DE102016211202A1

DE102016211202A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils

Info

Publication number: DE102016211202A1
Application number: DE102016211202.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dacho; Peter SCHÖMIG
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils (10), wobei mindestens ein ausgewählter Bereich (11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22) des Bauteils (10) einer Beaufschlagung mit einer Laserstrahlung (27) unterzogen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Energieeintrag der Laserstrahlung (27) in den mindestens einen ausgewählten Bereich (11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22) derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Aufschmelzung und eine Härtung des mindestens einen ausgewählten Bereichs (11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22) erfolgen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung (23).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13.
Im Stand der Technik ist es bereits bekannt, dass mechanisch hochbelastete Bauteile durch bestimmte Geometrieausbildungen in ihrer Belastbarkeit beeinflusst werden können. Als Beispiel hierfür sei die sog. Kerbwirkung genannt, die sich z.B. bei auf Torsion oder auch bei auf Zugspannung belasteten Bauteilen besonders negativ auswirkt. Sofern ein derartig beanspruchtes Bauteil Einschnitte oder Kerben an seiner Oberfläche aufweist, so kann dies zu einer starken Reduzierung seiner Torsionsbelastbarkeit bzw. Spannungsbelastbarkeit führen. Um diese Reduzierung zu verringern ist z.B. das Anbringen von sog. Entlastungskerben an der Oberfläche bekannt, die zu einem verbesserten Kraftfluss durch den Bauteilkörper führen und damit die Belastbarkeit und Lebensdauer des Bauteils erhöhen. Weiterhin ist es bekannt, metallische Bauteile einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, um gezielt ihre Eigenschaften für einen bestimmten Anwendungszweck zu optimieren. Beispielsweise kann Stahl erhitzt werden, um seine Bearbeitung zu vereinfachen. Auch eine auf die Bearbeitung folgende Wärmenachbehandlung ist bekannt, etwa in Form eines sog. Spannungsfreiglühens, Weichglühens, Rekristallisationsglühens oder Härtens.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 44 25 033 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drückumformen von Werkstücken, wobei ein Werkstück in eine Spanneinrichtung eingespannt und durch zumindest ein Drückwerkzeug umgeformt wird. Insbesondere ist eine Laserstrahleinrichtung vorgesehen, durch die das Werkstück mit einem Laserstrahl beaufschlagt und erwärmt wird, um die Fließspannung zu senken und das Formänderungsvermögen zu verbessern. Die Umformtemperatur ist an unterschiedliche Materialien anpassbar und regelbar.
Dadurch kann eine lokale Erwärmung des Werkstückes in den Bereichen hoher Umformgrade erfolgen. Auch wird die Möglichkeit beschrieben, das Werkstück nach dem Umformen einer Wärmebehandlung zu unterwerfen.
Die DE 41 42 216 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Erhöhung der Torsionswechselfestigkeit eines eine Nut aufweisenden Bauteils, insbesondere einer Kurbelwelle, wobei das Bauteil eine festigkeitsverringernde Nut mit Nutgrundkanten aufweist. Die Bereiche der Nutgrundkanten werden mittels eines energiereichen Strahls nach Art eines Laser- oder Elektronenstrahls unter gleichzeitiger Beaufschlagung der Nutgrundkanten mit einem oxidationshindernden Schutzgas mit den Eigenschaften von Stickstoff gehärtet. Somit kann die störende Verringerung der der Torsionswechselfestigkeit rückgängig gemacht werden.
Die bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen sind jedoch oftmals noch nicht ausreichend, um modernsten Anforderungen hinsichtlich der Torsionsbelastbarkeit bzw. Spannungsbelastbarkeit hochbelasteter Bauteile zu begegnen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines d druckbeaufschlagbaren Bauteils, wobei mindestens ein ausgewählter Bereich des Bauteils einer Beaufschlagung mit einer Laserstrahlung unterzogen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Energieeintrag der Laserstrahlung in den mindestens einen ausgewählten Bereich derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Aufschmelzung und eine Härtung des mindestens einen ausgewählten Bereichs erfolgen.
