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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8 sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche nachdem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Zur Wärmebehandlung, insbesondere zum Härten von metallischen Werkstoffen, werden verschiedene Heizverfahren angewandt. Insbesondere das Induktivbeheizen beim Induktivhärten hat den Nachteil, dass ein sehr hoher Aufwand bei der Bereitstellung der Betriebsmittel erbracht werden muss. Zudem ist hier der benötigte Energiebedarf sehr hoch. Soll eine große Stückzahl gefertigt werden, wie es beispielsweise in der Automobilindustrie der Fall ist, kann durch das Induktivheizen und das Induktivhärten nur in sehr geringem Maße auf veränderte Stückzahlen reagiert werden.
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Eine Alternative zum Induktivhärten ist das Laserhärten. Das herkömmliche Laserhärten stößt jedoch dann an seine Grenzen, wenn komplexe Bauteilgeometrien gehärtet werden sollen. Insbesondere in enge Hohlräume oder Einbuchtungen ist der Laserstrahl nicht flexibel einbringbar, sodass ein gezieltes Härten unmöglich wäre. Bei starken Neigungen an der Oberfläche koppelt der Laserstrahl schlecht ein, er wird vielmehr an dieser Oberfläche reflektiert.
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In der
DE 4209938C1 wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, hier zum Umschmelzen von Werkstoffen und Werkstoffoberflächen mittels eines Laserstrahls beschrieben. Hierbei wird das Werkstück unter dem Laserstrahl bewegt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, mit Laser schwer zugängliche Oberflächenstellen gezielt mit einer Wärmebehandlung, beispielsweise in Form eines Härteverfahrens, zu versehen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Oberfläche nach Patentanspruch 1 und 8 sowie in einem Verfahren zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche nach Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche umfasst einen Laser sowie eine Umlenkvorrichtung. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Umlenkvorrichtung bewegbar, und insbesondere schwenkbar oder drehbar gelagert, ist.
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Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Laserstrahl in sehr enge, schwer zugängliche Bereiche einer Bauteiloberfläche hinein zu lenken und durch das Schwenken der Umlenkvorrichtung den Laserstrahl über eine vordefinierte Fläche zu bewegen. Unter schwenkbar versteht man hierbei insbesondere eine Bewegung, die richtungswechselnd (alternierend) bezüglich einer Drehachse erfolgt, wobei diese Bewegung auch exzentrisch zu der Drehachse erfolgen kann.
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In einer Ausgestaltungsform ist die Umlenkvorrichtung winklig zu einem vom Laser erzeugten Laserstrahl angeordnet und bezüglich einer Achse schwenkbar angeordnet. Die winklige Anordnung der Umlenkvorrichtung bezüglich des Laserstrahls gewährleistet bei gleichzeitiger Schwenkbewegung die Umlenkung des Laserstrahls in eine unzugängliche Stelle an der Bauteiloberfläche.
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In einer Ausgestaltungsform der Erfindung verlaufen die Achse, bezüglich der die Umlenkvorrichtung schwenkbar ist, und der Laserstrahl koaxial zueinander oder sie verlaufen zumindest parallel zueinander. Unter koaxial wird dabei verstanden, dass der an sich endlich dünne Laserstrahl mit seiner Mittelpunktsachse mit der Schwenkachse der Umlenkvorrichtung übereinander fällt. Grundsätzlich kann der Laserstrahl jedoch nach dieser Ausgestaltungsform auch parallel zur Schwenkachse verschoben sein.
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Durch die Schwenkbewegung der Umlenkvorrichtung wird der Laserstrahl so geleitet, dass er hin- und herbewegt wird und dabei auf einem Kreissegment verläuft. Durch eine gezielte Hin- und Herbewegung, die der Schwenkbewegung gleichkommt, wird gewährleistet, dass die zu behandelnde Bauteiloberfläche gleichermaßen mit Wärmeenergie durch den Laserstrahl versorgt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Umlenkvorrichtung bezüglich einer Achse schwenkbar angeordnet, die winklig zum Laserstrahl verläuft. Dies führt dazu, dass der Laserstrahl nach dem Umlenken auf der Bauteiloberfläche eine Bogenlinie durchläuft.
