DE112013004368T5 - Verfahren und System zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Laserhärten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks, wie etwa eine Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle, umfasst: Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und einer Laserquelle, um einem Laserspot zu erlauben, nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden, und während der Relativbewegung eines wiederholten Abtastens des Laserstrahls (2), um einen zweidimensionalen äquivalenten effektiven Laserspot (5) auf dem Oberflächenbereich zu erzeugen. Die Energieverteilung des effektiven Laserspots ist so angepasst, dass diese in einem wärmeempfindlicheren Unterbereich, wie etwa in einem Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch, anders ist als in einem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich, um so ein Überhitzen des wärmeempfindlicheren Unterbereichs zu verhindern.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die folgende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Oberflächenhärtung von Produkten aus Eisenwerkstoffen, wie Stahl, zum Beispiel Kurbelwellen, mittels Laser.
  • Stand der Technik
  • Es ist im Stand der Technik allgemein bekannt, Eisenwerkstoffe zu härten, wie Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, indem das Material auf eine hohe Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt wird und nachfolgend abgeschreckt wird, das heißt, schnell genug abgekühlt wird, um hartes Martensit zu bilden. Das Erhitzen kann in Brennkammern erfolgen oder durch Erwärmung mittels Induktion und das Kühlen kann durch Aufbringen eines Kühlfluids erfolgen, wie mit Wasser oder mit anderen Bestandteilen gemischtes Wasser.
  • Häufig ist es nur die Oberfläche, die gehärtet werden muss. Eine Oberflächenhärtung erhöht die Verschleißbeständigkeit des Materials und kann manchmal dazu verwendet werden, die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen, was durch die zurückbleibenden Druckspannungen bewirkt wird. Die Oberflächenhärtung kann nützlich sein zum Härten von Oberflächen, die einem starken Verschleiß ausgesetzt sein werden, wenn sie in Benutzung sind, zum Beispiel Lagerflächen, wie Zapfenoberflächen von Kurbelwellen.
  • Eine Oberflächenhärtung mittels Laser ist ein Verfahren der Oberflächenbehandlung, in welchem energiereiches Laserlicht als Wärmequelle verwendet wird, um die Oberfläche eines Substrats zu härten. Es ist bekannt, Laserlicht zu verwenden, um eine Oberflächenhärtung zu erhalten, vergleiche zum Beispiel:
    • – F. Vollertsen, et al., „State of the art of Laser Hardening and Cladding“, Berichte der 3. Internationalen WLT-Konferenz zu Lasern in der Herstellung 2005, Juni 2005;
    • – M. Seifert, et al., „High Power Diode Laser Beam Scanning in Multi-Kilowatt Range“, Berichte des 23. Internationalen Kongresses zu Anwendungen von Lasern und Electro-Optics 2004;
    • – S. Safdar, et al., „An Analysis of the Effect of Laser Beam Geometry on Laser Transformation Hardening“, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Aug. 2006, Band 128, Seiten 659–667;
    • – H. Hagino, et al., “Design of a computer-generated hologram for obtaining a uniform hardened profile by laser transformation hardening with a high-power diode laser”, Precision Engineering 34 (2010), Seiten 446–452,
    • – US-4313771-A ;
    • – DE-4123577-A1 ;
    • – EP-1308525 A2 ;
    • – EP-23094126 A1 ;
    • – JP-2008-202438-A ;
    • – JP-S61-58950 A ;
    • – US-4797532-A .
  • Die Verwendung von Laserlicht zur Oberflächenhärtung beinhaltet mehrere Vorteile: Der Laserstrahl ist im Wesentlichen unabhängig vom Werkstück, wird leicht gesteuert, benötigt kein Vakuum und erzeugt keine Verbrennungsprodukte. Da der Laserstrahl im Allgemeinen das Metallprodukt oder Werkstück nur lokal erhitzt, kann der Rest des Werkstücks auch als Kühlkörper agieren und eine schnelle Kühlung gewährleisten, was auch als Selbstabschreckung bekannt ist: Das kalte Innere des Werkstücks bildet einen ausreichend großen Kühlkörper, um die heiße Oberfläche durch Wärmeleitung zum Inneren mit einer Geschwindigkeit abzuschrecken, die hoch genug ist, um zu ermöglichen, dass sich an der Oberfläche Martensit bildet. Somit kann dem Bedarf an externen Kühlmedien, wie Kühlfluiden, vorgebeugt werden.
  • Ein mit der Verwendung von Laserlicht als Wärmequelle in Metallhärtungsprozessen verbundenes Problem ist, dass die Breite der Härtungszone durch die Abmessungen des Laserspots begrenzt ist. Es ist bekannt, eine Optik zu verwenden, um die Form des Spots zu modifizieren, zum Beispiel um einen im Wesentlichen rechteckigen Spot bereitzustellen, der eine mehr oder weniger gleichförmige Intensitätsverteilung hat. Als eine Alternative können Abtasteinrichtungen (die wie ein mit Antriebsmitteln verbundener Abtastspiegel) verwendet werden, um den Spot wiederholt über die Spur zu bewegen, sodass die Wärmequelle als eine rechtwinklige Quelle angesehen werden kann, die sich die Spur entlang bewegt.
  • Trotz dieser Vorteile wird die Laserhärtung häufig nicht verwendet, weil angenommen wird, dass die Produktionsrate bei vielen praktischen Anwendungen dieser Technik nicht hoch genug sein wird, und weil es schwierig ist, zu erreichen, dass alle Teile die gehärtet werden sollen im gewünschten Maß gehärtet werden. Ein korrektes Erhitzen ist essenziell, um sicherzustellen, dass ein Härten und Temperieren mit den nötigen Tiefen erreicht wird, ohne aber eine Beschädigung durch Überhitzung zu verursachen.
  • Zum Beispiel ist eine Kurbelwelle (der Teil des Motors, der eine hin- und hergehende lineare Kolbenbewegung in Drehungen überträgt) ein komplexes Produkt, das häufig als durch Laserlicht schwer zu härten angesehen wird. Ein Beispiel einer Kurbelwelle ist in 1 gezeigt. Die Kurbelwelle 1000 ist ein geschmiedetes oder gegossenes Stahlprodukt mit zwei oder mehr zentral angeordneten koaxialen Zylinderzapfen 1001 (auch als die „Hauptzapfen“ bekannt) und ein oder mehreren versetzten, zylindrischen Kurbelzapfen 1002 (auch als „Stangenzapfen“ bekannt), die durch Gegengewichte und Schenkel getrennt sind, die Wände 1005 bilden, welche sich im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Zapfen erstrecken. Die komplexe Form des Produkts kann es schwierig machen, die Oberfläche mit dem Laserstrahl zu „scannen“; die zu härtenden Bahnen oder Flächen können unterschiedliche Breiten haben und/oder asymmetrisch sein und/oder in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein (was bei den Wänden 1005 und den Oberflächen der Zapfen 1001 und 1002 der Fall ist). Somit wird heute häufig ein Erwärmen mittels Hochfrequenzinduktion, gefolgt von einem polymerbasierten Wasser-Abschreckprozess, für das Härten von Kurbelwellen verwendet. Dieser Prozess beinhaltet jedoch bestimmte Nachteile, obwohl sich dieser zum Erreichen der gewünschten Härtung als nützlich erwiesen hat. Die Induktoren zum Erzeugen von Wärme mittels Induktion müssen zum Beispiel in Übereinstimmung mit dem spezifischen Design der Kurbelwelle gestaltet werden, was die Flexibilität verringert: eine Induktionsmaschine an eine neue Art von Kurbelwelle anzupassen, kann zeitraubend und teuer sein. Ferner ist das Erwärmen durch Induktion teuer hinsichtlich der Energie, die benötigt wird, um die Kurbelwelle auf das gewünschte Maß zu erhitzen. Zudem ist der Kühlungsprozess komplex, teuer und aus Sicht der Umwelt herausfordernd, wegen der Nutzung großer Mengen von Kühlfluid, die benötigt werden. Dazu müssen Parameter, wie die Kühlfluid-Temperatur und -Strömung sorgfältig gesteuert werden, um einen korrekten Härtungsprozess sicherzustellen.
  • Somit kann das Härten mittels Laserlicht als Wärmequelle eine attraktive Alternative hinsichtlich der Flexibilität, Umweltfreundlichkeit, des Energieverbrauchs und der Kosten sein.
  • Die DE 10 2005 005 141 B3 offenbart ein Verfahren zum Laserhärten der Oberflächen der Zapfen einer Kurbelwelle. Gemäß diesem Verfahren wird ein Industrieroboter mit sechs Achsen verwendet, um die Kurbelwelle zu halten und um diese nachfolgend um die Achse des Hauptzapfens und um die Achsen der Kurbelzapfen zu drehen, während die jeweiligen Zapfen mit Laserlicht erhitzt werden. Somit kann durch Nutzung der Bewegungskapazitäten des Industrieroboters der Abstand zwischen der Laserquelle und der Oberfläche, auf welche der Laserstrahl projiziert wird, konstant gehalten werden.
  • Auch die US 2004/0244529 A1 lehrt die Verwendung eines Lasers, um eine kleine Region der Kurbelwelle zu härten. In diesem Fall wird das Laserlicht dazu verwendet, eine Mehrzahl von in Abstand zueinander liegende Bereiche zu härten, wobei das Maß der Bereiche über die zu härtende Region variiert. Da mit diesen in Abstand zueinander liegenden Bereichen nur ein kleiner Bereich der Kurbelwelle gehärtet wird, ist es kein Bedürfnis, über ein Überhitzen anderer, wärmeempfindlicherer Bereiche nachzudenken.
