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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung eines Bauteils, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs einer Wandung eines Bauteils ist beispielsweise bereits der
DE 10 2010 048 645 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird zumindest der Teilbereich mittels wenigstens eines Laserstrahls gehärtet, wobei der Laserstrahl mittels wenigstens eines Spiegels umgelenkt wird und danach auf die Wandung auftrifft. Der wenigstens eine Laserstrahl wird mittels eines Lasers ausgestrahlt. Nach dem Ausstrahlen trifft der Laserstrahl zunächst auf einen Spiegel und wird mittels des Spiegels umgelenkt, wonach der Laserstrahl schließlich auf die Wandung auftrifft, um dadurch zumindest den Teilbereich der Wandung zu härten.
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Es hat sich gezeigt, dass es hierbei zu einer hohen Belastung des Spiegels, insbesondere dessen Oberfläche, auf welche der Laserstrahl auftrifft, kommt. In Folge dieser hohen Belastung des Spiegels ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Spiegel Beschädigungen erleidet und somit ausfällt, sehr hoch.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die auf den Spiegel wirkenden Belastungen besonders gering gehalten werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die auf den Spiegel, insbesondere dessen Oberfläche, auf welche der Laserstrahl auftrifft, wirkenden Belastungen besonders gering gehalten werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest der Teilbereich der Wandung mittels des wenigstens einen azimutal, radial und zirkular polarisierten Laserstrahls gehärtet wird. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Laserstrahl azimutal, radial beziehungsweise zirkular zu polarisieren und dadurch eine azimutal, radial beziehungsweise zirkular polarisierte Laserstrahlung zu schaffen, welche mittels des Spiegels umgelenkt wird und daran anschließend auf die Wandung auftrifft, um dadurch zumindest den Teilbereich der Wandung zu härten. Durch den Einsatz einer solchen azimutal, radial beziehungsweise zirkular polarisierten Laserstrahlung zum Härten zumindest des Teilbereichs der Wandung kann eine besonders gleichmäßige Intensitätsverteilung auf dem als Umlenkspiegel fungierenden Spiegel realisiert werden, so dass die auf den Spiegel während des Umlenkens wirkenden Belastungen gering gehalten werden können. Dadurch ist es möglich, den Verschleiß des Spiegels im Vergleich zum Stand der Technik zu reduzieren, so dass die Ausfallwahrscheinlichkeit des Spiegels besonders gering gehalten werden kann. Dadurch ist es beispielsweise möglich, im Rahmen einer Serienfertigung eine besonders hohe Anzahl an Wandungen zu härten, ohne den Spiegel austauschen zu müssen.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Wandung ein Bohrloch begrenzt. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zumindest einen Teilbereich einer ein Bohrloch begrenzenden Wandung mittels wenigstens eines azimutal, radial und zirkular polarisierten Laserstrahls zu härten, welcher mittels wenigstens eines Spiegels umgelenkt wird und danach auf die Wandung auftrifft. Durch die Verwendung von azimutaler, radialer beziehungsweise zirkular polarisierter Laserstrahlung kann der Spiegel, insbesondere dessen Oberfläche, besonders gleichmäßig belastet werden, so dass der Verschleiß des Spiegels gering gehalten werden kann. Ferner ist es möglich, besonders kurze Prozesszeiten zu realisieren, so dass eine besonders hohe Anzahl an Wandungen in kurzer Zeit gehärtet werden kann. Ferner ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, im Vergleich zu konventionellen Härteverfahren wie beispielsweise Induktivhärten oder Nitrieren, den Wärmeintrag in die Wandung und somit das Bauteil gering zu halten, so dass ein aus dem Härten resultierender Verzug des Bauteils vergleichsweise gering gehalten werden kann. Ferner ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, die Absorption deutlich zu verbessern.
