DE102013017132A1 - Hardening portion of component, comprises placing component at distance from first electrode, connecting capacitor to first and second electrodes, charging capacitor with electric voltage, and applying shock wave to portion - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen wenigstens eines Teilbereichs eines Bauteils.The invention relates to a method for solidifying at least a portion of a component.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Verfahren zum Verfestigen wenigstens eines Teilbereichs eines Bauteils bereits hinlänglich bekannt. Durch Verfestigen des Teilbereichs kann die Festigkeit des Bauteils in dem Teilbereich gegenüber einem Zustand ohne das Verfestigen erhöht werden. Als Verfestigungsverfahren sind beispielsweise Walzen oder Hämmern bekannt. Diese Verfestigungsverfahren jedoch weisen eine nur geringe Tiefenwirkung auf. Darüber hinaus sind zum Durchführen dieser Verfestigungsverfahren massive Werkzeuge erforderlich, wobei der zu verfestigende Teilbereich für diese massiven Werkzeuge zugänglich sein muss. Darüber hinaus wirken beim Verfestigen des Teilbereichs üblicherweise starke Belastungen auf das Bauteil, da das Bauteil beispielsweise in einem Gegenhalter gehalten werden muss. Üblicherweise muss das Bauteil dabei im Nachgang gerichtet oder spanend oder umformend wieder auf Maß gebracht werden, um die aufgetretenen Deformationen oder Verzüge zu kompensieren.Methods for consolidating at least one subarea of a component are already well known from the general state of the art. By solidifying the portion, the strength of the component in the portion can be increased from a condition without solidification. As solidification process, for example, rollers or hammers are known. However, these solidification methods have only a low depth effect. In addition, massive tools are required to perform this solidification process, with the portion to be consolidated accessible to these massive tools. In addition, when solidifying the portion usually heavy loads on the component act as the component must be kept, for example, in a counter-holder. Usually, the component has to be subsequently adjusted or machined or reshaped to measure, in order to compensate for the deformations or distortions that have occurred.
Eine weitere Methode, um wenigstens einen Teilbereich eines Bauteils zu verfestigen, ist beispielsweise das Kugelstrahlen. Jedoch weist auch das Kugelstrahlen eine nur geringe Tiefenwirkung auf. Darüber hinaus kommt es zu einem Abrieb des Strahlmittels, wodurch das Bauteil verschmutzt werden kann. Darüber hinaus sind übliche Anlagen zum Kugelstrahlen verschleißintensiv. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Oberfläche des Teilbereichs durch das Kugelstrahlen beschädigt werden kann.Another method for solidifying at least a portion of a component is, for example, shot peening. However, the shot peening also has a low depth effect. In addition, it comes to abrasion of the blasting agent, whereby the component can be contaminated. In addition, conventional systems for shot peening are wear-intensive. Another disadvantage is that the surface of the portion can be damaged by the shot peening.
Eine weitere Möglichkeit zum Verfestigen wenigstens eines Teilbereichs eines Bauteils ist das sogenannte Laserpeening. Mittels des Laserpeenings lässt sich eine hohe Tiefenwirkung realisieren. Darüber hinaus kann eine thermische Beeinflussung des Bauteils vermieden oder zumindest gering gehalten werden. Ein Laser-Peening-Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Laser-Peening-Verfahrens sind beispielsweise der
Der Nachteil von Laser-Peening-Verfahren ist jedoch, dass zum Durchführen der Laser-Peening-Verfahren kostenintensive Speziallaser mit extrem hoher Pulsspitzenleistung erforderlich sind. Standardkomponenten wie Optiken, Kabinen etc. sind hierbei kaum verwendbar. Das Bauteil muss zudem vorab mit einem Coating versehen werden, was ggf. nach dem Peening wieder entfernt werden muss. Damit lassen sich solche Laser-Peening-Verfahren nur sehr kostenaufwendig durchführen.The disadvantage of laser peening processes, however, is that costly special lasers with extremely high pulse peak power are required to perform the laser peening processes. Standard components such as optics, cabs, etc. are hardly usable here. The component must also be provided in advance with a coating, which may need to be removed after peening again. Thus, such laser peening process can be very expensive to perform.