  • Die DE 3905551 A1 lehrt ein System zum Härten einer Oberfläche einer Kurbelwelle, bei welchem ein Laserstrahl auf eine Kurbelwelle projiziert wird und bei welchem eine relative Bewegung zwischen dem Strahl und der Kurbelwelle vorliegt, derart, dass der Strahl im Wesentlichen auf unterschiedliche Bereiche der Kurbelwelle projiziert wird. Die Leistung bzw. Leistungsverteilung in dem Strahl ist in Abhängigkeit von der Geometrie des jeweiligen Bereichs der Kurbelwelle und in Abhängigkeit von der gewünschten Eindringtiefe des Laserstrahls angepasst. Ein Problem mit dem durch die DE 3905551 A1 gelehrten Ansatz ist, dass dieser eine hohe Fluktuationsrate nicht zulässt. Um eine ausreichende Tiefe der gehärteten Schicht zu erreichen (in der Motorindustrie werden typischerweise Härtungstiefen von wenigstens 800, 1000, 1500, 2000 oder sogar 3000 µm für effektive Einsatztiefen benötigt, andererseits ist es häufig erwünscht, 100 % umgewandelten Martensit bis in Tiefen von 200 µm oder mehr zu haben), reicht es nicht aus, die Temperatur des bestimmten Bereichs der Oberfläche zu erhöhen, sondern es muss Energie über eine ausreichend lange Zeit aufgebracht werden, um nicht nur die Oberfläche zu erhitzen, sondern auch das Material unter der Oberfläche bis in eine ausreichende Tiefe. Da eine übermäßige Erwärmung der Oberfläche nicht erwünscht ist, liegt die beste Lösung zum Erreichen der gewünschten Durchdringung nicht einfach darin, den Betrag der Leistung des Laserstrahls zu erhöhen, sondern eher die Zeit, während der das Laserheizen an der relevanten Fläche angewendet wird. In dem in DE 3905551 A1 offenbarten System, in welchem der Laserstrahl stationär gehalten und an einer spezifischen Fläche verwendet wird, würde das Erhalten einer adäquaten Erwärmung und Durchdringung über die Hauptbereiche der Hauptzapfen oder Kurbelzapfen eine erhebliche Menge an Zeit benötigen. Somit mag die DE 3905551 A1 zwar ein Verfahren beschreiben, das zum Härten sehr spezifischer Bereiche der Oberfläche einer Kurbelwelle aber nicht zum Härten der generellen Oberflächen der Zapfen geeignet ist.
  • Auch die EP 1972694 A2 richtet sich auf das Härten spezifischer Bereiche einer Kurbelwelle, nämlich der Auskehlungen, und zwar unter Verwendung nur von ein oder mehreren Lasern. Das Laserlicht wird auf den zu härtenden Bereich gerichtet und die Kurbelwelle wird gedreht. Das offenbarte Verfahren kann einen Vorerwärmungsschritt, einen Haupterwärmungsschritt und einen Nacherwärmungsschritt umfassen. Es scheint, dass die Laserstrahlung konstant gehalten wird, während die Rotation der Kurbelwelle erfolgt. Die EP 1972694 A2 sagt nichts zu dem Risiko eines Überhitzens hitzeempfindlicherer Bereiche der Oberfläche der Kurbelwelle.
  • Die US 2004/0108306 A1 bestätigt, dass Autohersteller den Erwärmungsprozess mittels Induktion nutzen, um Lager einer Kurbelwelle zu härten, d. h. die Oberflächen der Hauptzapfen und der Kurbelzapfen, während ein mechanischer Walzprozess verwendet wird, um die Auskehlungen zu walzen und die Druckspannungen zu verbessern. Diese Prozesse werden jedoch gemäß der US 2004/0108306 A1 als kapitalintensiv, zeitintensiv, als ein Weg zu Ungleichförmigkeiten bezeichnet und neigen zu einer Rissbildung an den Löchern zur Ölschmierung, die einen Temperierungsprozess erfordert. Die US 2004/0108306 A1 lehrt eine Wärmebehandlung der Auskehlungen mittels Laser, welche darauf abzielt, den Bedarf eines mechanischen Walzprozesses wegzulassen. Eine engmaschige Temperatursteuerung durch Verwenden eines optischen Pyrometers wird vorgeschlagen. Die Verwendung eines steuerbaren x, y-Mechanismus zum Beibehalten eines fixierten Heizabstandes zwischen Laser und Auskehlung wird vorgeschlagen.
  • S. M. Shariff, et al., „Laser Surface Hardening of a Crankshaft“, SAE 2009-28-0053 (SAE International) diskutiert die Oberflächenhärtung mittels Laser einer Kurbelwelle mit dem Ziel einer gehärteten Einsatztiefe von über 200 µm mit einer Härte von 500 bis 600 HV an unterschiedlichen erwähnten Lokationen. Das Dokument erwähnt das Problem des Schmelzens am Umfang der Löcher aufgrund eines verringerten Kühlkörpereffekts und eines Wärmestaus an der Kante. Es wird ausgeführt, dass das Problem behoben werden kann, indem der Vorheizeffekt an der Lochkante reduziert wird, indem eine geeignete Anlauf-Lokation gewählt wird und Prozessparameter innerhalb des erlaubten Bereichs variiert werden.
  • Ein Grund dafür, dass ein Härten mittels Laser bisher nicht häufiger im Kontext komplexer Produkte verwendet wird, wie Kurbelwellen, besteht darin, dass angenommen wird, dass es schwierig sein kann, eine korrekte Erwärmung der Teile zu erhalten, d. h., eine ausreichende Erwärmung, um ein korrektes Härten sicherzustellen (im Allgemeinen muss die gehärtete Schicht eine effektive Einsatztiefe von wenigstens 800 µm oder mehr, die beispielsweise wenigstens 1000, 1500, 2000 µm haben und/oder 100 % ungeformten Martensit bis in eine Tiefe von beispielsweise 200 µm oder mehr aufweisen), wobei ein Überhitzen sensitiver Bereiche vermieden wird. Im Fall einer Kurbelwelle zum Beispiel, wie derjenigen in 1, muss Sorge dafür getragen werden, was das Erwärmen der Lager in Bezug zu den Ölschmierungslöchern 1003 angeht und optional auch im Hinblick auf die Auskehlungen 1004. Falls zum Beispiel ein großer Laserspot während der Drehung des Lagers auf die Oberfläche des Lagers projiziert wird, um die gesamte Oberfläche zu erhitzen, und falls die Rotationsgeschwindigkeit und die Leistung des Laserstrahls konstant gehalten werden, sodass jeder Bereich der Oberfläche die gleiche Energiemenge erhält, und falls diese ausreichend ist, um ein adäquates Erhitzen des Hauptteils der Oberfläche zu erreichen, um die gewünschte Härtung zu erzeugen, kann die Erwärmung an den Kanten der Ölschmierungslöcher zu hoch werden und somit die Kanten beschädigen. Das Gleiche kann an den Auskehlungen auftreten, welche üblicherweise hinterschnitten sind; somit gibt es dort Kanten, die Schaden erleiden können, falls sie überhitzt werden.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle, wobei der Zapfen einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei sich der Oberflächenbereich in einer ersten Richtung parallel zur Rotationsachse (X) der Kurbelwelle und in einer zweiten Richtung, die einer Umfangsrichtung (W) des Zapfens entspricht, erstreckt, wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen wärmeempfindlicheren Teilbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlicheren Teilbereich umfasst, wobei der wenigstens eine wärmeempfindlichere Teilbereich einen Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch der Kurbelwelle umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf den Oberflächenbereich, um so einen effektiven Laserspot auf dem Oberflächenbereich zu erzeugen, wobei sich der effektive Laserspot in der ersten Richtung, quer zum Hauptteil des zu härtenden Oberflächenbereichs (beispielsweise mehr als 50 %, mehr als 75 %, mehr als 85 % oder mehr als 90 % oder 95 %, wie etwa mehr als 99 % oder sogar 100 % in Querrichtung und besonders über den Hauptteil, falls nicht über 100 %, des zu härtenden Oberflächenbereichs, zum Beispiel den Oberflächenbereich, in welchem eine effektive Einsatz-Härtungstiefe von zum Beispiel wenigstens 800 µm oder mehr erwünscht ist);
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche der Kurbelwelle und der Laserquelle in der Umfangsrichtung, um so nacheinander oder fortlaufend den effektiven Laserspot auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs in der Umfangsrichtung zu projizieren;
    wobei der effektive Laserspot eine zweidimensionale Energieverteilung zeigt (im Hinblick darauf, wie die Energie oder Leistung des Laserstrahls innerhalb des effektiven Laserspots verteilt ist).