Es hat sich herausgestellt, dass sich durch das gleichzeitige Aufschmelzen in Verbindung mit dem Härten eine wesentliche Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit ergibt. Vergleichstests an hochbelasteten Bauteilen haben eine Verbesserung der Dauerbelastbarkeit der erfindungsgemäß hergestellten Bauteile um etwa das Achtfache gegenüber den standardisiert und ohne das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteilen ergeben. Die dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen Bauteile halten also der achtfachen Zahl an Lastwechseln stand, womit ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit wesentlich verbessert werden konnten. Eine herkömmlicherweise notwendige Verstärkung des Bauteils durch Hinzufügen von Material und Verdicken der jeweiligen Schwachstellen des Bauteils kann somit entfallen. Das Bauteil wird somit weder schwerer noch herstellungsseitig wesentlich teurer, bei gleichzeitig deutlicher Verbesserung seiner Spannungsbelastbarkeit.
Das Aufschmelzen erfolgt dabei über den Energieeintrag der Laserstrahlung, da der Energieeintrag zu einer Temperaturerhöhung des mindestens einen ausgewählten Bereichs führt.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren zu verbessernde Spannungsbelastbarkeit ist bevorzugt eine Belastbarkeit auf Zugspannung, welche durch einen Innendruck im Bauteil auf das Bauteil hervorgerufen wird. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Innendruck um einen hydraulischen Innendruck, wie er beispielsweise in hydraulischen Zylinder-Kolben-Aggregaten oder auch Drehmomentwandlern besteht.
Die Laserstrahlung bildet auf der Oberfläche des mindestens einen ausgewählten Bereichs einen Bestrahlungsfleck, auf welchem die Laserstrahlung auf die Oberfläche trifft. Ein Teil der Laserstrahlung wird an der Oberfläche reflektiert und entfaltet keine weitere Wirkung auf den mindestens einen ausgewählten Bereich bzw. auf das Bauteil. Je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit bzw. Wellenlänge des der Laserstrahlung wird im Regelfall jedoch der größte Anteil der Laserstrahlung absorbiert und führt zu einer Temperaturerhöhung, welche dann wiederum zur Aufschmelzung führt. Da der Energieeintrag ausschließlich am jeweiligen Ort des Bestrahlungsflecks auf der Oberfläche des mindestens einen ausgewählten Bereichs erfolgt, kann das Aufschmelzen ebenso wie das Härten lokal vergleichsweise genau gesteuert werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Bestrahlungsfleck in seiner flächigen Größe steuerbar ist, z.B. mittels einer für Laseranwendungen geeigneten optischen Linse.
Bevorzugt stellt der absorbierte Anteil der Laserstrahlung den Energieeintrag dar. Da der absorbierte Anteil der Laserstrahlung jedoch gegenüber dem reflektierten Anteil ein festes Größenverhältnis aufweist, ergibt sich über eine Steuerung bzw. Regelung der insgesamt erzeugten Laserstrahlung auch eine zur insgesamt erzeugten Laserstrahlung proportionale Steuerung bzw. Regelung des absorbierten Anteils der Laserstrahlung und somit des Energieeintrags.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine Regelung des Energieeintrags der Laserstrahlung eine Bestimmung der insgesamt erzeugten Leistung der Laserstrahlung umfasst. Da die Reflektivität bzw. die Absorptionsfähigkeit des Bauteils im mindestens einen ausgewählten Bereich bekannt ist, kann der Energieeintrag auf einfache Weise rechnerisch aus der insgesamt erzeugten Leistung der Laserstrahlung bestimmt werden.