Schließlich sind aus dem allgemeinen Stand der Technik auch thermische Verfahren zur Erhöhen der Festigkeit des Bauteils bekannt. Bei diesen thermischen Verfahren kann es sich beispielsweise um Härten oder Vergüten handeln. Hierbei kommt es jedoch zu einer unerwünscht hohen Wärmebelastung des Bauteils, woraus ein Verzug des Bauteils resultieren kann. Ferner ist für diese thermischen Verfahren ein hoher apparativer und energetischer Aufwand erforderlich. Ferner sind diese thermischen Verfahren nur schlecht örtlich begrenzt anwendbar, was beispielsweise eine folgende Zerspanung erschweren kann. Die Wirkung in die Tiefe ist limitiert, da für den Härteeffekt eine Mindestabschreckgeschwindigkeit erreicht werden muss.Finally, from the general state of the art, thermal methods for increasing the strength of the component are also known. These thermal methods may be, for example, hardening or tempering. However, this leads to an undesirably high heat load on the component, which can result in a distortion of the component. Furthermore, a high expenditure on equipment and energy is required for these thermal processes. Furthermore, these thermal methods are poorly applicable locally limited, which can make it difficult, for example, a subsequent cutting. The effect in depth is limited, since a minimum quenching speed must be achieved for the hardening effect.
Die
Der Laserpuls weist einen Ausbreitungspfad und eine Leistung auf, die größer als ein kritisches Leistungsniveau ist. Der Laserpuls erzeugt auf seinem Weg durch das Wasser durch Verdampfen und Ionisieren einen Kanal, in dem sich viele freie Ladungsträger befinden. Der Laser-ionisierte Kanal weist eine höhere Leitfähigkeit als das umgebende Wasser auf, so dass die Entladung schlagartig entlang des Kanals erfolgt und mit dem Laserstrahl die Richtung vorgegeben werden kann.The laser pulse has a propagation path and a power greater than a critical power level. The laser pulse generates on its way through the water by evaporation and ionization a channel in which there are many free charge carriers. The laser ionized channel has a higher conductivity than the surrounding water, so that the discharge takes place abruptly along the channel and the direction can be specified with the laser beam.
Im Rahmen des Verfahrens wird die externe Energiequelle genutzt, um ein elektrisches Antriebsfeld zu erzeugen, wobei mittels des elektrischen Antriebsfelds eine elektrische Entladung zu einem auf den ersten Zeitpunkt folgenden, zweiten Zeitpunkt bewirkt wird. Die elektrische Entladung verläuft durch das Wasser entlang des Pfads des laser-ionisierten Kanals.As part of the method, the external power source is used to generate an electric drive field, wherein by means of the electric drive field, an electrical discharge is effected at a second time following the first time. The electrical discharge passes through the water along the path of the laser-ionized channel.
Darüber hinaus sind Laser-Peening-Verfahren der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verfestigen wenigstens eines Teilbereichs eines Bauteils bereitzustellen, welches kostengünstig durchführbar ist und bei welchem unerwünschte Beeinträchtigungen wie beispielsweise thermische und mechanische Belastungen und unerwünschte Gefügeumwandlungen des Bauteils vermieden werden können.The object of the present invention is to provide a method for solidifying at least one subregion of a component which can be carried out cost-effectively and in which undesired impairments such as, for example, thermal and mechanical stresses and undesirable microstructural transformations of the component can be avoided.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
Ein solches Verfahren zum Verfestigen wenigstens eines Teilbereichs eines Bauteils mittels wenigstens einer Druckwelle unter Verwendung wenigstens eines Energiestrahls umfasst einen ersten Schritt, in welchem das Bauteil in einem Abstand zu wenigstens einer Elektrode angeordnet wird. In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird wenigstens ein Kondensator bereitgestellt. Ferner wird der Kondensator einerseits mit der ersten Elektrode und andererseits mit einer zweiten Elektrode oder mit dem Bauteil als Elektrode elektrisch verbunden. Dies bedeutet, dass die Elektroden kapazitiv über den Kondensator miteinander verbunden beziehungsweise gekoppelt werden.Such a method for solidifying at least one partial region of a component by means of at least one pressure wave using at least one energy beam comprises a first step, in which the component is arranged at a distance from at least one electrode. In a second step of the method, at least one capacitor is provided. Further, the capacitor is electrically connected on the one hand to the first electrode and on the other hand to a second electrode or to the component as an electrode. This means that the electrodes are connected or coupled capacitively to one another via the capacitor.