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Hierbei kann grundsätzlich für beide Alternativen ein Scanner vorgesehen sein, der die rückgestrahlten Laserstrahlen abscannt und der zur Steuerung der Dreh- und/oder der Schwenkbewegung der Umlenkvorrichtung, insbesondere der Schwenkfrequenz und der Schwenkgeschwindigkeit, dient.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Umlenkvorrichtung in Form eines Spiegels, insbesondere eines elliptischen Spiegels dargestellt.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Laserstrahl durch die Umlenkvorrichtung weiter auf die Bauteiloberfläche fokussiert wird.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche nach Anspruch 10, umfassend einen Laser sowie eine Umlenkvorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass die Umlenkvorrichtung einen starr angeordneten konkaven Zylinderspiegel umfasst. Diese Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass sie einem geringeren Verschleiß unterliegt und es dennoch hiermit ermöglicht wird, enge, schwer zugängliche Bereiche eines Bauteils mit Laserstrahlen einer Wärmebehandlung zu unterziehen.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Bauteiloberfläche, wobei ein Laserstrahl auf eine Umlenkvorrichtung geleitet wird und von der Umlenkvorrichtung auf die Bauteilfläche gelenkt wird. Hierbei ist die Umlenkvorrichtung bezüglich einer Achse drehbar oder schwenkbar gelagert. Bevorzugt ist die Umlenkvorrichtung zur Achse, zur Drehung bzw. Schwenkachse winklig angeordnet, dadurch kann der Laserstrahl auf schwer zugängliche Bereiche der Bauteiloberfläche umgelenkt werden.
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Weitere Ausgestaltungsformen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Merkmale in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen weisen dabei dieselben Bezugszeichen auf. Bei Figuren, die den Stand der Technik betreffen, sind diese Merkmale, die dieselbe Bezeichnung haben mit einem Strich versehen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung, insbesondere zum Härten einer Oberfläche einer Kurbelwelle nach dem Stand der Technik;
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2 einen Längsschnitt durch eine Kurbelwelle mit einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung, wobei ein Laserstrahl auf eine Umlenkvorrichtung gelenkt und an dieser umgelenkt wird;
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3 eine Umlenkvorrichtung eines Laserstrahls auf einer Bauteiloberfläche, wobei die Umlenkvorrichtung schwenkbar auf einer parallel zum Laserstrahl verlaufenden Achse angeordnet ist;
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4 eine Vorrichtung zur Umlenkung eines Laserstrahls auf eine Bauteiloberfläche, wobei die Umlenkvorrichtung auf einer Achse angeordnet ist, die winklig bezüglich des Laserstrahls verläuft;
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5–6 schematische Darstellungen von Strahlengängen eines Laserstrahls mit einer Standard-Härteoptik; und die
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7 schematischen Darstellungen von Strahlengängen eines Laserstrahls mit einer passiven Umlenkvorrichtung.
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Anhand von 1 soll ein Laserhärteverfahren einer Kurbelwelle nach dem Stand der Technik und die damit verbundene Problematik erläutert werden. Es ist ein Querschnitt einer Kurbelwelle 28' dargestellt, die auf einer Drehachse 34' rotiert, wobei die Kurbelwelle zwei verschiedene Arten von Lagern aufweist. Diese sind ein so genanntes Pleuellager 32' und ein Hauptlager 24'. Das Hauptlager 24' dient zur Lagerung der Kurbelwelle im Zylinderkurbelgehäuse, das Pleuellager 32' dient zur Aufnahme und zur exzentrischen Bewegung des Pleuels und somit des Kolbens.
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Insbesondere das Pleuellager 32', das stark exzentrisch bezüglich der Achse 34' ausgestaltet ist, wirft die Problematik bei einer Laserbestrahlung mit einem Laserstrahl 12' auf, dass die bei herkömmlichen Laserhärteverfahren angewendete Fokussierung des Laserstrahls 12' mit der Fokussierungseinrichtung 22' nicht geeignet ist, in die tiefen Ecken der Kurbelwelle 28' vorzudringen. insbesondere auf den Flanken wird der Laserstrahl 12' reflektiert, weshalb eine nur sehr geringe Energieeinkopplung möglich ist und die Wärmebehandlungszone 24' in den Eckbereichen für das Härteverfahren unzureichend zu temperieren ist.
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In die tiefen Flanken der exzentrisch aufgebauten Pleuellager gibt es ebenfalls ein Zugänglichkeitsproblem für den Laserstrahl 12', da der Strahl 12' von den weit ausladenden Flanken der Kurbelwelle an dieser Stelle abgeschattet wird.
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Im Weiteren wird das Beispiel einer Kurbelwelle 28 weiterverfolgt, da es sich hierbei um ein komplexes Bauteil handelt, das verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen werden muss. Insbesondere wird hier eine Wärmebehandlung beschrieben, die zum Härten dient; es handelt sich somit um ein Laserhärtungsverfahren. Bei diesem Verfahren und bei der beschriebenen Kurbelwelle 28 handelt es sich um ein exemplarisches Verfahren bzw. Bauteil, um die Lösung der bereits beschriebenen Problematik zu erläutern. Grundsätzlich lässt sich die im Folgenden beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren auf andere Wärmebehandlungsverfahren anwenden. Insbesondere lässt sich dieses auch auf andere Bauteile – beispielsweise auf Nockenwellen, insbesondere an Lagerstellen, die schwer zugänglich sind, anwenden.