Besonders bevorzugt wird zusätzlich und kontinuierlich die Temperatur des Bauteils im mindestens einen ausgewählten Bereich erfasst, insbesondere berührungslos über ein Infrarot-Thermometer. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Regelung des Energieeintrags in Abhängigkeit der Temperatur des Bauteils im mindestens einen ausgewählten Bereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine ausgewählte Bereich ein Innenradius oder ein Außenradius einer Bauteilkrümmung ist. Wie sich gezeigt hat, sind derartige Bereiche, also die Innenradien bzw. Außenradien von Bauteilkrümmungen, oftmals die Schwachstellen eines auf Spannung, insbesondere Zugspannung, belasteten Bauteils, welche bei entsprechender Belastungshöhe als erstes Ausfall- bzw. Verschleißanzeichen aufweisen, beispielsweise in Form von Materialrissen. Derartige Ausfall- und Verschleißanzeichen führen dann innerhalb kürzester Zeit zum völligen Ausfall des Bauteils. Indem nun gezielt derartige ausgewählte Bereiche durch das erfindungsgemäße Verfahren in ihrer Spannungsbelastbarkeit verbessert werden, kann entsprechend auch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des gesamten Bauteils verbessert werden. Es ist insbesondere vorteilhaft nicht notwendig, das gesamte Bauteil mit Laserstrahlung zu beaufschlagen, um seine komplette Oberfläche aufzuschmelzen und zu härten. Stattdessen werden, wie beschrieben, vorteilhaft nur die Schwachstellen, also die ausgewählten Bereiche, mit der Laserstrahlung beaufschlagt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Innenradius oder der Außenradius durch das Aufschmelzen zusätzlich verrundet wird. Dies führt einerseits zur Reduzierung von vergleichsweise scharfkantigen Linien auf der Oberfläche des Bauteils, wodurch die sog. Kerbwirkung reduziert wird. Andererseits führt das Aufschmelzen zu einer Reorganisation der Gitterstruktur des Materials des Bauteils, wodurch die Gefügequalität verbessert wird. Zum Verrunden wird der Energieeintrag derart angepasst, dass die Oberfläche soweit aufschmilzt, dass vergleichsweise scharfkantige Konturen, wie z.B. durch einen Umformprozess erzeugte Kerben, in der Oberfläche abgebaut werden..
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Energieeintrag in Abhängigkeit eines Materials des mindestens einen ausgewählten Bereichs und/oder einer Materialdicke des mindestens einen ausgewählten Bereichs und/oder einer Wärmeableitfähigkeit des mindestens einen ausgewählten Bereichs und/oder einer zu erzielenden Spannungsbelastbarkeit geregelt wird. Somit wird der Energieeintrag jeweils weitestgehend optimal angepasst. Die Berücksichtigung des Materials ist beispielsweise dahingehend von Bedeutung, als dass unterschiedliche Materialien unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen, d.h. dass das erfindungsgemäß vorgesehene Aufschmelzen je nach Material bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgt. Durch eine Berücksichtigung der Materialdicke kann weiterhin z.B. sicher gestellt werden, dass das Material nicht zu tief aufgeschmolzen wird, um etwa eine Bauteilbeschädigung hervorzurufen. Eine Berücksichtigung der Wärmeableitfähigkeit schließlich erlaubt es, einen Energieverlust durch Wärmeleitung im mindestens einen ausgewählten Bereich über eine Anpassen des Energieeintrags zumindest teilweise auszugleichen, so dass eine stetige Temperaturzunahme am Bestrahlungsfleck beobachtet werden kann, bis die Oberfläche des Bauteils aufschmilzt. Da die zu erzielende Spannungsbelastbarkeit von Faktoren wie der Aufschmelztiefe, der Aufschmelzdauer, der Abkühldauer und der Temperatur abhängt und diese Größen sämtlich über den Energieeintrag steuerbar sind, kann über den Energieeintrag der Laserstrahlung auch die Spannungsbelastbarkeit gezielt eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Energieeintrag über eine Verweildauer der Laserstrahlung auf dem mindestens einen ausgewählten Bereich und/oder über eine Leistungsdichte der Laserstrahlung gesteuert oder geregelt wird. In ersterem Fall kann die Leistungsdichte der Laserstrahlung konstant gehalten werden, da der Energieeintrag dadurch gesteuert bzw. geregelt wird, dass der mindestens eine ausgewählte Bereich für eine längere oder kürzere Zeitspanne mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird. In letzterem Fall hingegen kann der Bestrahlungsfleck mit konstanter Geschwindigkeit über den mindestens einen ausgewählten Bereich geführt werden, da der Energieeintrag über die Leistungsdichte gesteuert bzw. geregelt wird. Beide Möglichkeiten stellen besonders einfach zu kontrollierende Wege zu Steuerung bzw. Regelung des Energieeintrags dar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine ausgewählte Bereich während der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung von einem oxidationshindernden Schutzgas, insbesondere Stickstoff, umgeben wird. Dies hat zum Vorteil, dass eine Oxidation der Oberfläche des mindestens einen ausgewählten Bereichs vermieden wird, wodurch einerseits eine Nachbearbeitung dieser Oberfläche vermieden werden kann und andererseits eine im Wesentlichen konstante Absorptionsfähigkeit hinsichtlich der Laserstrahlung über die gesamte Dauer der Beaufschlagung gewährleistet werden kann. Alternativ zu Stickstoff eignen sich vorteilhaft ebenso die bekannten und weitgehend inerten Edelgase, insbesondere Argon.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Bestrahlungsfleck der Laserstrahlung über den mindestens einen ausgewählten Bereich geführt wird. Dabei kann entweder das Bauteil unter der Laserstrahlung geführt werden oder aber ein die Laserstrahlung erzeigender Laser kann über das Bauteil geführt werden. In beiden Fällen können gezielt Bereiche des Bauteils ausgewählt und mit der Laserstrahlung beaufschlagt werden. Auch der Energieeintrag ist dabei über die Verweildauer bzw. Führungsgeschwindigkeit der Laserstrahlung steuerbar bzw. regelbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Bauteil aus Stahl besteht. Hinsichtlich eines aus Stahl bestehenden Bauteils hat sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft erwiesen, da Stahl einerseits von Natur aus eine vergleichsweise hohe Spannungsbelastbarkeit aufweist und andererseits vergleichsweise gezielt aufschmelzbar und härtbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Aufschmelzung eine Materialtiefe von 0,5 mm bis 1,5 mm, erreicht. Dies hat sich als besonders geeignet zur Erzielung einer maximalen Spannungsbelastbarkeit erwiesen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Bauteil ein Drehmomentwandler eines automatisierten Fahrzeuggetriebes ist. Derartige Bauteile sind höchsten Spannungsbelastbarkeiten ausgesetzt, weshalb sie besondere Vorteile aus dem erfindungsgemäßen Verfahren schöpfen können. Die Belastung auf Spannung ist hierbei eine Belastung auf Zugspannung, da der Drehmomentwandler mit einem unter Druck stehenden Öl gefüllt ist. Diese Belastung auf Zugspannung setzt sich zum Einen aus einem statischen Anteil zusammen, welcher alleine daraus resultiert, dass das Öl unter Druck in den Drehmomentwandler gefüllt wurde. Im Betrieb des Drehmomentwandlers ergibt sich zum Anderen ein dynamischer Anteil an Zugspannung, welcher aus einer Zentrifugalkraft des Öl resultiert und die Zugspannung weiter erhöht. Bei einer Drehbewegung im Betrieb des Drehmomentwandlers nämlich wird das Öl in eine Rotationsbewegung versetzt, wodurch die Zentrifugalkraft entsteht. Dieser dynamische Anteil kann dabei um ein Vielfaches größer sein als der statische Anteil.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Laserstrahlung mittels eines Festkörperlasers oder mittels eines CO₂-Lasers erzeugt wird. Sowohl Festkörperlaser als auch CO₂-Laser eignen sich gleichermaßen zur Bereitstellung der Laserstrahlung mit der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten Leistung bzw. Intensität. Zudem sind Festkörperlaser wie auch CO₂-Laser in ihrer Leistung bzw. Intensität über die zugeführte Stromstärke vergleichsweise einfach und präzise steuerbar bzw. regelbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass durch das Härten eine Materialhärte zwischen 365 HV und 395 HV, insbesondere zwischen 370 HV und 390 HV, erzeugt wird. Eine solche Materialhärte hat sich zum Erzielen einer besonders hohen Spannungsbelastbarkeit, insbesondere bei Stahl, als gut geeignet erwiesen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils, umfassend Haltemittel zum Halten des Bauteils, mindestens einen