In einem dritten Schritt des Verfahrens wird die erste Elektrode von der zweiten Elektrode zumindest teilweise mittels wenigstens eines Isolators bzw. Isolationsmittels elektrisch isoliert. In einem vierten Schritt des Verfahrens wird der Kondensator mit einer elektrischen Spannung, insbesondere mit einer elektrischen Hochspannung aufgeladen, und zwar derart, dass ein elektrischer Durchschlag zwischen den Elektroden unterbleibt In einem fünften Schritt des Verfahrens wird die auf den Teilbereich des Bauteils wirkende Druckwelle zum Verfestigen des Teilbereichs bewirkt, indem der zwischen den Elektroden angeordnete Isolator zumindest teilweise mittels des Energiestrahls verdampft und/oder ionisiert wird, woraus wenigstens eine die Druckwelle bewirkende elektrische Entladung zwischen den Elektroden resultiert. Entscheidend ist dabei die Erzeugung von Ladungsträgern für den Überschlag. Dies kann auch durch das Verdampfen oder Ablatieren des Bauteils, einer Schicht auf dem Bauteil oder der Elektrodenoberfläche erfolgen.In a third step of the method, the first electrode is electrically insulated from the second electrode at least partially by means of at least one insulator or insulating means. In a fourth step of the method, the capacitor is charged with an electrical voltage, in particular with an electrical high voltage, in such a way that an electrical breakdown between the electrodes is omitted. In a fifth step of the method, the pressure wave acting on the partial area of the component is solidified of the subregion is effected by at least partially vaporising and / or ionizing the insulator arranged between the electrodes by means of the energy beam, resulting in at least one electrical discharge between the electrodes which effects the pressure wave. The decisive factor is the generation of charge carriers for the rollover. This can also be done by evaporating or ablating the component, a layer on the component or the electrode surface.
Die Energie zur Verdampfung des Isolators ist wesentlich geringer als beim klassischen Laserpeening. Auch eine lokale Verdampfung der Elektrode oder des Bauteils erfordert vergleichsweise geringe Energiemengen, die z. B. bereits durch gängige, sehr kostengünstige Beschriftungslaser erreicht werden. Der Großteil der Energie für die Druckwelle stammt aus der elektrischen Entladung, vergleichbar mit der Druckwelle bei einem Blitzeinschlag. Der Isolator kann als Gas, Feststoff oder Flüssigkeit ausgebildet werden. Im Falle einer Flüssigkeit behindert die umgebende Flüssigkeit um die Dampfblase zusätzlich die seitliche Ausbreitung der Druckwelle.The energy used to evaporate the insulator is much lower than in classical laser peening. Also, a local evaporation of the electrode or the component requires comparatively small amounts of energy, the z. B. already be achieved by popular, very inexpensive labeling lasers. Most of the energy for the pressure wave comes from the electrical discharge, comparable to the pressure wave in a lightning strike. The insulator can be formed as a gas, solid or liquid. In the case of a liquid, the surrounding liquid around the vapor bubble additionally impedes the lateral propagation of the pressure wave.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich die Vorteile des Laser-Peening-Verfahrens realisieren. Die genannten Nachteile des Laser-Peening-Verfahrens können jedoch vermieden werden, da das Verfahren mit einfachen und kostengünstigen Komponenten durchgeführt werden kann. Elektrische Energie für die Druckwelle ist kostengünstiger, da keine Umwandlung von elektrischer in Laserenergie. Wirkungsgrad Laser heute ca. max. 40% elektrisch-optisch.By means of the method according to the invention, the advantages of the laser peening method can be realized. However, the mentioned disadvantages of the laser peening method can be avoided since the method can be carried out with simple and inexpensive components. Electrical energy for the pressure wave is more cost-effective, since no conversion from electrical to laser energy. Efficiency Laser today approx. Max. 40% electrical-optical.