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Außerdem ist es möglich, im Vergleich zu rotierenden, abgeschrägten beziehungsweise angeschrägten Spiegeln eine Rotation des Spiegels zu unterlassen, so dass eine äußere Kühlung des Spiegels durch Schutzgas sowie alternativ oder zusätzlich eine weitere Kühlung im Inneren des Spiegels möglich ist. Mit anderen Worten hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Dreh- beziehungsweise Schwenkbewegungen des Spiegels unterbleiben. Dadurch kann das Verfahren besonders zeit- und kostengünstig durchgeführt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Bauteils mit einer ein Bohrloch begrenzenden Wandung, wobei zumindest ein Teilbereich der das Bohrloch begrenzenden Wandung mittels wenigstens eines azimutal, radial und zirkular polarisierten Laserstrahls gehärtet wird, welcher mittels wenigstens eines Spiegels umgelenkt wird und danach auf die Wandung auftrifft; und
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2 eine schematische Darstellung der von dem Spiegel absorbierten Intensität des azimutal polarisierten und auf den Spiegel auftreffenden Laserstrahls.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Bauteil, insbesondere eines Kraftwagens. Aus 1 ist erkennbar, dass das Bauteil 10 eine Wandung 12 aufweist, durch welche ein Bohrloch 14 begrenzt ist. Die Wandung 12 wird daher auch als Bohrwand bezeichnet. Im Folgenden wird anhand von 1 und 2 ein Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs der das Bohrloch 14 begrenzenden Wandung 12 beschrieben. Aus 1 ist erkennbar, dass zumindest der Teilbereich der Wandung 12 und vorzugsweise die Wandung 12 insgesamt mittels wenigstens eines azimutal, radial beziehungsweise zirkular polarisierten Laserstrahls 16 gehärtet wird. Der Laserstrahl 16 trifft auf einen im Ganzen mit 18 bezeichneten Spiegel, mittels welchem der Laserstrahl 16 umgelenkt wird, wonach der Laserstrahl 16 auf die Wandung 12 auftrifft. Aus 1 ist ferner erkennbar, dass der Spiegel 18 zumindest teilweise kegelförmig ausgebildet ist, wonach der Laserstrahl 16 auf die Wandung 12 umgelenkt wird. Dabei ragt zumindest der kegelförmige Teilbereich 20 des Spiegels 18 in das Bohrloch 14 hinein, so dass der wenigstens eine Laserstrahl 16 innerhalb des Bohrlochs 14 mittels des kegelförmigen Teilbereichs 20 umgelenkt wird. 1 zeigt eine Längsschnittansicht des Bauteils 10, des Spiegels 18 und des Laserstrahls 16, wobei zu erkennen ist, dass der Laserstrahl 16 einen ringförmigen Hohlquerschnitt 22 aufweist.
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Mit anderen Worten ist der Laserstrahl 16 azimutal, radial beziehungsweise zirkular polarisiert und im Querschnitt zumindest im Wesentlichen ringförmig. Dabei ragt der kegelförmige Teilbereich 20 zumindest teilweise in den ringförmigen Hohlquerschnitt 22 hinein. Der Laserstrahl 16 und der Spiegel 18, insbesondere dessen kegelförmiger Teilbereich 20, sind dabei derart relativ zueinander ausgerichtet, so dass die Längsmittelachse 24 des Laserstrahls 16 mit der Längsmittelachse 26 des kegelförmigen Teilbereichs 20 zusammenfällt. Der Laserstrahl 16 berührt somit nicht die Spitze 28 des kegelförmigen Teilbereichs 20, sondern eine Kontaktfläche, an welcher der Laserstrahl 16 auf den kegelförmigen Teilbereich 20 auftrifft, wodurch ein Abbrennen der Spitze 28 vermieden wird.
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Durch den Einsatz des azimutal, radial beziehungsweise zirkular polarisierten Laserstrahls lässt sich eine in 2 veranschaulichte, auf den Spiegel 18, insbesondere dessen kegelförmigen Teilbereich 20, wirkende Intensitätsverteilung realisieren. Mit anderen Worten ist der Laserstrahl 16 eine azimutal, radial und zirkular polarisierte Laserstrahlung, aus welcher eine in 2 veranschaulichte Intensitätsverteilung folgt. Hierbei ist in einem Bereich 30 die Absorption hoch, während in Bereichen 32 die Absorption gegenüber dem Bereich 30 geringer ist. In weiteren Bereichen 34 ist die Absorption gegenüber den Bereichen 32 nochmals geringer. Es versteht sich, dass in 2 die Intensitätsverteilung schematisch und vereinfacht dargestellt ist, wobei im Gegensatz zu 2 die Grenzen zwischen den Bereichen 30, 32 und 34 tatsächlich nicht so exakt und streng wie in 2 dargestellt verlaufen, sondern zwischen den Bereichen 30, 32 und 34 sind die Grenzen eher fließend.
