DE102010048645A1

DE102010048645A1 - Apparatus, used for heat treating component surface, comprises a laser, and a deflection device mounted movably, especially pivotally or rotatably, and comprising a rigidly arranged concave cylindrical mirror, which is directly water cooled

Info

Publication number: DE102010048645A1
Application number: DE201010048645
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Elsner Christian; Dipl.-Ing. Sievi Pravin; Dr.-Ing. Walter Steffen
Original assignee: Daimler AG; Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Apparatus comprises a laser (6) and a deflection device (8), where the deflection device is mounted movably, especially pivotally or rotatably, and comprises a rigidly arranged concave cylindrical mirror, which is directly water cooled. An independent claim is also included for heat treating a component surface (4), comprising passing a laser beam on the deflecting device, and deflecting the laser beam on the component surface.

Description

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.The invention relates to a device for heat treatment of a component surface according to the preamble of claims 1 and 8 and a method for heat treatment of a component surface according to the preamble of claim 9.

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.For heat treatment, in particular for hardening of metallic materials, various heating methods are used. In particular, the inductive heating in inductive hardening has the disadvantage that a very high cost in providing the resources must be provided. In addition, the required energy consumption is very high here. If a large number of items are to be produced, as is the case, for example, in the automotive industry, inductive heating and induction hardening can react only to a very limited extent to changed quantities.

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.An alternative to induction hardening is laser hardening. Conventional laser curing, however, reaches its limits when complex component geometries are to be hardened. In particular, in narrow cavities or indentations of the laser beam is not flexibly introduced, so that a targeted hardening would be impossible. Strong inclinations on the surface of the laser beam is poorly coupled, but it is reflected at this surface.

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.In the DE 4209938C1 describes a method for surface treatment, here for remelting of materials and material surfaces by means of a laser beam. In this case, the workpiece is moved under the laser beam.

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.The invention is therefore based on the object to provide a method and an apparatus which makes it possible to provide laser surface areas which are difficult to access specifically with a heat treatment, for example in the form of a hardening process.

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.This object is achieved by a device for heat treatment of a surface according to claim 1 and 8 and in a method for heat treatment of a component surface according to claim 9. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

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.The device according to the invention for the heat treatment of a component surface comprises a laser and a deflection device. The device is characterized in that the deflection device is movable, and in particular pivotally mounted or rotatable.

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.In this way it is possible to direct the laser beam into very narrow, hard to reach areas of a component surface and to move the laser beam over a predefined area by pivoting the deflection device. In this case, pivoting is understood as meaning, in particular, a movement which takes place alternatingly with respect to an axis of rotation, wherein this movement can also take place eccentrically to the axis of rotation.

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.In one embodiment, the deflection device is arranged at an angle to a laser beam generated by the laser and arranged pivotable relative to an axis. The angular arrangement of the deflection device with respect to the laser beam ensures simultaneous deflection of the deflection of the laser beam in an inaccessible position on the component surface.

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.In one embodiment of the invention, the axis, with respect to which the deflecting device is pivotable, and the laser beam are coaxial with each other or at least parallel to each other. Coaxial means that the laser beam, which in the end is thin in itself, coincides with its center axis with the pivot axis of the deflection device. In principle, however, the laser beam can also be displaced parallel to the pivot axis according to this embodiment.

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.Due to the pivoting movement of the deflection device, the laser beam is directed so that it is moved back and forth and thereby runs on a circular segment. By a targeted reciprocation, which equals the pivoting movement, it is ensured that the component surface to be treated is equally supplied with heat energy by the laser beam.

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.In a further embodiment of the invention, the deflection device is pivotally arranged with respect to an axis which extends at an angle to the laser beam. This causes the laser beam to pass through an arc line after being deflected on the component surface.

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.In principle, a scanner may be provided for both alternatives, which scans the returned laser beams and which serves to control the rotational and / or the pivoting movement of the deflection device, in particular the pivoting frequency and the pivoting speed.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Umlenkvorrichtung in Form eines Spiegels, insbesondere eines elliptischen Spiegels dargestellt.In an advantageous embodiment of the invention, the deflection device is shown in the form of a mirror, in particular an elliptical mirror.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Laserstrahl durch die Umlenkvorrichtung weiter auf die Bauteiloberfläche fokussiert wird. Furthermore, it is expedient if the laser beam is further focused onto the component surface by the deflection device.