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise die Gestaltfestigkeit des gesamten Bauteils oder lokal in kritischen Bauteilbereichen ohne oder mit einem nur geringen Wärmeeinfluss erhöht werden. Dadurch kann das Bauteil zumindest im verfestigten Teilbereich gegenüber einem nicht-verfestigten Zustand schlanker, das heißt mit einer geringeren Wanddicke ausgeführt werden oder erträgt bei gleicher Wanddicke höhere Belastungen, vor allem bei dynamischer Belastung. Ferner kann unter Umständen auf den Einsatz von kostenintensiven Werkstoffen verzichtet werden. Gleichzeitig kann eine besonders hohe Haltbarkeit beziehungsweise Robustheit des Bauteils vor allem gegenüber dynamischen Belastungen realisiert oder überhaupt erst sichergestellt werden.By means of the method according to the invention, for example, the structural strength of the entire component or locally in critical component areas can be increased without or with only a slight influence of heat. As a result, the component can be made slimmer, that is to say with a smaller wall thickness, at least in the solidified subregion in relation to a non-solidified state, or endures higher loads for the same wall thickness, especially under dynamic load. Furthermore, it may be possible to dispense with the use of costly materials under certain circumstances. At the same time, a particularly high durability or robustness of the component can be realized above all against dynamic loads or even ensured at all.
Ein Beispiel für ein Bauteil, welches mittels des Verfahrens zumindest in einem Teilbereich verfestigt werden kann, ist eine Kurbelwelle für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Eine solche Kurbelwelle weist Lagerstellen mit Radien auf. An diesen Radien kann die Kurbelwelle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verfestigt werden. Ohne diese Verfestigung könnten aufgrund von Kerbwirkungen und Spannungskonzentrationen Risse im Betrieb auftreten.An example of a component which can be solidified by means of the method at least in a partial area is a crankshaft for a reciprocating internal combustion engine. Such a crankshaft has bearings with radii. At these radii, the crankshaft can be solidified by means of the method according to the invention. Without this consolidation cracks could occur during operation due to notch effects and stress concentrations.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine hohe Tiefenwirkung. Dies bedeutet, dass der Teilbereich besonders tief, das heißt bis zu einer sehr großen Tiefe verfestigt werden kann. Darüber hinaus kann eine Wärmebelastung des Bauteils vermieden oder zumindest gering gehalten werden. Darüber hinaus ist das Verfahren lokal begrenzt anwendbar. Dies bedeutet, dass das Bauteil dort und nur dort verfestigt werden kann, wo eine Verfestigung erforderlich ist. Die Energie zum Durchführen des Verfahrens kann besonders kostengünstig erzeugt werden. Darüber hinaus kann die Netzbelastung gering gehalten werden, da die Ladezeit zum Aufladen des Kondensators wesentlich größer gestaltet werden kann als die Entladezeit des Kondensators, der über die Elektroden bei der elektrischen Entladung entladen wird.The inventive method has a high depth effect. This means that the sub-area can be particularly deep, that is solidified to a very large depth. In addition, a heat load on the component can be avoided or at least kept low. In addition, the method is locally applicable. This means that the component can be solidified there and only where solidification is required. The energy for carrying out the method can be generated particularly inexpensively. About that In addition, the network load can be kept low because the charging time for charging the capacitor can be made much larger than the discharge time of the capacitor, which is discharged through the electrodes in the electrical discharge.
Vorzugsweise wird als der Energiestrahl ein Laserstrahl verwendet, welcher von einem Laser bereitgestellt wird. Hierzu können ein Standard-Laser und Standardkomponenten verwendet werden. Darüber hinaus können kostengünstige Schutzvorrichtungen wie beim KE-Schweißen (Kondensatorentladungsschweißen) oder Laserschweißen verwendet werden. Bis auf die Elektroden sind Verschleißteile bei dem Verfahren nicht vorgesehen. Dabei kann es sich bei den Elektroden um einfache und kostengünstige Kupferteile oder dergleichen handeln. Darüber hinaus ist der Einsatz von Strahlmitteln nicht erforderlich und nicht vorgesehen.Preferably, the laser beam used as the energy beam is a laser beam provided by a laser. For this a standard laser and standard components can be used. In addition, low-cost protection devices such as KE welding (capacitor discharge welding) or laser welding can be used. Except for the electrodes wear parts are not provided in the process. In this case, the electrodes can be simple and inexpensive copper parts or the like. In addition, the use of blasting agents is not required and not provided.