  • Das Verfahren umfasst ferner ein Anpassen der Energieverteilung, sodass, wenn der weniger wärmeempfindliche Unterbereich erwärmt wird, die Energieverteilung anders ist, als wenn der wärmeempfindlichere Unterbereich erwärmt wird, der an ein Ölschmierungsloch angrenzt, um so ein Überhitzen des Bereichs zu vermeiden, der an ein Ölschmierungsloch angrenzt. Indem diese Anpassung durchgeführt wird, ist es möglich, eine effiziente und adäquate Erwärmung des zu härtenden Oberflächenbereichs zu erreichen, ohne zum Beispiel die Kanten der Ölschmierungslöcher zu überhitzen und zu beschädigen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung hat der effektive Laserspot während eines wesentlichen Teils (wie etwa wenigstens 50 %, 75 %, 90 %, 95 % oder mehr) der Anwendungszeit des effektiven Laserspots auf dem Oberflächenbereich, eine Breite (oder lineare Erstreckung längs der Krümmung der Oberfläche des Zapfens) in Umfangsrichtung von wenigstens 5 mm, vorzugsweise 7 mm, ganz bevorzugt wenigstens 10 mm und noch bevorzugter wenigstens 15 mm, 20 mm, 30 mm oder mehr, wie etwa wenigstens 50 mm. Die Verwendung einer ausreichenden Erstreckung in Umfangsrichtung, d. h. in der Richtung der zwischen der Laserquelle und der Oberfläche des Zapfens erzeugten Relativbewegung, ermöglicht es, jeden Teil des zu härtenden Oberflächenbereichs für eine ausreichende Zeit zu erhitzen und gleichzeitig den Härtungsprozess innerhalb einer vernünftigen kurzen Zeit zu beenden. Das heißt, eine ausreichende Erstreckung des effektiven Laserspots in Umfangsrichtung macht es möglich, die Relativbewegung mit einer relativ hohen Geschwindigkeit durchzuführen, da gleichzeitig eine ausreichende Durchdringung oder Härtungstiefe erreicht ist, ohne übermäßig hohe Temperaturen zu nutzen. Aus diesem Grund kann eine bedeutsame Breite des effektiven Laserspots in Umfangsrichtung bevorzugt werden. Natürlich muss ein Gleichgewicht zwischen der Kapazität in Bezug auf die Leistung des verwendeten Lasers und dem durch den effektiven Laserspot abgedeckten Oberflächenbereich getroffen werden, da die verfügbare Leistung ausreichend sein muss, um für eine ausreichende Erwärmung des Bereichs zu sorgen. Es hat sich herausgestellt, dass, wenn mit Kurbelwellen für Automobile gearbeitet wird, die Zapfen mit Breiten in der Größenordnung von ein bis wenigen Zentimetern in der ersten Richtung haben, und Laser verwendet werden, die eine Ausgangsleistung im Bereich einiger kW, wie etwa 3–4 kW, haben, der effektive Spot zum Beispiel eine Breite in Umfangsrichtung in der Größenordnung von 1 cm haben kann, während die lineare Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laser und der Oberfläche des Zapfens in der Größenordnung von 60 cm/Minute sein kann. Für viele industrielle Zwecke wird davon ausgegangen, dass der Laserstrahl eine Leistung von wenigstens 3 kW, vorzugsweise mehr, wie etwa 6 kW haben sollte.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der effektive Laserspot ein äquivalenter oder virtueller Laserspot, der erhalten wird, indem der Laserstrahl in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung, einschließlich Richtungen zwischen diesen beiden Richtungen, d. h. Richtungen, die schräg zu der ersten und zweiten Richtung verlaufen, zum Beispiel entlang eines geraden oder gekrümmten Weges oder solchen Linien abtastet und wiederholt einem Abtastmuster folgt, in welchem der Laserspot mit einer Abtastgeschwindigkeit angeordnet ist, sodass die zweidimensionale Energieverteilung während eines Abtastzyklus durch die Abtastgeschwindigkeit, das Abtastmuster, die Größe des Laserspots, die Leistung des Laserstrahls und die Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls bestimmt wird. So können ein oder mehrere dieser Parameter verwendet werden, um die zweidimensionale Energieverteilung dynamisch anzupassen. Dies macht es möglich, die Größe und die Form des effektiven Laserspots sowie die zweidimensionale Energieverteilung innerhalb des effektiven Laserspots während der relativen Verlagerung zwischen der Laserquelle und der Oberfläche des Werkstücks, d. h. zum Beispiel während der Rotation der Kurbelwelle um ihre Längsachse, leicht anzupassen und zu modifizieren und dadurch die zweidimensionale Energieverteilung anzupassen, um so ein Überhitzen der wärmeempfindlicheren Unterbereiche, wie etwa der Bereiche angrenzend an die Ölschmierungslöcher, zu vermeiden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Anpassung der Energieverteilung für ein Anpassen wenigstens der Abtastgeschwindigkeit, des Abtastmusters, der Größe des Laserspots, der Leistung des Laserstrahls oder der Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls durchgeführt, sodass, wenn der weniger wärmeempfindliche Unterbereich erhitzt wird, die Energieverteilung anders ist, als wenn der wärmeempfindlichere Unterbereich, einschließlich der Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch, erhitzt wird, um so ein Überhitzen des Bereichs angrenzend an ein Ölschmierungsloch zu vermeiden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Anpassung die Energieverteilung ausgeführt, indem die Leistung des Laserstrahls angepasst wird, zum Beispiel indem der Laserstrahl während des Abtastens des Laserspots entlang des Abtastmusters ein- und ausgeschaltet wird. Wenn zum Beispiel ein Laser verwendet wird, wie etwa ein Faserlaser, kann der Laserstrahl sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden, sodass es möglich wird, eine gewünschte Energieverteilung zu erhalten, indem der Laserstrahl ein- und ausgeschaltet wird, während dieser dem Abtastmuster folgt. Somit kann ein Erhitzen durch Einschalten des Laserstrahls während bestimmter Linien oder Teilen von Linien des Abtastmusters erreicht werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Energieverteilung wenigstens teilweise durch selektives Anpassen der Leistung des Laserstrahls während des Abtastens des Laserspots entlang des Abtastmusters gesteuert, um so den Laserstrahl wenigstens 300mal pro Sekunde in eine Mehrzahl von verfügbaren Leistungszuständen zu versetzen, ganz bevorzugt wenigstens 600mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000mal pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000mal pro Sekunde. Der Ausdruck „Leistungszustand“ bezieht sich auf einen Zustand, bei welchem der Laserstrahl eine vorbestimmte Durchschnittsleistung hat, sodass unterschiedliche Leistungszustände mit unterschiedlichen Leistungsniveaus des Laserstrahls korrespondieren, wie zum Beispiel 0kW, 1kW, 4 kW, 5 kW, 6 kW, 9 kW und 10 kW. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es zum Beispiel zwei Leistungszustände geben, nämlich einen „EIN“ Zustand, wenn der Laserstrahl eingeschaltet ist, und einen „AUS“ Zustand, wenn der Laserstrahl ausgeschaltet ist, d. h. mit 0-Leistung (oder nahe an 0-Leistung). Es kann jedoch jeder andere verfügbare Leistungszustand verwendet werden, d. h. auch Leistungszustände, bei welchen die Durchschnittsleistung höher als 0 ist aber geringer als die maximale Leistung des Laserstrahls ist. Falls zum Beispiel die maximale Leistung des Laserstrahls 10 kW beträgt, kann es zwei verfügbare Leistungszustände geben, die 0 kW und 10 kW entsprechen und/oder es kann verfügbare Leistungszustände geben, die Zwischenwerten entsprechen, wie 2 kW, 4 kW, 5 kW, 6 kW und/oder 8 kW. Der Ausdruck „verfügbar“ bezieht sich auf die Tatsache, dass die Leistungszustände mit der verwendeten Laserausrüstung erreicht werden können. Der Ausdruck „versetzen in“ bedeutet nicht, dass es einen wirklichen Wechsel im Zustand so viele Male pro Sekunde geben muss (z. B. mehrere angrenzende Abschnitte können den gleichen, diesem zugeordneten Leistungszustand haben, sodass es nicht notwendig ist, die Leistung des Lasers zu wechseln, wenn von einem Abschnitt zu dem Nächsten übergegangen wird), sondern zeigt an, dass der Laser so angeordnet ist, dass dieser in der Lage ist, den Leistungszustand so viele Male zu wechseln, wie denn immer das nötig ist, zum Beispiel beim Folgen von Befehlen, die durch ein Steuersystem bereitgestellt werden. Dadurch kann eine Segmentierung oder „Pixelierung“ der Energieverteilung mit 300, 600, 1000, 5000 oder 10000 Segmenten oder Pixeln pro Sekunde erreicht werden, wobei der Laserstrahl während jedes Segments oder Pixels oder wenigstens während eines Teilsegments oder -pixels eine Durchschnittsleistung hat, wie diese durch den dem Segment oder Pixel zugeordneten Leistungszustand bestimmt wird. Wenn zum Beispiel wiederholt dem Abtastmuster mit der Frequenz von 50 Hz gefolgt wird, kann die Energieverteilung entlang des Abtastmusters durch zum Beispiel die Leistungszustände bestimmt werden, die 6, 12, 20, 100 oder 200 entlang des Abtastmusters verteilten Segmenten oder Pixeln zugeordnet sind, was jeweils 300, 600, 1000, 5000 und 10 000 Segmenten oder Pixeln pro Sekunde entspricht. Für die gleichen Durchsätze von Pixeln pro Sekunde und für eine Abtastgeschwindigkeit von 100 Hz würde die Energieverteilung durch jeweils 3, 6, 10, 15, 100 Segmenten oder Pixeln des Abtastmusters bestimmt werden. Im Allgemeinen wird bevorzugt, wenigstens sechs Segmente und/oder Pixel zu verwenden, d. h. das Abtastmuster kann zum Beispiel zwei Zeilen mit jeweils drei Segmenten umfassen, wobei jedes Segment einen Leistungszustand hat, der diesem zugeordnet ist. Es kann offensichtlich, wenn ein Wechsel zwischen unterschiedlichen Leistungszuständen stattfindet, Übergangsperioden geben, während derer sich die Leistung des Laserstrahls von der Leistung unterscheidet, die durch den vorhergehenden Leistungszustand und den neuen Leistungszustand bestimmt wird, zum Beispiel kann die Strahlleistung zunehmen oder abnehmen, sodass es in der Leistungskurve eine Steigung/ein Gefälle gibt, während beim Abtasten des Laserstrahls entlang des Abtastmusters ein Übergang von einem Segment zum Nächsten stattfindet.