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.Another component of the invention is a device for heat treatment of a component surface according to claim 10, comprising a laser and a deflection device, which is characterized in that the deflection device comprises a rigidly arranged concave cylindrical mirror. This device has the advantage that it is subject to less wear and yet it is hereby made possible to subject narrow, hard to reach areas of a component with laser beams to a heat treatment.

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.Another component of the invention is a method for heat treatment of a component surface, wherein a laser beam is directed onto a deflection device and is directed by the deflection device onto the component surface. Here, the deflection device is rotatable or pivotable relative to an axis. Preferably, the deflection device is arranged at an angle to the axis, to the rotation or pivot axis, thereby the laser beam can be deflected to hard to reach areas of the component surface.

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.Further embodiments and advantageous features of the invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. The same features in different embodiments have the same reference numerals. In figures relating to the prior art, these features, which have the same designation, are given a prime mark.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung, insbesondere zum Härten einer Oberfläche einer Kurbelwelle nach dem Stand der Technik; 1 a device for heat treatment, in particular for hardening a surface of a crankshaft according to the prior art;

2 einen Längsschnitt durch eine Kurbelwelle mit einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung, wobei ein Laserstrahl auf eine Umlenkvorrichtung gelenkt und an dieser umgelenkt wird; 2 a longitudinal section through a crankshaft with a device for surface treatment, wherein a laser beam is directed to a deflecting device and deflected at this;

3 eine Umlenkvorrichtung eines Laserstrahls auf einer Bauteiloberfläche, wobei die Umlenkvorrichtung schwenkbar auf einer parallel zum Laserstrahl verlaufenden Achse angeordnet ist; 3 a deflection device of a laser beam on a component surface, wherein the deflection device is arranged pivotably on an axis extending parallel to the laser beam axis;

4 eine Vorrichtung zur Umlenkung eines Laserstrahls auf eine Bauteiloberfläche, wobei die Umlenkvorrichtung auf einer Achse angeordnet ist, die winklig bezüglich des Laserstrahls verläuft; 4 a device for deflecting a laser beam onto a component surface, wherein the deflection device is arranged on an axis which extends at an angle with respect to the laser beam;

5–6 schematische Darstellungen von Strahlengängen eines Laserstrahls mit einer Standard-Härteoptik; und die 5 - 6 schematic representations of beam paths of a laser beam with a standard hardness optics; and the

7 schematischen Darstellungen von Strahlengängen eines Laserstrahls mit einer passiven Umlenkvorrichtung. 7 schematic representations of beam paths of a laser beam with a passive deflection device.

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.Based on 1 a laser hardening method of a crankshaft according to the prior art and the problems associated therewith will be explained. It is a cross section of a crankshaft 28 ' shown on a rotary axis 34 ' rotates, wherein the crankshaft has two different types of bearings. These are a so-called connecting rod bearing 32 ' and a main camp 24 ' , The main camp 24 ' serves to support the crankshaft in the cylinder crankcase, the conrod bearing 32 ' serves to accommodate and eccentric movement of the connecting rod and thus the piston.

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.In particular, the connecting rod bearing 32 ' that is highly eccentric with respect to the axis 34 ' is designed throws the problem in a laser irradiation with a laser beam 12 ' on that used in conventional laser hardening method focusing the laser beam 12 ' with the focusing device 22 ' not suitable in the deep corners of the crankshaft 28 ' penetrate. especially on the flanks of the laser beam 12 ' reflects why only a very low energy input is possible and the heat treatment zone 24 ' in the corner areas for the hardening process is insufficient tempering.

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.There is also an accessibility problem for the laser beam in the deep flanks of the eccentric conrod bearings 12 ' because the beam 12 ' is shadowed by the far-flung flanks of the crankshaft at this point.