Ferner lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Teilbereiche verfestigen, die für herkömmliche Verfestigungsverfahren wie beispielsweise Walzen oder dergleichen nicht zugänglich wären. Bei dem Verfahren muss lediglich eine Zugänglichkeit für die Elektrode und den Laserstrahl vorgesehen werden, wobei gegebenenfalls eine Strahlführung in der Elektrode erfolgen kann. Somit können unter Umständen auch Bohrungen und Innenwände von Bauteilen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verfestigt werden. Durch die besonders hohe Tiefenwirkung gegenüber konventionellen Verfahren weist das erfindungsgemäße Verfahren auch ein sehr hohes Leichtbau- und Integrationspotential auf.Furthermore, by means of the method according to the invention it is also possible to solidify subregions which would not be accessible to conventional solidification methods such as, for example, rolls or the like. In the method, only an accessibility for the electrode and the laser beam must be provided, with optionally a beam guidance can be carried out in the electrode. Thus, under certain circumstances, bores and inner walls of components can be solidified by means of the method according to the invention. Due to the particularly high depth effect compared to conventional methods, the inventive method also has a very high lightweight and integration potential.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich beispielsweise zumindest Teilbereiche von hochbelasteten Bauteilen von Motoren handeln. Das Bauteil mit dem zu verfestigenden Teilbereich ist beispielsweise als Lager oder Pleuel ausgebildet. Das Bauteil kann beispielsweise eine Welle oder ein Ritzel eines Getriebes oder eine Nabe oder ein Lager einer Achse eines Kraftwagens sein. Das Verfahren kann auch auf Bauteile für den Luftfahrzeugbau, für Turbinen, Motoren, Verdichter etc. angewendet werden. Insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen, die nach dem sogenannten Downsizing-Konzept ausgeführt werden, nimmt der Bedarf an lokalen Verfestigungen von Bauteilen stetig zu.By means of the method according to the invention, for example, at least partial areas of highly stressed components of motors can be handled. The component with the portion to be solidified is formed for example as a bearing or connecting rod. The component may be, for example, a shaft or a pinion of a transmission or a hub or a bearing of an axle of a motor vehicle. The method can also be applied to components for aircraft construction, for turbines, engines, compressors, etc. In particular, in internal combustion engines, which are executed according to the so-called downsizing concept, the demand for local solidification of components is steadily increasing.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
In einem aus
Wie aus
In einem dritten Schritt des Verfahrens wird wenigstens ein Kondensator
Somit sind das Bauteil
Aus
In einem aus
Der Laserstrahl
Wie aus
Gegebenenfalls kann zumindest ein Teilbereich der Elektrode
Aus
Gegebenenfalls kann es sinnvoll sein, die Elektrode
Anhand von
Bei der ersten Ausführungsform, der zweiten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform wird das Bauteil
Im Gegensatz zum Laser-Peening-Verfahren wird bei dem anhand von
Der Isolator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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DE201310017132 Pending DE102013017132A1 (en) | 2013-10-16 | 2013-10-16 | Hardening portion of component, comprises placing component at distance from first electrode, connecting capacitor to first and second electrodes, charging capacitor with electric voltage, and applying shock wave to portion |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102013017132A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4937421A (en) | 1989-07-03 | 1990-06-26 | General Electric Company | Laser peening system and method |
US5741559A (en) | 1995-10-23 | 1998-04-21 | Lsp Technologies, Inc. | Laser peening process and apparatus |
US6049058A (en) | 1998-12-15 | 2000-04-11 | Lsp Technologies, Inc. | Laser peening process and apparatus with uniform pressure pulse confinement |
US20030029522A1 (en) | 2001-08-13 | 2003-02-13 | Moreman Otis S. | Laser shock peening with an explosive coating |
US20120114007A1 (en) | 2010-11-10 | 2012-05-10 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Underwater Laser-Guided Discharge |
-
2013
- 2013-10-16 DE DE201310017132 patent/DE102013017132A1/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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