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In 2 ist demnach analog zu 1 eine Kurbelwelle 28 dargestellt, die einer Wärmebehandlung in Form eines Härtevorgangs unterzogen wird, wobei in einem Hauptlager 32 eine Wärmebehandlungszone 24 an einer Bauteiloberfläche 4 erzeugt wird. Diese Wärmebehandlungszone 24 beruht auf dem Energieeintrag aus einem Laserstrahl 12, dessen Erzeugung und dessen Umlenkung anhand der folgenden 3 und 4 näher erläutert wird.
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In 3 ist ein Querschnitt durch die Kurbelwelle 28, die in 2 im Längsschnitt dargestellt ist, abgebildet. Ferner ist eine Vorrichtung 2 dargestellt, die einen Laser 6, mit einer vorgeschalteten Fokussieroptik 22, umfasst. Der Laser 6 sendet einen Laserstrahl 12 aus, der auf eine Umlenkvorrichtung 8 trifft. Diese Umlenkvorrichtung 8 ist bevorzugt in Form eines elliptisch geformten Spiegels 18 ausgestaltet. In der Ausgestaltungsform nach 3 handelt es sich hierbei um eine Welle 19, die einen zylindrischen Querschnitt aufweist und schräg geschnitten ist. Dadurch bildet sich eine elliptische Oberfläche aus, die mit dem elliptischen Spiegel 18 versehen ist. Diese Welle 19 ist auf einer Achse 10 entlang der Pfeilrichtung 20 schwenkbar bzw. drehbar gelagert. Unter Schwenken versteht man hierbei eine alternierende Hin- und Herbewegung, die dazu führt, dass der Laserstrahl 12, der auf die Umlenkvorrichtung 8 bzw. auf den Spiegel 18 trifft, umgelenkt wird und durch die besagte Hin- und Herbewegung auf der Bauteiloberfläche 4 ein Kreissegment beschreibt.
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Es ist dabei zweckmäßig, dass der Laserstrahl 12, der eine endliche Dicke aufweist, in seiner Mittelpunktsachse zumindest parallel zur Schwenkachse 10 der Welle 19 verläuft. Wenn der Laserstrahl 12 koaxial zur Achse 10 verläuft, so trifft der Laserstrahl 12 im Mittelpunkt der Ellipse auf, die von dem Spiegel 18 gebildet wird. Der Spiegel 18 lenkt dabei in fokussierender Weise den Laserstrahl 12 um und leitet ihn bevorzugt punktförmig auf die Bauteiloberfläche 4.
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An dieser Stelle ist es zweckmäßig, zurück zu 2 zu gehen, in der die Wärmebehandlungszone 24 dargestellt ist, die durch den Laserstrahl 12 hervorgerufen wird. Im Gegensatz zu dem im Stand der Technik beschriebenen Verfahren bzw. zu der dortigen Vorrichtung ist es mit der hier beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren möglich, in die Ecken der Lager 30 bzw. 32 zu gelangen, diese effektiv durch den Laserstrahl 12 zu erwärmen und sogar eine Erwärmung entlang der Flanken 26 zu erzielen. Durch gezielte Steuerung der Frequenz und der Geschwindigkeit der Schwenk- bzw. Drehbewegung der Umlenkvorrichtung 8 bzw. des Spiegels 18 lässt sich die Temperatur und die Eindringtiefe der Wärmebehandlungszone 24 steuern.
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Eine alternative Ausgestaltungsform zur Anordnung der Umlenkvorrichtung 8 bzw. des elliptischen Spiegels 18 ist in 4 gegeben. Hierbei ist die Umlenkvorrichtung 18 ebenfalls schwenkbar angeordnet, jedoch ist die hier betroffene Schwenkachse 14 nicht parallel zum Laserstrahl angeordnet, sondern sie befindet sich in einem Winkel α zur Strahlrichtung des Laserstrahls 12. Die Umlenkwirkung und die fokussierende Wirkung durch den Spiegel 18 bzw. die Umlenkvorrichtung 8 sind durch diese Ausgestaltung ebenso gegeben, wie es zu 3 beschrieben wurde. Ein Unterschied besteht darin, dass der Weg, den der Laserstrahl 12 auf der Bauteiloberfläche 4 beschreibt, kein Kreissegment gemäß der Ausgestaltungsform nach 3 ist, sondern eine Bogenlinie darstellt. Durch diese Bewegungsformel lässt sich jedoch ebenfalls eine sehr gute Wärmeeinbringung in die Ecken der Lager 30, 32 bzw. auch an den Flanken 26 erzielen.