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.Below is the example of a crankshaft 28 as it is a complex component that needs to undergo various heat treatments. In particular, a heat treatment is described here, which serves for curing; it is therefore a laser hardening process. In this method and in the described crankshaft 28 it is an exemplary method or component to explain the solution of the problem already described. In principle, the device described below and the method described can be applied to other heat treatment methods. In particular, this can also be applied to other components - for example, on camshafts, especially at bearings that are difficult to access apply.

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. In 2 is therefore analogous to 1 a crankshaft 28 which is subjected to a heat treatment in the form of a hardening process, wherein in a main bearing 32 a heat treatment zone 24 on a component surface 4 is produced. This heat treatment zone 24 is based on the energy input from a laser beam 12 , its production and its redirection on the basis of the following 3 and 4 is explained in more detail.

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.In 3 is a cross section through the crankshaft 28 , in the 2 is shown in longitudinal section, shown. Further, a device 2 shown a laser 6 , with an upstream focusing optics 22 , includes. The laser 6 sends a laser beam 12 out, on a deflector 8th meets. This deflecting device 8th is preferably in the form of an elliptically shaped mirror 18 designed. In the embodiment according to 3 this is a wave 19 which has a cylindrical cross section and is cut obliquely. As a result, an elliptical surface forms, which coincides with the elliptical mirror 18 is provided. This wave 19 is on an axis 10 along the arrow direction 20 pivoted or rotatably mounted. Swinging is understood here to mean an alternating back and forth movement, which causes the laser beam 12 that is on the deflector 8th or on the mirror 18 meets, is deflected and by said float on the component surface 4 describes a circle segment.

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.It is expedient that the laser beam 12 , which has a finite thickness, in its center axis at least parallel to the pivot axis 10 the wave 19 runs. When the laser beam 12 coaxial with the axis 10 runs, then the laser beam hits 12 at the center of the ellipse on top of the mirror 18 is formed. The mirror 18 directs the laser beam in a focused manner 12 and preferably directs it punctiform on the component surface 4 ,

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.At this point it is appropriate to go back to 2 to go in the heat treatment zone 24 represented by the laser beam 12 is caused. In contrast to the method described in the prior art or to the device there, it is possible, with the device and the method described here, in the corners of the bearings 30 respectively. 32 to get these effectively through the laser beam 12 to warm and even a warming along the flanks 26 to achieve. By targeted control of the frequency and the speed of the pivoting or rotary movement of the deflecting device 8th or the mirror 18 allows the temperature and the penetration depth of the heat treatment zone 24 Taxes.

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.An alternative embodiment for the arrangement of the deflection device 8th or the elliptical mirror 18 is in 4 given. Here is the deflection device 18 also pivotally arranged, however, is the affected pivot axis here 14 is not arranged parallel to the laser beam, but it is located at an angle α to the beam direction of the laser beam 12 , The deflection effect and the focusing effect through the mirror 18 or the deflection device 8th are given by this embodiment as well as it is too 3 has been described. One difference is that the way the laser beam 12 on the component surface 4 does not describe a circle segment according to the embodiment 3 is, but represents a bow line. However, this movement formula also allows a very good heat input into the corners of the bearings 30 . 32 or on the flanks 26 achieve.

Es ist dabei zu erwähnen, dass während der Wärmebehandlung die Kurbelwelle bzw. das Bauteil, das behandelt werden soll, bevorzugt unter dem Laserstrahl 12 rotiert.It should be noted that during the heat treatment, the crankshaft or component to be treated is preferably under the laser beam 12 rotates.

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.The mirror 18 is moved by a scanner, such as a galvano scanner, back and forth. Thus, the reflected laser beam, which is not shown here, by the scanner 16 recorded and the information obtained thereby, the pivoting movement, the pivoting frequency and the pivoting speed of the deflection device 18 be selectively controlled so that the penetration depth and the temperature at the component surface 4 is regulated accordingly. The in the 3 and 4 exemplarily shown deflecting devices 8th may also be referred to as active deflection devices.

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.In the following, advantages of the described method or of the described device will be discussed. In particular, compared to inductive hardening, the laser hardening of complex component surfaces, in particular the hardening depths, made possible by this device could be set in an optimum manner. This results in a minimum heat load of the component to be cured or heat to be treated. The distortion of the component is minimized. It can be displayed in a closed process section all areas - ie all bearings, radii and cheeks - without soft transitions. The temperature control can be done as usual via a coaxial pyrometer.