Laser zum Beaufschlagen mindestens eines ausgewählten Bereichs des Bauteils mit einer Laserstrahlung, Bewegungsmittel zum Erzeugen einer Relativbewegung des Bauteils zur Laserstrahlung und eine Steuereinheit zum Steuern und/oder Regeln eines Energieeintrags der Laserstrahlung auf den mindestens einen ausgewählten Bereich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Energieeintrag derart zu steuern und/oder zu regeln, dass eine Aufschmelzung und eine Härtung des mindestens einen ausgewählten Bereichs erfolgen. Dies führt zu den bereits beschriebenen Vorteilen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Hierzu umfasst die Vorrichtung alle benötigten Mittel, wie z.B. Temperaturerfassungsmittel bzw. Temperaturberechnungsmittel zum Erfassen bzw. Berechnen der Temperatur des mindestens einen ausgewählten Bereichs
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch und beispielhaft einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms,
2 beispielhaft und schematisch einen Ausschnitt eines drehmomentübertragenden Bauteils,
3 beispielhaft und schematisch einen Ausschnitt eines metallischen und drehmomentübertragenden Bauteils und
4 schematisch einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
1 zeigt beispielhaft einen möglichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. In Verfahrensschritt 1 wird zunächst ein druckbeaufschlagbaren Bauteil, beispielsgemäß ein Drehmomentwandler 10 eines automatisierten Fahrzeuggetriebes, bereitgestellt. Derartige Drehmomentwandler 10 sind im Betrieb des Fahrzeuggetriebes hohen Spannungsbelastungen ausgesetzt. Im folgenden Verfahrensschritt 2 wird Bauteil 10 relativ zu einem CO₂-Laser 25 positioniert. In Schritt 3 nun wird die Oberfläche eines ausgewählten Bereichs 11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22 des Bauteils 10 mit einem oxidationshindernden Schutzgas, beispielsgemäß Stickstoff, umgeben. Dies verhindert eine Oxidation der Oberfläche während der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung 27. Bei dem ausgewählten Bereich 11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22 des Bauteils 10 handelt es sich beispielsgemäß um eine fertigungsbedingt erzeugte Kerbe, welche sich radial umlaufend in einem Innenradius einer Krümmung des Deckels 15 des Drehmomentwandlers 10 befindet. Dieser ausgewählte Bereich 11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22, also die genannte Kerbe, wird in Schritt 4 nun mit Laserstrahlung 27 beaufschlagt. In Schritt 5 beginnt eine Regelung des Energieeintrags durch die Laserstrahlung 27 auf die Kerbe. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit einer Temperatur der Kerbe, wobei die Temperatur der Kerbe berührungslos über ein Infrarot-Thermometer 29 erfasst wird. Weiterhin ist die Regelung abhängig vom Material des Deckels 15, welcher beispielsgemäß aus Stahl besteht, von einer Materialstärke des Deckels 15, welche beispielsgemäß 5 mm beträgt, von einer bekannten Wärmeableitfähigkeit des Deckels 15 im Bereich der Kerbe sowie von der zu erzielenden Spannungsbelastbarkeit. Die Wärmeableitfähigkeit des Deckels 15 im Bereich der Kerbe wurde beispielsgemäß zuvor experimentell ermittelt, da sie nicht ausschließlich materialabhängig ist sondern zudem auch zu einem wesentlichen Anteil über die tatsächliche geometrische Ausgestaltung des Deckels 15 im Bereich der Kerbe geprägt ist. Die zu erzielende Spannungsbelastbarkeit wird beispielsgemäß bei einer Materialhärte zwischen 370 HV und 390 HV erreicht. Im nun folgenden Verfahrensschritt 6 wird die Verweildauer eines Bestrahlungsflecks der Laserstrahlung 27 auf einem jeweils bestrahlten Ausschnitt der Kerbe geregelt und in Verfahrensschritt 7 wird die Leistungsdichte der Laserstrahlung 27 geregelt. Die Verweildauer wird dabei über die Geschwindigkeit, mit welcher der Bestrahlungsfleck über die Kerbe geführt wird, geregelt und die Leistungsdichte wird über die elektrische Stromzufuhr zum CO₂-Laser 25 geregelt. Dies bewirkt in Verfahrensschritt 8 ein Aufschmelzen des jeweils bestrahlten Ausschnitts der Kerbe und damit einhergehend ein Verrunden der Kerbe. Nachdem die Kerbe im Bestrahlungsfleck aufgeschmolzen wurde, kühlt sie in Schritt 9 wieder ab und wird dadurch gehärtet.