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Es ist dabei zu erwähnen, dass während der Wärmebehandlung die Kurbelwelle bzw. das Bauteil, das behandelt werden soll, bevorzugt unter dem Laserstrahl 12 rotiert.
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Der Spiegel 18 wird von einem Scanner, beispielsweise einem Galvano Scanner, hin- und her bewegt. Somit kann der reflektierte Laserstrahl, der hier nicht dargestellt ist, durch den Scanner 16 aufgenommen und über die dadurch gewonnenen Informationen die Schwenkbewegung, die Schwenkfrequenz und die Schwenkgeschwindigkeit der Umlenkvorrichtung 18 gezielt gesteuert werden, sodass die Eindringtiefe und die Temperatur an der Bauteiloberfläche 4 entsprechend geregelt wird. Die in den 3 und 4 exemplarisch gezeigten Umlenkvorrichtungen 8 können auch als aktive Umlenkvorrichtungen bezeichnet werden.
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Im Weiteren wird noch auf Vorteile des beschriebenen Verfahrens bzw. der beschriebenen Vorrichtung eingegangen. Insbesondere gegenüber dem induktiven Härten könnte die durch diese Vorrichtung ermöglichte Laserhärtung von komplexen Bauteiloberflächen, insbesondere die Einhärttiefen, in optimaler Weise eingestellt werden. Hieraus ergibt sich eine minimale Wärmebelastung des zu härtenden bzw. Wärme zu behandelnden Bauteils. Der Verzug des Bauteils wird minimiert. Es können in einem geschlossenen Verfahrensabschnitt alle Bereiche – also alle Lagerstellen, Radien und Wangen – ohne weiche Übergänge dargestellt werden. Die Temperaturregelung kann wie gewohnt über ein koaxiales Pyrometer erfolgen.
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Insbesondere die Arbeitsvorbereitung ist durch das beschriebene Verfahren, beispielsweise an den Lagersitzen, deutlich einfacher gegenüber dem Induktivhärten, da ein Radienwalzen entfällt. Dies führt dazu, dass die Kurbelwelle beispielsweise kürzer ausgestaltet werden kann, was in der Motorenentwicklung neuen Spielraum für die Konstruktion mit sich bringt. Wälzlager mit axialer Führung ohne Innenring sind durch das beschriebene Verfahren möglich. Ferner ermöglicht eine durch das Verfahren gewährleistete homogen einstellbare Härteverteilung eine genauere Auslegung der Kurbelwelle bzw. des Bauteils an sich, was wiederum dazu führt, dass dieses Bauteil einer höheren mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt werden kann.
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In den 5 bis 7 sind optische Strahlengänge eines Laserstrahls mit einer Standard-Härteoptik 38 dargestellt. Hierbei ist alternativ ein konkav geformter Umlenkspiegel dargestellt. Dieser kann wahlweise auch starr ausgestaltet sein. Ein starr ausgestalteter Umlenkspiegel wird auch als passive Umlenkvorrichtung 40 bezeichnet. Ein starr ausgestalteter Spiegel als Umlenkvorrichtung ist weniger anfällig gegenüber Verschmutzung und erfordert weniger Wartungsaufwand von Verschleißteilen. Ein Ablenkwinkel von 45 Grad oder kleiner ermöglicht ein optimales Anbringen eines Crossjets und eine verbesserte optische Korrektur.
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Eine passive Umlenkvorrichtung 40 hat ferner den Vorteil, dass bei entsprechender Ausformung die Erhöhung des Einstrahlwinkels ermöglicht wird. Dies führt wiederum dazu, dass der Laserstrahl 12 bis an die Flanken 26 geführt werden kann. Ferner ist diese technische Lösung robust, störungsunabhängig, und sie kann effektiv gekühlt werden. Alle aktiven Elemente, Steuerungen und Antriebe sind ausgelagert und werden durch den Prozess nicht belastet. Der Abstand der passiven Umlenkvorrichtung 40 zum Bauteil kann erhöht werden. Die notwendigen Schutzmaßnahmen, wie z. B. ein Crossjet können bei minimierter Prozessbeeinflussung angeordnet werden.
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Die passive Umlenkeinrichtung 40 in 7 ist beispielsweise in Form einer Zylinderlinse ausgestaltet, die entweder einen sphärischen oder einen asphärischen Schliff aufweist. Die Mittelachse des Zylinders liegt hierbei mittig zu der zu härtenden Lagerstelle und die Zylinderlinse ist parallel zur Kurbelwellenachse angeordnet.
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Die gemeinsame Verwendung einer starren Umlenkvorrichtung und einer aktiven Umlenkvorrichtung verbessert die Möglichkeit des Härtens der Flanken 26 der Kurbelwelle 28.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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