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.In particular, the work preparation is significantly easier compared to the inductive hardening by the described method, for example on the bearing seats, since a radial rolls is eliminated. This causes the crankshaft For example, can be made shorter, which brings in the engine development new scope for the design with it. Rolling bearings with axial guide without inner ring are possible by the method described. Furthermore, a homogeneously adjustable hardness distribution ensured by the method allows a more accurate design of the crankshaft or the component per se, which in turn means that this component can be subjected to a higher mechanical and thermal load.

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.In the 5 to 7 are optical beam paths of a laser beam with a standard hardness optics 38 shown. In this case, a concave shaped deflecting mirror is shown as an alternative. This can optionally be configured rigid. A rigidly designed deflection mirror is also used as a passive deflection device 40 designated. A rigidly designed mirror as deflection is less prone to contamination and requires less maintenance of wearing parts. A deflection angle of 45 degrees or less allows for optimal attachment of a crossjet and improved optical correction.

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.A passive deflection device 40 has the further advantage that, with appropriate shaping, the increase of the angle of incidence is made possible. This in turn causes the laser beam 12 to the flanks 26 can be performed. Furthermore, this technical solution is robust, trouble-free, and it can be effectively cooled. All active elements, controls and drives are outsourced and are not burdened by the process. The distance of the passive deflection device 40 to the component can be increased. The necessary protective measures, such. B. a Crossjet can be arranged with minimized process influence.

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.The passive deflection device 40 in 7 is designed for example in the form of a cylindrical lens which has either a spherical or an aspherical cut. The central axis of the cylinder is in this case centrally to the bearing to be hardened and the cylindrical lens is arranged parallel to the crankshaft axis.

Die gemeinsame Verwendung einer starren Umlenkvorrichtung und einer aktiven Umlenkvorrichtung verbessert die Möglichkeit des Härtens der Flanken 26 der Kurbelwelle 28.The joint use of a rigid deflecting device and an active deflecting device improves the possibility of hardening the flanks 26 the crankshaft 28 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4209938 C1 [0004]

Claims

Device for heat treatment of a component surface ( 4 ) comprising a laser ( 6 ) as well as a deflection device ( 8th ), characterized in that the deflection device ( 8th ) is movable, in particular pivotally or rotatably mounted, is.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the deflection device ( 8th ) at an angle to the laser ( 6 ) generated laser beam ( 12 ) and with respect to an axis ( 10 . 14 ) is pivotally mounted.

Device according to claim 2, characterized in that the axis ( 10 ) and the laser beam ( 12 ) coaxial or parallel to each other.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the deflection device ( 8th ) pivotable relative to an axis ( 14 ) arranged at an angle to the laser beam ( 12 ), and that the laser beam ( 12 ) a curved line on the component surface ( 4 ) goes through.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a scanner ( 16 ) is provided, the surface to be treated ( 4 ) scanned and for controlling the rotational and or pivoting movement of the deflection device ( 8th ) serves.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection device ( 8th ) an elliptical mirror ( 18 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection device ( 8th ) the laser beam ( 12 ) on the component surface ( 4 ) focused.

Device for heat treatment of a component surface ( 4 ) comprising a laser ( 6 ) as well as a deflection device ( 8th ), characterized in that the deflection device ( 8th ) a rigidly arranged concave cylindrical mirror ( 40 ), and that the cylinder mirror ( 40 ) is directly water cooled.

Method for heat treatment of a component surface ( 4 ), whereby a laser beam ( 12 ) to a deflection device ( 8th ) and by the deflection device ( 8th ) on the component surface ( 4 ) is deflected, wherein the deflection device ( 8th ) with respect to an axis ( 10 . 14 ) is rotatably or pivotally mounted.

Method according to claim 9, characterized in that the axis ( 10 ) angled deflecting device ( 8th ) around the axis ( 10 ) and that the laser beam ( 12 ) by the deflection device ( 8th ) on the component surface ( 4 ) is focused.