2 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ausschnitt eines druckbeaufschlagbaren Bauteils 10, beispielsgemäß eines Drehmomentwandlers 10 eines automatisierten Fahrzeuggetriebes. Der Drehmomentwandler 10 weist eine Reihe von ausgewählten Bereichen 11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22 bzw. Bauteilkrümmungen 11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22 auf, welche bei einer Beaufschlagung mit einer Zugspannung besonders hohen Kräften ausgesetzt sind und dementsprechend anfällig für Ausfall- und Verschleißerscheinungen sind. Daher sind diese Bauteilkrümmungen 11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22 bzw. deren Innen- und Außenradien bevorzugt zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren geeignet und beispielsgemäß auch entsprechend verbessert. Eine erste derartig durch das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich ihrer Spannungsbelastbarkeit verbesserte Bauteilkrümmung 11 ist ein Innenradius an der Übergangskrümmung 11 eines zylindrischen Bereichs an einem Kolben 16. Weitere erfindungsgemäß verbesserte Bauteilkrümmungen stellen die Übergangskrümmungen 12, 13 und 14 an einem Deckel 15 dar. Auch die beiden Bauteilkrümmungen 17 und 18, welche an einem sog. S-Schlag der Pumpenschale 30 angeordnet sind, wurden hinsichtlich ihrer Spannungsbelastbarkeit erfindungsgemäß verbessert. Schließlich wurden auch eine Bauteilkrümmung 19 einer Turbinenschale 20 unterhalb einer Beschaufelung und eine Bauteilkrümmung 21 der Turbinenschale 20 oberhalb einer Axiallagerung entsprechend verbessert.
3 zeigt ebenso beispielhaft wie schematisch einen Ausschnitt eines metallischen und druckbeaufschlagbaren Bauteils 10. Das Bauteil 10 weist einen ausgewählten Bereich 22 in Form einer Bauteilkrümmung 22 auf, deren Innenradius mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich seiner Spannungsbelastbarkeit verbessert wurde. Die Materialstärke beträgt beispielsgemäß 5 mm. Der Innenradius der Bauteilkrümmung 22 wurde beispielsgemäß um 5,5 mm aufgeschmolzen, indem er einer Beaufschlagung mit Laserstrahlung 27 unterzogen wurde und der Energieeintrag entsprechend geregelt wurde. Durch das Aufschmelzen wurde das durch den vorausgehenden Umformprozess teilweise beschädigte bzw. deformierte Gitter des Metalls neu organisiert und strukturiert. Durch das anschließende Abkühlen wurde der Innenradius der Bauteilkrümmung 22 zusätzlich gehärtet.
4 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 23 zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils 10. Das Bauteil 10 wird von Haltemitteln 24 in Form einer Einspannvorrichtung 24 gehalten. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 23 einen als Festkörperlaser 25 ausgebildeten Laser 25 zum Beaufschlagen mindestens eines ausgewählten Bereichs des Bauteils 10 mit einer Laserstrahlung 27. Über Bewegungsmittel 26, auf welchen die Einspannvorrichtung 24 angeordnet ist, kann das Bauteil 10 relativ zur Laserstrahlung 27 rotiert bzw. bewegt werden. Beispielsgemäß sind die Bewegungsmittel 26 als rotierende Plattform 26 ausgebildet. Schließlich umfasst die Vorrichtung 23 eine elektronische Steuereinheit 28, welche über den Laser 25 den Energieeintrag der Laserstrahlung 27 auf das Bauteil 10 regelt. Gleichzeitig steuert die Steuereinheit 28 die Haltemittel 24 und regelt die Bewegungsmittel 26. Mittels eines Infrarot-Thermometers 29 erfasst die Steuereinheit 28 außerdem kontinuierlich die Temperatur im ausgewählten Bereich 11, 12, 13, 14, 17, 18, 19, 21, 22 des Bauteils 10.