  • Dieser Ansatz, d. h. der Wechsel der Leistung des Strahls an unterschiedlichen Segmenten oder Pixeln des Abtastmusters, sorgt für eine hohe Flexibilität in der Energieverteilung und macht es leicht, die Energieverteilung einzustellen und dynamisch zu modifizieren, um so ein Überhitzen, zum Beispiel der Kanten von Ölschmierungslöschern, zu vermeiden. Der segment- und/oder pixelbezogene Ansatz macht es auch leicht, durch trial-and-error-Tests, bei denen die den unterschiedlichen Segmenten zugeordneten Leistungszustände angepasst werden, bis ein geeignetes Erwärmungsmuster erreicht wird, geeignete Energieverteilungsmuster zu finden. Ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Leistungszuständen kann bei hoher Geschwindigkeit stattfinden, wenn adäquate Laser verwendet werden, wie im Handel erhältliche Faserlaser. Faserlaser können teurer sein als andere verfügbare Laser, können aber aufgrund der gekürzten Einsatzzeit zum gesteuerten Schalten zwischen zum Beispiel einem „EIN“- und einem „AUS“-Zustand oder zwischen anderen Leistungszuständen/Leistungsniveaus vorteilhaft sein. Die Ein/Aus- oder Aus/Ein-Schaltzeiten solcher Laser können weniger als 1 ms, wie etwa 0,1 ms oder weniger, betragen. In einigen dieser Ausführungsformen der Erfindung kann das Abtastmuster eine Mehrzahl von Segmenten umfassen, wobei jedes der Segmente zu einem gegebenen Augenblick einen der verfügbaren Leistungszustände hat, die diesem zugeordnet sind. Der wenigstens einem der Segmente zugeordnete Leistungszustand kann während des Erwärmens des weniger wärmeempfindlichen Unterbereichs anders sein als während des Erwärmens des wärmeempfindlicheren Unterbereichs, der den Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch umfasst. Das heißt, die Energieverteilung kann dynamisch angepasst werden, indem dieser in bestimmten Segmenten oder allen Segmenten, wenn sich zum Beispiel der effektive Laserspot einem Ölschmierungsloch annähert, dynamisch angepasst wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Anpassung der Energieverteilung (ferner) durch Anpassen der Abtastgeschwindigkeit während des Abtastens des Laserspots entlang des Abtastmusters durchgeführt werden. Für eine festgelegte Laserstrahl-Leistung bedeutet eine höhere Geschwindigkeit, dass weniger Energie angewendet wird und umgekehrt.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Abtasten bei einer Abtastgeschwindigkeit ausgeführt, die ausreichend hoch ist, sodass Temperaturschwankungen an Punkten innerhalb des effektiven Laserspots eine Amplitude von weniger als 200°C, vorzugsweise weniger als 150°C, vorzugsweise weniger als 130 °C und noch bevorzugter weniger als 50°C zwischen einem lokalen Maximum und einem lokalen Minimum der Temperatur haben. In diesem Kontext bezieht sich die Amplitude der Schwankungen auf die Amplitude der wiederholten Variationen zwischen lokalen Maxima und Minima der Temperaturkurve, ausgenommen der anfänglichen Grunderwärmung auf eine Maximumtemperatur an der Vorderkante des effektiven Laserspots und dem nachfolgenden Abkühlen auf eine niedrigere Temperatur an der Hinterkante des effektiven Laserspots. Für ein geeignetes Härten ist es wünschenswert, dass das Metall schnell eine ausreichend hohe Temperatur erreicht, und dass das Metall nachfolgend an der ausreichend hohen Temperatur über eine angemessene Zeitdauer bleibt, ohne wesentliche Fluktuationen in der Temperatur, da solche Fluktuationen einen negativen Einfluss auf die Qualität des Erhärtens haben können. Abtastgeschwindigkeiten von mehr als 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 oder 300 Hz (d. h. Wiederholungen des Abtastmusters pro Sekunde) können geeignet sein, um zu verhindern, dass die Temperatur des erhitzten Spots zu stark absinkt, bevor der Spot während des nächsten Abtastzyklus durch den Laserstrahl wieder erhitzt wird. Ein adäquates Härten erfordert bestimmte Minimum-Temperaturen, und falls gewünschte Härtetiefen schnell erreicht werden sollen, werden hohe Temperaturen bevorzugt. Übermäßige Temperaturen können jedoch die Qualität aufgrund zum Beispiel eines Korngrößenwachstums negativ beeinflussen. Somit muss eine Kompromisstemperatur gefunden werden und Abweichungen von dieser Temperatur sollten so klein wie möglich sein. Somit kann eine hohe Abtastgeschwindigkeit im Wesentlichen auf Zyklen pro Sekunde bevorzugt sein, um die Amplitude der Temperaturfluktuationen oder -schwankungen zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Energieverteilung in dem effektiven Laserspot derart, dass mehr Energie in Richtung der Enden des effektiven Laserspots in der ersten Richtung angewendet wird, als in Richtung des Zentrums des effektiven Laserspots in der ersten Richtung. Es hat sich herausgestellt, dass aufgrund der Art und Weise, in welcher Wärmeenergie absorbiert wird und in der Kurbelwelle verteilt wird, dass Anwenden von mehr Energie in Richtung der seitlichen Enden des effektiven Laserspots hilfreich ist, um eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke der gehärteten Schicht zu erhalten, d. h. einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt statt eines Querschnitts, bei dem die gehärtete Schicht sehr dünn in Richtung der seitlichen Enden ist und langsam zunimmt und, langsam einer Kurve folgend, zum Zentrum zunimmt. Es sollte jedoch Sorge dafür getragen werden, dass ein Überhitzen der Hinterschneidungen oder Auskehlungen an den Enden des Zapfens vermieden wird.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung zeigt die Energieverteilung eine höhere Energiedichte an einem vorderen Bereich oder einer vorderen Kante des effektiven Laserspots als an einem hinteren Bereich oder einer hinteren Kante des effektiven Laserspots, derart, dass ein durch den effektiven Laserspot abgetasteter Bereich zuerst eine Laserstrahlung mit höherer Durchschnittsleistung empfängt und nachfolgend eine Laserstrahlung mit geringerer Durchschnittsleistung empfängt. Das erhöht die Effizienz dahingehend, dass eine geeignete Temperatur zum Härten schnell erreicht wird, um so die Zeit zu reduzieren, während welcher der effektive Laserspot auf eine bestimmten Fläche aufgebracht werden muss, um eine erforderlich Härtungstiefe zu erreichen. So benötigt es weniger Zeit, die Härtung von zum Beispiel der Oberfläche eines Zapfens zu vollenden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Anwendens des effektiven Laserspots an dem Oberflächenbereich auf beiden Seiten eines Ölschmierungsloches in der ersten Richtung, wobei sich das Ölschmierungsloch in schräger Weise nach innen erstreckt, sodass sich dieses nicht unter einer ersten der Seiten erstreckt, sondern unter eine zweite der Seiten, wobei der effektive Laserspot so ausgebildet ist, dass dieser mehr Energie auf die erste der Seiten als auf die zweite der Seiten aufbringt. Aufgrund des Vorhandenseins des Ölschmierungsloches unter der zweiten der Seiten, ist der Kühlkörpereffekt an dieser Seite niedriger. Deshalb sollte dort vorzugsweise weniger Energie aufgebracht werden als auf der anderen Seite, an welcher die Abwesenheit eines solchen Ölschmierungsloches für eine bessere Wärmeabführung sorgt. Auf diese Weise wird die Nutzung der Wärmeenergie optimiert und die Gefahr einer Überhitzung minimiert. Das heißt, das gemäß diesen Ausführungsformen der Erfindung nicht nur die zu härtende Oberfläche Beachtung findet, sondern auch die Struktur unter der Oberfläche in Bezug auf die Ölschmierungslöcher.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung hat der effektive Laserspot eine erste Form in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich und ist so ausgebildet, dass dieser im Wesentlichen eine U-Form hat, wenn er an einem Ölschmierungsloch ankommt und eine im Wesentlichen umgekehrte U-Form hat, wenn er das Ölschmierungsloch verlässt oder umgekehrt, und wobei die erste Form optional eine im Wesentlichen rechtwinklige oder dreieckige Form ist. Die Ausdrücke „U“ und „umgekehrt U“ beziehen sich auf die Situation, wenn sich das Ölschmierungsloch „von oben“ nähert. Grundsätzlich mag ein im Wesentlichen rechtwinkliger oder trapezoider oder dreieckiger effektiver Laserspot, der zum Bereitstellen einer ziemlich homogenen Erwärmung auf der Oberfläche des Zapfens geeignet ist, nicht zum Erwärmen um das Ölschmierungsloch herum geeignet sein. Deshalb kann dem effektiven Laserspot eine im Wesentlichen „U“-Form (einschließlich einer „V“-Form oder ähnlichem) zum Empfangen des Ölschmierungsloches, ohne dieses oder seine Kanten wesentlich direkt zu erhitzen, gegeben werden und kann dann umgekehrt werden, um so dem Ölschmierungsloch zu erlauben, auszutreten, ohne dass das Ölschmierungsloch oder seine Kanten durch den effektiven Laserspot direkt erhitzt wird/werden. Der Wechsel in der Form des effektiven Laserspots kann durch ein Modifizieren der Form des Abtastmusters und/oder durch ein Verändern des einem oder mehreren Teilen oder Segmenten des Abtastmusters zugeordneten Leistungszustands erreicht werden. Wenn zum Beispiel ein Abtastmuster mit einer Mehrzahl von Linien verwendet wird, die durch eine Mehrzahl von Segmenten gebildet werden, kann ein als „U“ geformter effektiver Laserspot durch Verändern des Leistungszustandes erhalten werden, der den ein oder mehreren der Segmente im Zentralbereich einer oder mehrerer Linien zugeordnet ist, zum Beispiel durch Zuordnen eines Aus-Zustands der Segmente oder durch Zuordnen der Segmente eines Leistungszustands, der einem niedrigen Leistungsniveaus des Laserstrahls entspricht.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht auf das Verfahren der Laserhärtung einer Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle, wobei der Zapfen einen zu härtenden Oberflächenbereich aufweist, wobei sich der Oberflächenbereich erstreckt in einer ersten Richtung, parallel zur Rotationsachse der Kurbelwelle, und in einer zweiten Richtung, die einer Umfangsrichtung des Zapfens entspricht, wobei der Oberflächenbereich aufweist wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich, wobei wenigstens ein wärmeempfindlicher Unterbereich einen Bereich an einem Ölschmierungsloch enthält, wobei das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf den Oberflächenbereich;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche der Kurbelwelle und der Laserquelle in der Umfangsrichtung, um so nacheinander den Laserstrahl auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs in der Umfangsrichtung zu projizieren, um so ein Umfangssegment des zu härtenden Oberflächenbereichs zu härten;
    und Verschieben des Laserstrahls in der ersten Richtung, um so die Erstreckung des Umfangssegments in der ersten Richtung zu steigern, bis das Härten des zu härtenden Oberflächenbereichs vollendet ist.
  • Das Verfahren umfasst ein Anpassen in der Art und Weise, in welcher durch den Laserstrahl Energie auf die Kurbelwelle in Synchronisation mit der Relativbewegung zwischen der Laserquelle und der Oberfläche der Kurbelwelle aufgebracht wird, um so weniger Energie in Bezug auf den wärmeempfindlicheren Unterbereich, einschließlich einem Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch, aufzubringen als in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich, um so ein Überhitzen des Bereichs angrenzend an ein Ölschmierungsloch zu vermeiden.
  • Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird das Härten des Oberflächenbereichs so ausgeführt, dass das Härten zuerst an einem Ende des Oberflächenbereichs in der ersten Richtung stattfindet und sich nachfolgend in Richtung des anderen Endes des zu härtenden Oberflächenbereichs ausdehnt, bis der gesamte Oberflächenbereich gehärtet worden ist. Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass am Ende des Härtens keine Überlappung mit einem bereits gehärteten Bereich vorliegt. Dies verringert die Gefahr für Probleme, die mit einem wiederholten Erhitzen und übermäßigem Temperieren eines bereits gehärteten Bereich verbunden sind.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche der Kurbelwelle und der Laserquelle in der Umfangsrichtung ein Drehen der Kurbelwelle bei einer hohen Geschwindigkeit, wie etwa bei einer Geschwindigkeit von mehr als 3000 rpm oder 6000 rpm. Dies kann dabei helfen, erhebliche Fluktuationen der Temperatur innerhalb des Bereichs zu vermeiden, der gegenwärtig einem Härtungsvorgang ausgesetzt ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des simultanen Aufbringens mehr als eines Laserstrahls auf den Oberflächenbereich, um so in Bezug auf effektive Laserspots, eine Mehrzahl von Abschnitten oder Sektoren, in der Umfangsrichtung, eines Umfangssegments des Zapfens simultan zu erhitzen. Zum Beispiel können zwei Laserstrahlen von entgegengesetzten Seiten des Zapfens zwei Abschnitte oder Sektoren, jeweils bis zu 180° eines Umfangs- oder Ringsegments des Zapfens, beleuchten und somit erhitzen. Dadurch wird eine geringere Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle benötigt, um wesentliche Temperaturschwankungen innerhalb der erhitzten Region im Vergleich zu dem Fall zu verhindern, in welchem nur ein Laserstrahl verwendet wird, um nur eine solche Reaktion oder einen solchen Sektor zu erhitzen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens von Energie zum Erwärmen des Oberflächenbereichs auf beiden Seiten eines Ölschmierungslochs in der ersten Richtung, wobei sich das Ölschmierungsloch in einer schrägen Weise nach innen erstreckt, sodass sich dieses nicht unter eine erste der Seiten, sondern unter eine zweite der Seiten erstreckt, wobei das Verfahren ein Aufbringen von mehr Energie auf die erste der Seiten als auf die zweite der Seiten umfasst. Dadurch wird die Nutzung der Energie optimiert und die Gefahr eines Überhitzens wird minimiert, wie oben erläutert.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens einer Bewegung des effektiven Laserspots in der Umfangsrichtung des Zapfens (die Bewegung des Laserstrahls und/oder der Kurbelwelle, zum Beispiel durch Drehen der Kurbelwelle um ihre Längsachse) bei einer ersten Geschwindigkeit, um so einen Umfangsteil des Zapfens wiederholt zu erhitzen, und ein Bewegen des effektiven Laserspots in der ersten Richtung bei einer zweiten Geschwindigkeit, die geringer ist als die erste Geschwindigkeit, um dadurch neue Umfangsteile zu erhitzen, während die vorher erhitzten Umfangsteile abkühlen können, um so für ein Selbstvergüten zu sorgen, um so die Größe eines gehärteten Umfangssegments fortschreitend zu erhöhen. Das heißt, durch die schnelle Relativbewegung zwischen dem effektiven Laserspots und der Oberfläche des Zapfens in Umfangsrichtung kann ein Ringsegment des Zapfens auf eine gewünschte Härtungstemperatur erhitzt werden und über ein ausreichend lange Zeit ohne übermäßige Schwankungen in der Temperatur auf dieser Temperatur gehalten werden, um so für ein Härten zu sorgen, und aufgrund der Bewegung in der ersten Richtung wird das gehärtete Segment in der ersten Richtung ausgegeben, bis der Härtevorgang von dem wesentlichen der gesamten Oberfläche des Zapfens vollendet ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird der effektive Laserspot in einer außermittigen Weise projiziert. Dies kann dabei helfen, den Laserspot größer zu machen, was manchmal nötig ist, um die Wärme besser zu verteilen. Dieser Ansatz kann auch nützlich sein, da eine Vorderkante des Laserspots, aufgrund unterschiedlicher Einfallwinkel des Laserstrahls auf die Oberfläche an der Vorderkante und an der Hinterkante des Laserspots, eine höhere Leistungsdichte als eine Hinterkante haben kann. Wie hier erläutert kann dies die Erwärmungszeit verkürzen, die benötigt wird, damit die Oberfläche die gewünschte Temperatur erreicht. Dieser Ansatz kann zum Beispiel in Kombination mit einer feststehenden Optik verwendet werden, welche einen im Wesentlichen quadratischen oder rechtwinkligen Laserspot bereitstellt. Ein seitliches Versetzen des Laserstrahls beinhaltet auch den Vorteil, die Gefahr von Beschädigungen oder Fehlern aufgrund von Druckreflexionen zu reduzieren.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf den Oberflächenbereich, um so einen Laserspot auf dem Bereich zu erzeugen;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle, wodurch dem Laserspot ermöglicht wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden;
    während der Relativbewegung, ein wiederholtes Abtasten des Laserstrahls über den jeweiligen Teil des Oberflächenbereichs in zwei Dimensionen, um so einen zweidimensionalen äquivalenten oder virtuellen effektiven Laserspot auf den Oberflächenbereich zu erzeugen, wobei der effektive Laserspot eine Energieverteilung hat;
    wobei die Energieverteilung so ausgelegt ist, dass diese unterschiedlich ist in einem wärmeempfindlicheren Unterbereich als in einem weniger wärmeempfindlicheren Unterbereich, um so ein Überhitzen des wärmeempfindlicheren Unterbereichs zu verhindern.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren ein Abtasten des Laserstrahls entlang eines Abtastmusters innerhalb des effektiven Laserspots und ein Modifizieren der Leistung des Laserstrahls entlang des Abtastmusters, um so eine Energieverteilung zu erhalten, optional durch Ein- und Ausschalten des Laserstrahls entlang des Abtastmusters.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Energieverteilung durch ein selektives Anpassen der Leistung des Laserstrahls während des Abtastvorgangs des Laserspots entlang des Abtastmusters gesteuert, um so den Laserstrahl wenigstens 300mal pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigsten 5000mal pro Sekunde und noch bevorzugter 100000mal pro Sekunde in einen in einer Mehrzahl von verfügbaren Leistungszuständen zu versetzen. Zum Beispiel kann das Abtastmuster eine Mehrzahl von Segmenten umfassen, wobei jedem Segment einer der verfügbaren Leistungszustände zugeordnet ist und der dem wenigstens einen der Segmente zugeordnete Leistungszustand so gewählt sein kann, dass dieser in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich anders ist als in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich. Das heißt, die einem, einige oder mehreren der Segmente zugeordnete Leistungszustände können während des Prozesses dynamisch modifiziert werden, um ein Überhitzen zum Beispiel der Kanten der Ölschmierungslöcher oder ein übermäßiges wiederholtes Erhitzen eines bereits gehärteten Teils eines Zapfens etc. zu vermeiden.
  • Wie oben erläutert bezieht sich der Ausdruck „Leistungszustand“ auf einen Zustand, in welchem der Laserstrahl eine vorbestimmte Durchschnittsleistung hat, wie etwa „Ein“ oder „Aus“, oder ein Leistungsniveau zwischen dem Maximum und 0 (oder nahe 0). Der Auszug „verfügbar“ bezieht sich auf die Tatsache, dass die Leistungszustände mit der verwendeten Laserausrüstung erzielt werden können. Der Auszug „versetzen in“ bedeutet nicht, dass ein wirklicher Wechsel so viele Male pro Sekunde nicht vorliegen muss, sondern zeigt an, dass der Laser so angeordnet ist, dass dieser in der Lage ist, den Leistungszustand zu verändern, wenn immer das richtig ist, zum Beispiel wenn Befehlen gefolgt wird, die durch ein Steuersystem bereitgestellt werden. Dadurch kann eine Segmentierung oder „Pixelung“ der Energieverteilung mit 300, 600, 1000, 5000 oder 10000 Segmenten oder Pixeln pro Sekunde erreicht werden. Zum Beispiel können 300 Segmente pro Sekunde ein Abtastmuster mit sechs (6) Segmenten bei einer Abtastsequenz von 50 Hz bilden. Wie oben erläutert, sind, wenn ein Wechsel zwischen unterschiedlichen Leistungszuständen stattfindet, Übergangsperioden vorhanden, während welcher die Leistung des Laserstrahls von der Leistung abweicht, die durch den vorhergehenden Leistungszustand und den neuen Leistungszustand bestimmt wird. Zum Beispiel kann die Strahlleistung zunehmen oder abnehmen, sodass es in der Leistungskurve eine Steigung/Gefälle gibt, während der Übergang zu einem Segment zum nächsten während des Abtastens des Laserstrahls entlang des Abtastmusters stattfindet.
