird, die Materialdickenänderungen in Bereichen des Substrats (12), die bestrahlt werden sollen, zu bestimmen, und dass die Intensität des Laserstrahls (28) entsprechend den zu bestrahlenden Bereichen des Substrats (12) an die Materialdickenänderung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats (12) umfasst, dass Parameter berechnet werden, die eine relative Materialdicke zwischen einer ersten Zielposition (20) und einer zweiten Zielposition (20) angeben.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Parameter dazu verwendet werden, die Laserintensität einzustellen, die eine gleichförmige Verdünnung zwischen der Metallmischung und dem Substrat (12) an der ersten und zweiten Zielposition (20) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Parameter dazu verwendet werden, einen Startpunkt auf dem Substrat (12) zu bestimmen, um den Beschichtungsprozess einzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Parameter umfasst, dass eine Oberfläche und/oder ein Volumen entsprechend jeder der ersten und zweiten Zielposition (20) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Oberfläche und des Volumens entsprechend jeder der ersten und zweiten Zielposition (20) radiale Schnitte (70) umfasst, die zumindest einen Anteil des Substrats (12) definieren, der einem zu beschichtenden Bereich entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (102, 104) und/oder das Volumen (202, 204) jedes radialen Schnitts (70) an einem linearen Graph gegenüber seiner radialen Position aufgezeichnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder radiale Schnitt (70) etwa 5 Winkelgrad entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder radiale Schnitt (70) eine geschnittene Breite zwischen 8 mm und 15 mm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) ein Motorzylinderkopf (10) ist, und die erste und zweite Zielposition (20) eine zu bestrahlende Fläche definieren, die eine vorbearbeitete Tasche für zumindest einen Ventilsitz (14, 16), der dem Motorzylinderkopf (10) zugeordnet ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (14, 16) einen von zwei und mehreren Ventilsitzen pro Brennraum (12) umfasst, wobei jeder Brennraum einen Einlassventilsitz (14) benachbart einem Auslassventilsitz (16) oder einem Einlassventilsitz (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass: eine Bestrahlung des Lasers an einem Punkt zwischen beliebigen zwei benachbarten Ventilsitzen (14, 16) eingeleitet wird, wodurch eine Bewegung des Laserstrahls (28) in der Form einer 8 bei dem Laserbeschichtungsprozess erleichtert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorzylinderkopf (10) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird.
System zum Vorsehen einer Beschichtung auf einem Substrat (12), mit: einem Mittel zum Bestimmen einer Materialdickenänderung eines Substrats (12); einem Mittel zum Bereitstellen berechneter Parameter der Materialdickenänderung des Substrats (12) an ein Computerprogramm; einem Mittel (26) zur Änderung einer Laserintensität abhängig von der Bestimmung der Materialdickenänderung des Substrats (12), und einer CAD/CAM-Software, mit der Materialdickenänderungen in Bereichen des Substrats (12), die bestrahlt werden sollen, bestimmbar sind, wobei die Intensität des Laserstrahls (28) entsprechend den zu bestrahlenden Bereichen des Substrats (12) an die Materialdickenänderung anpassbar ist.