Bezugszeichenliste

1: Bereitstellen eines drehmomentübertragenden Bauteils
2: Positionieren des drehmomentübertragenden Bauteils
3: Umgeben der Oberfläche des drehmomentübertragenden Bauteils mit Schutzgas
4: Beaufschlagen mit Laserstrahlung
5: Regelung des Energieeintrags
6: Regelung der Verweildauer
7: Regelung der Leistungsdichte
8: Aufschmelzen
9: Härten
10: drehmomentübertragendes Bauteil, Drehmomentwandler
11: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
12: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
13: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
14: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
15: Deckel
16: Kolben
18: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
19: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
20: Turbinenschale
21: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
22: ausgewählter Bereich, Bauteilkrümmung
23: Vorrichtung zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit
24: Haltemittel, Einspannvorrichtung
25: Laser, Festkörperlaser, CO₂-Laser
26: Bewegungsmittel, rotierende Plattform
27: Laserstrahlung
28: Steuereinheit
29: Infrarot-Thermometer
30: Pumpenschale

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4425033 A1 [0003]
DE 4142216 [0005]

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils (10), wobei mindestens ein ausgewählter Bereich (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) des Bauteils (10) einer Beaufschlagung mit einer Laserstrahlung (27) unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieeintrag der Laserstrahlung (27) in den mindestens einen ausgewählten Bereich (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine Aufschmelzung und eine Härtung des mindestens einen ausgewählten Bereichs (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ausgewählte Bereich (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) ein Innenradius oder ein Außenradius einer Bauteilkrümmung (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenradius oder der Außenradius durch das Aufschmelzen zusätzlich verrundet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in Abhängigkeit eines Materials des mindestens einen ausgewählten Bereichs (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) und/oder einer Materialdicke des mindestens einen ausgewählten Bereichs (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) und/oder einer Wärmeableitfähigkeit des mindestens einen ausgewählten Bereichs (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) und/oder einer zu erzielenden Spannungsbelastbarkeit geregelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag über eine Verweildauer der Laserstrahlung (27) auf dem mindestens einen ausgewählten Bereich (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) und/oder über eine Leistungsdichte der Laserstrahlung (27) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ausgewählte Bereich (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) während der Beaufschlagung mit der Laserstrahlung (27) von einem oxidationshindernden Schutzgas, insbesondere Stickstoff, umgeben wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bestrahlungsfleck der Laserstrahlung (27) über den mindestens einen ausgewählten Bereich (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) geführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) aus Stahl besteht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschmelzung eine Materialtiefe von 0,5 mm bis 1,5 mm, erreicht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) ein Drehmomentwandler (10) eines automatisierten Fahrzeuggetriebes ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (25) mittels eines Festkörperlasers (25) oder mittels eines CO₂-Lasers erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Härten eine Materialhärte zwischen 365 HV und 395 HV, insbesondere zwischen 370 HV und 390 HV, erzeugt wird.
Vorrichtung (23) zur Verbesserung der Spannungsbelastbarkeit eines druckbeaufschlagbaren Bauteils (10), umfassend Haltemittel (24) zum Halten des Bauteils (10), mindestens einen Laser (25) zum Beaufschlagen mindestens eines ausgewählten Bereichs (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) des Bauteils (10) mit einer Laserstrahlung (27), Bewegungsmittel (26) zum Erzeugen einer Relativbewegung des Bauteils (10) zur Laserstrahlung (27) und eine Steuereinheit (28) zum Steuern und/oder Regeln eines Energieeintrags der Laserstrahlung (27) auf den mindestens einen ausgewählten Bereich (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) dazu ausgebildet ist, den Energieeintrag derart zu steuern und/oder zu regeln, dass eine Aufschmelzung und eine Härtung des mindestens einen ausgewählten Bereichs (11, 12, 13, 14, 18, 19, 21, 22) erfolgen.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.