  • Je höher die Kapazität des Lasers zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Leistungszuständen ist, umso größer ist die Anzahl an Segmenten oder Pixeln, die verwendet werden kann, um das Abtastmuster für eine gegebene Abtastsequenz zu erzeugen. Im Falle einer Laserquelle, die ein Umschalten zwischen Leistungsniveaus mit einer Geschwindigkeit von 1000mal pro Sekunde erlaubt, kann zum Beispiel eine Abtastsequenz von 100 Hz bei einem Abtastmuster mit zehn (10) Segmenten verwendet werden, denen jeweils ein gewünschter Leistungszustand zugeordnet wird und während des Betriebs so angepasst werden kann, dass ein Überhitzen wärmeempfindlicher Teile, wie den Kanten der Ölschmierungslöcher einer Kurbelwelle, verhindert wird.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Verwendens eines unterschiedlichen Abtastmusters für den Laserstrahl innerhalb des effektiven Laserspots im wärmempfindlicheren Unterbereich, verglichen zum weniger wärmeempfindlichen Unterbereich.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Anpassens der Energieverteilung durch Anpassen der Abtastgeschwindigkeit, sodass diese in wenigstens einem Teil des effektiven Laserspots in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich anders ist als im Vergleich zu den weniger wärmeempfindlicheren Unterbereich.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst der effektive Laserspot einen vorderen Bereich mit einer Energieverteilung und Dichte, die so ausgebildet sind, dass ein Oberflächenbereich des Werkstücks auf eine Härtungstemperatur erhitzt wird, einen mittleren Bereich mit einer Energieverteilung und Dichte (wie etwa eine sehr niedrige Energiedichte, wie etwa 0-Leistung oder nahe an 0-Leistung), die so ausgewählt sind, dass ein Abkühlen eines erhitzten Oberflächenbereichs zum Abschrecken ermöglicht wird und einen hinteren Bereich mit einer Energieverteilung und -dichte, die so ausgewählt sind, dass der abgeschreckte Teil so erhitzt wird, dass ein Temperieren desselben erzeugt wird. Ganz allgemein benötigen viele Werkstücke, wie Kurbelwellen, zusätzlich zum Erhärten derselben, ein Temperieren, um so die Härte zu verringern, die Streckbarkeit zu verbessern und die Sprödigkeit zu reduzieren. Zum Temperieren muss das Werkstück auf eine Temperatur erhitzt werden, die generell niedriger ist als die Temperatur, die zum Härten genutzt wird. Wenn ein Werkstück unter Verwendung einer Laserbehandlung gehärtet wurde, kann ein Temperieren in einer Brennkammer oder einem Ofen erfolgen, es ist aber auch möglich, dieses durch Anwenden einer Laserbehandlung ähnlich derjenigen, die zum Härten verwendet wurde, aber mit einer anderen Energiedichte und/oder -verteilung zu temperieren. Im Falle einer Kurbelwelle zum Beispiel kann ein Temperieren durch Anwenden eines Temperierzyklus nach dem Härtungszyklus stattfinden. Zum Beispiel kann nach dem Härten über 360° eines Zapfens der effektive Laserspot noch einmal um den Zapfen herum und entlang desselben bewegt werden, diesmal um diesen zu Temperieren. Es ist jedoch auch möglich, für ein Härten und Temperieren in demselben Zyklus oder Prozess zu sorgen, in dem ein effektiver Laserspot enthält:
    einen vorderen Bereich zum Erhitzen der Oberfläche des Werkstücks auf eine gewünschte Härtungstemperatur und zum Halten der Oberfläche auf der Temperatur über eine ausreichende Zeit, um so die gewünschte Härtungstiefe zu erhalten;
    einen Zwischenbereich mit einer geringen Energiedichte, wie etwa eine Energie oder Leistungsdichte von im Wesentlichen 0 W/cm2, um so dem erhitzten Bereich zu erlauben, sich abzukühlen, um eine Abschreckung oder Selbst-Abschreckung zu erzeugen, und einen hinteren Bereich mit einer Energieverteilung und Dichte, um so den abgeschreckten Bereich in dem Maße wieder zu erhitzen, der zum wunschgemäßen Temperieren notwendig ist. Auf diese Weise kann es genügen, um sowohl ein Abschrecken als auch ein Temperieren zu erzeugen, den effektiven Laserspot über die bereits einmal behandelte Oberfläche streichen zu lassen, zum Beispiel in dem Fall einer Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle, indem die Kurbelwelle einmal um ihre Rotationsachse gedreht wird.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird der effektive Laserspot durch ein wiederholtes Abtasten des Laserstrahls über das Werkstück einem Muster folgend, das eine Mehrzahl von Linien, wie gerade und gekrümmte Linien, umfasst, eingerichtet, wobei jede der Mehrzahl von Linien eine Mehrzahl von Segmenten oder Pixel umfasst, wobei das Verfahren ein Zuordnen eines vorbestimmten Laserstrahl-Leistungswertes zu jedem der Segmente umfasst, um so die Ausgangsleistung des Laserstrahls unter einigen der Segmenten im Vergleich zu anderen der Segmente selektiv auf ein anderes Niveau einzustellen. Ein Zuordnen der Laserstrahlleistung zu Segmenten kann ein Spezifizieren umfassen, das der Laserstrahl „Ein“ sein sollte für ausgewählte der Segmente und „Aus“ für andere der Segmente, was erreicht werden kann, indem der Laser während des Abtastens ein- und ausgeschaltet wird. Somit wird eine verpixelte Energieverteilung leicht erreicht. Dieser Ansatz kann nützlich sein, um eine gewünschte Energieverteilung bereitzustellen, die leicht variiert werden kann, während der effektive Laserspot entlang der zu erhitzenden Oberfläche streift, zum Beispiel durch Drehen des Werkstücks um eine Achse.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Abtastfrequenz wenigstens 50 Hz (sodass der Laserstrahl so gesteuert wird, dass dieser den virtuellen Laserspot wenigstens 50mal pro Sekunde vollendet) und vorzugsweise wenigstens 100 Hz, und die Mehrzahl von Linien umfassen wenigstens zwei Linien, vorzugsweise wenigstens drei Linien, ganz bevorzugt wenigstens vier Linien wie etwa fünf bis zehn Linien, und jede Linie umfasst wenigstens drei Segmente, vorzugsweise wenigstens fünf Segmente und ganz vorzugsweise wenigstens zehn Segmente, wie etwa zehn bis zwanzig Segmente. Diese Art von Anordnung kann geeignet sein, um eine gewünschte Energieverteilung einzurichten, mit ausreichend Detail und mit einer ausreichenden Frequenz, um so wesentliche Temperaturschwankungen eines Segments innerhalb des Abtastmusters während eines Abtastzyklus zu vermeiden. Die Verwendung von Lasern, wie etwa Faserlasern, die das schnelle Ein- bzw. Aus-Schalten erlauben, macht es möglich, eine große Anzahl von Segmenten oder Pixeln auch bei relativ hohen Abtastfrequenzen zu erreichen, wie etwa bei Abtastfrequenzen über 50 Hz. Jedes Segment kann einen Strahl-Leistungszustand haben, der ihm zugeordnet ist, und die vorgesehene Leistung des Laserstrahls während des Segments oder eines Teils davon anzeigt, und die Leistungszustände, die den Segmenten zugeordnet sind, können während des Härtungsprozesses dynamisch modifiziert werden, um so zum Beispiel ein Überhitzen von wärmeempfindlicheren Unterbereichen zu vermeiden. Das heißt, durch Anpassen der den Segmenten zugeordneten Leistungszustände kann die Energieverteilung des effektiven Laserspots angepasst werden.
  • In den unterschiedlichen Aspekten der oben beschriebenen Erfindung, die ein Abtasten des Laserstrahls bzw. des Laserspots längs oder quer zu einem Bereich des Werkstücks umfassen, kann dieses Abtasten so ausgeführt werden, dass der Laserspot einem Abtastmuster wiederholt folgt, welches eine Mehrzahl von Segmenten umfasst, wobei wenigstens ein Parameterwert, der die zweidimensionale Energieverteilung beeinflusst, jedem der Segmente zugeordnet ist, zum Beispiel in einem Speicher eines Steuersystems gespeichert ist, um so dafür verwendet zu werden, den Arbeitsgang in Bezug auf das jeweilige Segment jedes Mal dann anzupassen, wenn der Laserspot entlang dieses Segments bewegt wird. Dieser wenigstens eine Parameterwert kann während des Arbeitsgangs dynamisch angepasst werden, sodass der wenigstens eine Parameterwert für wenigstens eines der Segmente anders ist, wenn der effektive Laserspot den wärmeempfindlicheren Unterbereich erwärmt, als wenn dieser den weniger wärmeempfindlichen Unterbereich erwärmt. Zum Beispiel können für ein gegebenes Segment unterschiedliche Parameterwerte (oder Kombinationen von Parameterwerten) an verschiedenen Speicherstellen gespeichert werden, und in Abhängigkeit von dem gerade erhitzten Unterbereich können die Parameterwerte aus einer Speicherstelle oder aus einer anderen Speicherstelle geholt werden. Dies ist jedoch nur ein Beispiel und auch andere Implementierungen liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung. Die Verwendung eines segmentierten Abtastmusters hat sich als günstig erwiesen, um es zu erleichtern, eine Energieverteilung zu finden und zu implementieren, die dem spezifischen Design einer Kurbelwelle angepasst ist. Durch Anpassen ein oder mehrerer Parameter, welche die zweidimensionale Energieverteilung beeinflussen, ist es leicht, die Energieverteilung zu modifizieren, um zum Beispiel weniger Leistung/Energie in Bezug auf wärmeempfindlichere Teile des Werkstücks anzuwenden, wie etwa den Bereich um die Kanten eines Ölschmierungslochs einer Kurbelwelle. So kann ein Betreiber, indem dieser bestimmte Parameter mit Bezug auf jedes Segments unterschiedliche Werte zuordnet, unterschiedliche Energieverteilungen definieren und durch ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Energieverteilungen während des Härtevorgangs eines Teils eines Werkstücks, wie etwa der Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle, kann eine adäquate Härtung erreicht werden, während gleichzeitig ein lokales Überhitzen wärmeempfindlicher Teile vermieden wird. Die Verwendung eines segmentierten Abtastmusters und die Zuordnung der Parameterwerte auf per Segmentbasis macht es leicht, geeignete Werte zu finden, zum Beispiel mit wenigen trial-and-error-Tests. Um zum Beispiel ein Ölschmierungsloch zu berücksichtigen, können die den bestimmten Segmenten zugeordneten Werte so ausgewählt werden, dass die angrenzend an die Ölschmierungslöcher aufgebrachte Energie reduziert wird, wenn der effektive Laserspot an den entsprechenden Unterbereichen des Werkstücks ankommt.
  • Die Parameterwerte können auf wenigstens eine Abtastgeschwindigkeit, Größe des Laserspots, Leistung des Laserstrahls, Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls, Länge des entsprechenden Segments und Orientierung des entsprechenden Segments hinweisen. In vielen Ausführungsformen der Erfindung können die Leistung des Laserstrahls und/oder die Abtastgeschwindigkeit bevorzugte Parameter sein. Die Wahl des Parameters kann abhängig sein von Faktoren, wie etwa der Geschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl zwischen unterschiedlichen Leistungsniveaus geschaltet werden kann, wie etwa Ein/Aus oder zwischen unterschiedlichen dazwischenliegenden Leistungsniveaus und von dem Maß, in welchem das Abtastsystem schnelle und gesteuerte Wechsel in der Abtastgeschwindigkeit auf einer segmentweisen Basis zulässt. Wenn Laser verwendet werden, die schnelle und gesteuerte Wechsel der Ausgangsleistung zulassen, kann die Leistung des Laserstrahls in vorteilhafter Weise als wenigstens einer der Parameter verwendet werden, der die Energieverteilung bestimmt.