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Der Einsatz des kegelförmigen Spiegels 18 mit hoher Reflektivität ermöglicht die Realisierung einer axial gleich verteilten Bestrahlung der Wandung 12 des Bauteils 10, welches beispielsweise eine Flanschwelle ist. Somit ist eine Bearbeitung der gesamten Flanschwelle beziehungsweise das gesamte Bauteil 10 möglich. Anhand von 2 ist erkennbar, dass sich durch den Einsatz der azimutal, radial beziehungsweise zirkular polarisierten Laserstrahlung eine besonders gleichmäßige Intensitätsverteilung auf dem als Umlenkspiegel fungierenden Spiegel 18, insbesondere auf dessen Oberfläche 36, realisieren lässt, so dass die auf den Spiegel 18 wirkenden Belastungen sowie der Verschleiß des Spiegels 28 besonders gering gehalten werden können.
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Im Rahmen des Verfahrens wird der Spiegel 18 – wie in 1 durch einen Richtungspfeil 38 veranschaulicht ist – translatorisch relativ zum Bauteil 10 und insbesondere in dem Bohrloch 14 bewegt, wodurch der Laserstrahl 16 unter Ausbildung einer sogenannten Härtespur 40 an unterschiedlichen Stellen der Wandung 12 auftrifft, wodurch diese entlang der Härtespur beziehungsweise an der Härtespur 40 gehärtet wird. Mit anderen Worten veranschaulicht der Richtungspfeil 38 eine Vorschubrichtung, entlang welcher der Spiegel 18 relativ zum Bauteil 10 translatorisch bewegt wird.
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Im Vergleich zu konventionellen Härteverfahren wie beispielsweise dem Induktivhärten oder dem Nitrieren ist es durch das anhand von 1 und 2 veranschaulichte Verfahren möglich, die Wandung 12 lediglich lokal zu härten, so dass dadurch im Vergleich zu den herkömmlichen Härteverfahren weniger Wärme in das Bauteil 10 induziert wird, so dass ein Verzug des Bauteils 10 gering gehalten werden kann. Dadurch, dass der Wärmeeintrag des Bauteils 10 gering gehalten werden kann, ist es möglich, mittels des Verfahrens besonders dünnwandige Bauteile wie beispielsweise dünnwandige Flanschwellen zu härten, ohne dass es zu einem übermäßigen Verzug der dünnwandigen Bauteile kommt. Des Weiteren kann die Nachbearbeitungszeit des Bauteils 10 deutlich verkürzt werden.
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Durch einen Richtungspfeil 42 ist veranschaulicht, dass der Spiegel 18 außenumfangsseitig mittels eines Kühlmediums insbesondere in Form eines Gases umströmt und dadurch gekühlt wird. Bei dem Kühlmedium beziehungsweise Gas handelt es sich vorzugsweise um Schutzgas, welches in das Bohrloch 14 eingeleitet wird und somit den Spiegel 18 außenumfangsseitig umströmt. Hierdurch ist eine äußere Kühlung des Spiegels 18 durch Schutzgas realisierbar.
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Vorzugsweise unterbleibt eine Drehbewegung des Spiegels 18. Dies bedeutet, dass der Spiegel 18 während des Härtens der Wandung 12 nicht gedreht wird. Hierdurch kann alternativ oder zusätzlich eine innere Kühlung des Spiegels 18 realisiert werden. Aus 1 ist erkennbar, dass sich in Spiegel 18 und insbesondere zumindest in einem Teil des kegelförmigen Teilbereichs 20 Kühlkanäle 44 erstrecken, welche beispielsweise als Kühlbohrungen ausgebildet sind.
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Die Kühlkanäle 44 werden von einem Kühlmedium durchströmt, mittels welchem der Spiegel 18 innenumfangsseitig, das heißt von innen her gekühlt wird, so dass der Verschleiß des Spiegels 18 und somit dessen Ausfallwahrscheinlichkeit besonders gering gehalten werden können. Das die Kühlkanäle 44 durchströmende Kühlmedium ist beispielsweise eine Flüssigkeit oder Gas.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010048645 A1 [0002]