  • Das Verfahren kann für jedes Segment den Schritt des Speicherns des entsprechenden wenigstens eines Parameterwertes in einem Speicher auffassen, wobei für wenigstens ein Segment wenigstens zwei unterschiedliche Werte in dem Speicher gespeichert werden, ein erster, der verwendet werden soll, wenn der weniger wärmeempfindliche Unterbereich erhitzt wird, und ein zweiter, der angewendet werden soll, wenn der wärmeempfindlichere Unterbereich erhitzt wird. Somit können die Parameterwerte, die unterschiedlichen zweidimensionalen Energieverteilungen entsprechen, in unterschiedlichen Speicherstellen gespeichert werden und in Abhängigkeit davon, ob ein wärmeempfindlicherer oder weniger wärmeempfindlicherer Unterbereich erhitzt wird, nutzt das Steuersystem die Parameterwerte einer Speicherstelle oder der anderen. Wenn somit das System und das Verfahren an eine neue Art Kurbelwelle angepasst wird, kann der Betreiber einen Satz unterschiedlicher Energieverteilungen bestimmen, indem das Abtastmuster und die Parameterwerte bestimmt werden, zum Beispiel eine erste Energieverteilung bestimmt wird, die während des Hauptteils der Erwärmung eines Zapfens einer Kurbelwelle verwendet werden soll, eine zweite Energieverteilung, die verwendet werden soll, wenn sich der effektive Laserspot im Unterbereich eines Ölschmierungsloches annähert und eine dritte Energieverteilung, die verwendet werden soll, wenn der effektive Laserspot den Unterbereich des Ölschmierungsloches verlässt. Die zweidimensionalen Energieverteilungsmuster können somit leicht angepasst werden, um zum Beispiel die Breite des Zapfens und die Größe und/oder Lage eines Ölschmierungsloches zu berücksichtigen. Ein Abtasten kann zum Beispiel mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von wenigstens 300 Segmenten pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000 Segmenten pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000 Segmenten pro Sekunde durchgeführt werden. Eine hohe Abtastgeschwindigkeit kann bevorzugt werden, um das Abtastmuster mit einer hohen Frequenz zu wiederholen, um einerseits wesentliche Temperaturschwankungen zwischen jedem Abtastzyklus in dem erhitzten Bereich zu vermeiden und gleichzeitig eine ausreichend große Anzahl von Segmenten zu erreichen, um so für eine Flexibilität in der zweidimensionalen Energieverteilung zu sorgen. Zum Beispiel kann mit einer Abtastgeschwindigkeit von 300 Segmenten pro Sekunde ein Abtastmuster mit sechs Segmenten oder Pixeln mit einer Frequenz von 50 Hz wiederholt werden. Eine hohe Anzahl von Segmenten oder Pixeln kann nützlich sein, um die Möglichkeiten des Anpassens der Energieverteilung an die Eigenschaften der zu härtenden Oberfläche soweit wie möglich zu steigern, während eine hohe Frequenz der Wiederholung des Abtastmusters die Gefahr unerwünschter Temperaturschwankungen innerhalb des erhitzten Bereichs zwischen jedem Abtastzyklus reduziert.
  • In einigen Ausführungsformen der Aspekte der oben beschriebenen Erfindung ist umfasst der Schritt des Reduzierens der Energiedichte an einem vorderen Bereich des effektiven Laserspots, wenn der effektive Laserspot einen vorher gehärteten Teil des Oberflächenbereichs erreicht, wie etwa einen vorher gehärteten Teil eines Zapfens der gehärteten Kurbelwelle, in dem der effektive Laserspot um den Zapfen in einer Umfangsrichtung verschoben wird. Dadurch kann ein unerwünschtes Erhitzen eines bereits erhitzten und gehärteten Teils des Zapfens verhindert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Leistung/Energiedichte der vorderen Kante des effektiven Laserspots nur reduziert, der effektive Laserspot setzt aber seine Bahn fort, zum Beispiel um den Zapfen in Umfangsrichtung herum, um so den gehärteten Teil in einem gewissen Maße, zum Zweck seiner Temperierung wieder zu erhitzen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt, wenn der effektive Laserspot an einem vorher gehärteten Teil des Oberflächenbereichs ankommt, wie etwa einem vorher gehärteten Teil eines Zapfens einer Kurbelwelle, der durch Verschieben des effektiven Laserspots um den Zapfen in Umfangsrichtung herum gehärtet wurde, des Unterbrechens der Bewegung des effektiven Laserspots an einem vorderen Bereich des effektiven Laserspots, während der hintere Bereich des effektiven Laserspots seine Bewegung in Umfangsrichtung fortsetzt, wodurch die Größe des effektiven Laserspots in Umfangsrichtung fortschreitend reduziert wird, bis der effektive Laserspot verschwindet. Das heißt, der effektive Laserspot stoppt im Wesentlichen, wenn dieser an den vorher gehärteten Teil ankommt, das heißt, die Vorderkante stoppt zum Beispiel und die Hinterkante holt die Vorderkante auf und beendet den Härtungszyklus.
  • In beiden Fällen kann die Implementierung des Verfahrens im Wesentlichen erleichtert werden, wenn der effektive Laserspot aus Segmenten zusammengesetzt ist, wie etwa den Segmenten eines Abtastmusters. Die Reduktion oder Beseitigung des effektiven Laserspots beginnend an seiner Vorderkante kann erreicht werden, indem die Energiedichte an den Segmenten angepasst wird, wie etwa durch ein Reduzieren der Leistung des Strahls und/oder ein Erhöhen der Abtastgeschwindigkeit, und/oder durch einfaches Beseitigen oder Umordnen von Segmenten. Somit liefert der Segmentansatz in Kombination mit der Nutzung eines zweidimensionalen Abtastens des Laserstrahls, um den effektiven Laserspot zu erzeugen, Flexibilität und macht es für den Fachmann leicht, zum Beispiel im Falle eines Laserhärtens von Zapfen von Kurbelwellen in Umfangsrichtung die Ankunft des effektiven Laserspots an dem vorher gehärteten Keil der Wegespuren zu handhaben.
  • Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks, wie ein Werkstück eines Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, zum Beispiel einer Kurbelwelle; die Bezugnahme auf „eine Oberfläche“ bedeutet nicht, dass die gesamte Oberfläche gehärtet werden muss; im Falle einer Kurbelwelle kann es zum Beispiel ausreichen, dass Teile der Oberfläche, zum Beispiel einer oder mehrerer Zapfen und/oder die Wände angrenzend an die Zapfen gehärtet werden müssen.
  • Das Werkstück umfasst wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich (zum Beispiel die Oberfläche ein oder mehrerer Hauptzapfen und/oder ein oder mehrerer Probezapfen der Kurbelwelle und/oder Seitenwände der Kurbelwelle), wobei der Oberflächenbereich wenigstens ein oder mehrere wärmeempfindlichere Unterbereiche aufweist (zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle, der Bereich unmittelbar um ein Ölschmierungsloch herum und/oder der Bereich der Kante einer hinterschnittenen Auskehlung; hier reduziert die Abwesenheit von Material die Kühlkörperkapazität und impliziert eine gesteigerte Gefahr des Überhitzens; zudem können auch die scharfen Kanten mit höherer Wahrscheinlichkeit durch Überhitzen beschädigt werden als die glatte und gleichmäßige Oberfläche des rechteckigen Zapfens) und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich (zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle der Teil der Oberfläche des Zapfens, der weiter entfernt von dem Ölschmierungsloch und/oder von der hinterschnittenen Auskehlung liegt, wobei die Abwesenheit der Kanten und Hohlräume eine verringerte Gefahr eines Überhitzens impliziert).
  • Das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf den Oberflächenbereich, um so einen Laserspot auf den Bereich zu erzeugen;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle (zum Beispiel durch Drehen des Werkstücks um eine X-Achse und/oder durch Verschieben des Werkstücks und/oder der Laserquelle entlang einer Y- und/oder Z-Achse senkrecht zur X-Achse), wodurch dem Laserspot ermöglicht wird, nacheinander auf unterschiedlichen Teilen des Oberflächenbereichs projiziert zu werden (das heißt, in Abhängigkeit von der relativen Position zwischen dem Werkstück und der Laserquelle gemäß zum Beispiel der X-, Y- und Z-Achsen, und zwar immer dann die Laserquelle in Kombination mit Abtastmitteln, den Laserspot zum Beispiel auf einen bestimmten Teil oder Abschnitt des Oberflächenbereichs richten kann, und in Abhängigkeit davon ob die Abtastmittel für eine eindimensionale oder zweidimensionale Bewegung auf einer Linie des Bereichs sorgen, mit einer Dicke, die dem Durchmesser, der Länge oder Breite des Laserspots entspricht, oder auf zum Beispiel im Wesentlichen einen rechtwinkligen Abschnitt des Bereichs);
    während der Relativbewegung, Abtasten des Laserstrahls über den jeweiligen Teil des Bereichs. Das Abtasten kann in nur einer Dimension durchgeführt werden, zum Beispiel parallel zur Rotationsachse des Werkstücks und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung der Oberfläche des Werkstücks im Bezug zur Position der Laserquelle, oder in zwei Dimensionen, sodass einem Weg oder Muster gefolgt wird, wie einem rechtwinkligen Muster, einem ovalen Muster, einem dreieckigen Muster, einem trapezoiden Muster, einem hexagonalen Muster, einem oktogonalen Muster etc., oder eine Fläche, die durch ein solches Muster umrissen ist, gefühlt wird, zum Beispiel durch Ausführen eines Mäandrierens oder dreiecksförmigen Abtastens, vor und zurück entlang und/oder quer zu dem Teil ermöglicht ein Abtasten des Laserstrahls entlang einer Mehrzahl von Linien, wie im Wesentlichen paralleler Linien. Der Ausdruck „Abtasten des Laserstrahls“ sollte so interpretiert werden, dass dies bedeutet, dass der Laserstrahl selbst verschoben, in dem irgendeine Art von optischen Abtastmitteln oder ähnliches verwendet wird, wie ein oder mehrere Scannerspiegel.
  • Das Abtasten wird so durchgeführt, dass der Laserspot einem Abtastmuster und/oder Weg auf dem Oberflächenbereich folgt. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist wenigstens eines von
    • (i) eine Abtastgeschwindigkeit; und/oder
    • (ii) eine Laserstrahlleistung; und/oder
    • (iii) eine Laserspotgröße
    anders in einem Teil des Abtastmusters als in einem anderen Teil des Abtastmusters, um so ein Überhitzen des Werkstücks in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich zu vermeiden (oder die Gefahr dafür zu reduzieren).
  • So kann in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich die Abtastgeschwindigkeit größer sein, und/oder die Laserstrahlleistung kann reduziert werden, und/oder der Laserspotbereich kann größer sein – etwas, das durch zum Beispiel ein Bewegen einer Fokuslinse erreicht werden kann –, als in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich, um so die Energiemenge pro Einheit des Oberflächenbereichs zu reduzieren, die in dem wärmeempfindlicheren Bereich übertragen wird, im Vergleich zu dem weniger wärmeempfindlichen Bereich.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Abtastmuster eine Mehrzahl von Segmenten und jedem der Segmente ist zugeordnet
    • (i) eine Abtastgeschwindigkeit; und/oder
    • (ii) eine Laserstrahlleistung; und/oder
    • (iii) eine Laserspotgröße; wobei wenigstens eines der Abtastgeschwindigkeit, der Laserstrahlleistung und der Laserspotgröße in Bezug zu wenigstens einem der Segmente im Vergleich zu wenigstens einem anderen der Segmente unterschiedlich ausgewählt wird.
  • Die Segmente können gerade oder gebogen sein und können ein Polygon oder eine andere geometrische Figur bilden. Sie können eine geschlossene Kurve bilden, welcher der Laserspot während des Abtastvorgangs folgt, oder eine offene Kurve, der durch den Laserspot wiederholt in beiden Richtungen gefolgt werden kann. Die Segmente können kurz sein und können sogar Punkte umfassen, an welchen der Laserstrahl für eine bestimmte Zeitdauer angehalten werden kann. Somit kann durch das Zuordnen zu jedem Segment wenigstens eines Wertes eines Parameters, der einen Einfluss auf die Energieübertragung auf die Oberfläche während des Abtastvorgangs hat, eine adäquate Verteilung der Wärmeübertragung und der Erwärmung erreicht werden. Zum Beispiel macht es dieser Ansatz in einem Abtastsystem, das durch einen Computer gesteuert wird, für den Benutzer leicht, unterschiedliche Energieübertragungsprofile entlang des Abtastmusters auszuprobieren und durch solch ein Ausprobieren an ein geeignetes Profil für ein spezifisches Produkt zu gelangen, wie etwa für eine spezifische Kurbelwelle. Zudem kann dieser Ansatz leicht in ein computergesteuertes Simulationssystem implementiert werden, sodass man mit unterschiedlichen Energieübertragungsprofilen experimentieren kann, die Abtastgeschwindigkeit, die Laserstrahlleistung und/oder den Laserspotgröße für ein oder mehrere Segmente modifizieren kann und sogar das geometrische Layout des Abtastmusters modifizieren kann, bis man für ein adäquates Erwärmen des Werkstücks sorgt. Es können Computer-Eingabemittel bereitgestellt werden, die eine Variation des Abtastmusters (zum Beispiel durch Einstellen der Länge der Segmente), und/oder der Abtastgeschwindigkeit und/oder der Laserstrahlleistung und/oder der Laserspotgröße erlauben. Natürlich können auch zusätzliche Parameter umfasst sein.
  • Zum Beispiel kann die Abtastgeschwindigkeit so ausgewählt werden, dass sie höher in einem Segment ist, das sich näher an einem wärmeempfindlicheren Unterbereich befindet, als in zwei angrenzenden Segmenten, die sich weiter entfernt von den wärmeempfindlichen Unterbereich befindet. Im Falle einer Kurbelwelle kann die Abtastgeschwindigkeit zum Beispiel für ein oder zwei Segmente, die tatsächlich das bzw. die Ölschmierungslöcher in einer Stufe des Prozesses kreuzen, höher ausgewählt werden als für angrenzende Segmente. Das Verwenden unterschiedlicher Abtastgeschwindigkeiten für unterschiedliche Segmente entlang des durch den Laserspot gefolgten Weges hat den Vorteil der leichten Implementierung in im Handel erhältlichen Scannereinrichtungen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Laserstromleistung so ausgewählt, das diese in einem Segment, das sich näher an einem wärmeempfindlicheren Unterbereich befindet, niedriger ist als in zwei angrenzenden Segmenten, die weiter entfernt von dem wärmeempfindlich Unterbereich liegen. Im Falle einer Kurbelwelle kann an ein oder zwei Segmenten, welche die Ölschmierungslöcher in einer Stufe des Prozesses kreuzen – oder von den Ölschmierungslöchern gekreuzt werden – die Abtastgeschwindigkeit höher ausgewählt werden und/oder die Laserstrahlleistung niedriger ausgewählt werden, als an den angrenzenden Segmenten.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird der Laserspot so ausgewählt, dass dieser größere Fläche in einem Segment, das näher an einem wärmeempfindlicheren Unterbereich liegt, als in zwei angrenzenden Segmenten, die weiter entfernt von dem wärmeempfindlicheren Unterbereich liegen. Somit wird durch ein „Defokussieren“ während eines bestimmten Teil des vom Laserstrahl gefolgten Weges, die Leistungskonzentration pro Einheit des Oberflächenbereichs geringer, was dabei nützlich ist, ein Überhitzen von wärmeempfindlicheren Bereichen zu vermeiden, wie etwa solchen, die den Ölschmierungslöchern von Kurbelwellen entsprechen.
  • In einigen Ausführungsformen dieses Aspekts der Erfindung wird
    • (i) die Abtastgeschwindigkeit; und/oder
    • (ii) die Laserstrahlleistung; und/oder
    • (iii) die Laserspotgröße; die ein oder mehreren der Segmente zugeordnet ist/sind, wenigstens einmal modifiziert, während sich die Oberfläche des Werkstücks in Bezug zur Laserquelle bewegt, zum Beispiel jedes Mal dann, wenn das Muster oder Segment einen wärmeempfindlicheren Unterbereich erreicht oder verlässt. Auf diese Weise kann zum Beispiel die Abtastgeschwindigkeit und/oder die Laserstrahlleistung und/oder die Laserspotgröße entsprechend einem oder mehrerer Segmente des Musters während des Prozesses modifiziert werden, zum Beispiel dann, wenn ein oder mehrerer der Segmente an einem wärmeempfindlicheren Unterbereich ankommen, wie etwa den Ölschmierungslöchern einer Kurbelwelle oder nahe derselben, und auch dann, wenn das Segment oder die Segmente den wärmeempfindlicheren Unterbereich verlässt/verlassen. Auf diese Weise kann die Wärmebehandlung leicht vergünstigt für Flächen des Werkstücks in Einstellung mit ihrer Wärmeempfindlichkeit optimiert werden.
  • Dieser Aspekt der Erfindung kann zudem den Schritt des Programmierens eines elektronischen Steuermittels umfassen, wie etwa einen Personalcomputer, eine PLC oder dergleichen zum Steuern des Laserstrahls, in dem jedem der Segmente zugeordnet wird:
    • (i) wenigstens eine Abtastgeschwindigkeit; und/oder
    • (ii) wenigstens eine Laserstrahlleistung; und/oder
    • (iii) wenigstens eine Laserspotgröße.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung hat das Abtastmuster eine geometrische Form (zum Beispiel durch die Segmente gebildet), wobei die geometrische Form des Abtastmusters wenigstens einmal modifiziert wird, während sich die Oberfläche des Werkstücks in Bezug zu der Laserquelle bewegt. Zum Beispiel an einer Stufe des Prozesses, wie etwa während einer Rotation des Werkstücks, zum Beispiel wenn sich ein Ölschmierungsloch dem abgetasteten Teil des Oberflächenbereichs nähert, können ein oder mehrere Segmente einfach ausgelassen werden, um ein Überhitzen eines wärmeempfindlicheren Unterbereichs zu vermeiden, oder kann das Abtastmuster modifiziert werden, um die Leistungsdichte in ein oder mehreren Bereichen zu reduzieren.
  • Eine weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf das Verfahren des Laserhärtens einer Oberfläche eines Werkstücks (wie etwa einem Werkstück aus Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, zum Beispiel einer Kurbelwelle; die Bezugnahme auf „eine Oberfläche“ bedeutet nicht, dass die gesamte Oberfläche gehärtet werden muss; zum Beispiel kann es im Fall einer Kurbelwelle genug sein, dass ein Teil der Oberfläche, zum Beispiel der Oberflächen ein oder mehrerer Zapfen, und/oder der Wände, die an die Zapfen angrenzen, gehärtet wird), wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich aufweist (zum Beispiel die Oberfläche eines oder mehrerer Hauptzapfen und/oder eines oder mehrerer Kurbelzapfen der Kurbelwelle und/oder der Wandflächen der Kurbelwelle). Der Oberflächenbereich umfasst wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich (zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle den Bereich unmittelbar um ein Ölschmierungsloch herum und/oder den Bereich nahe der Kante einer hinterschnittenen Auskehlung; hier verringert die Abwesenheit von Material die Kühlkörperkapazität und impliziert eine erhöhte Gefahr des Überhitzens; zudem können die scharfen Kanten beim Überhitzen leichter beschädigt werden als eine glatte und gleichmäßige Oberfläche des restlichen Zapfens) und einen weniger wärmeempfindlichen Oberflächenbereich (zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle den Teil der Oberfläche des Zapfens, der weiter entfernt vom Ölschmierungsloch und/oder von der hinterschnittenen Auskehlung ist, wobei die Abwesenheit von Kanten und Hohlräumen eine verringerte Gefahr des Überhitzens impliziert).
  • Das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf den Laserbereich, um so einen Laserspot auf dem Laserbereich zu erzeugen;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle (zum Beispiel durch Drehen des Werkstücks um eine X-Achse und/oder Verschieben des Werkstücks und/oder der Laserquelle entlang einer Y- und/oder Z-Achse, senkrecht zur X-Achse), wobei dem Laserspot ermöglicht wird, nachfolgend auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden (das heißt, in Abhängigkeit von der relativen Position zwischen Werkstück und Laserquelle in Übereinstimmung mit zum Beispiel X-, Y- und Z-Achse, wobei die Laserquelle jederzeit in Kombination mit einer Scannereinrichtung den Laserspot zum Beispiel auf einen bestimmten Teil oder Abschnitt des Bereichs lenken kann, und in Abhängigkeit davon, ob die Scannereinrichtung für eine Bewegung in einer Dimension oder in zwei Dimensionen auf einer Linie des Bereichs mit einer Dicke sorgt, die dem Durchmesser der Länge oder Breite des Laserspots entspricht oder auf zum Beispiel einen im Wesentlichen rechtwinkligen Abschnitt des Bereichs;
    während der Relativbewegung, ein Abtasten des Laserstrahls quer über den jeweiligen Teil des Oberflächenbereichs (das Abtasten kann nur in einer Dimension durchgeführt werden, zum Beispiel parallel zur Rotationsachse des Werkstücks, und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung der Oberfläche des Werkstücks in Bezug zu der Position der Laserquelle oder in zwei Dimensionen, dann einem Muster folgend, wie etwa einem rechtwinkligen Muster, einem ovalen Muster, einem dreieckeigen Muster, einem trapezoiden Muster, einem hexagonalen Muster, einem oktogonalen Muster etc. oder eine Fläche füllend, die durch ein solches Muster umrissen ist, zum Beispiel durch ein Ausführen eines Mäanderns oder eines dreieckigem Abtastens vor und zurück entlang und/oder quer zur Fläche oder durch ein Tracking einer Mehrzahl von Linien, wie etwa einer Mehrzahl von parallelen Linien; der Ausdruck „Abtasten des Laserstrahls“ sollte so interpretiert werden, dass dies bedeutet, dass der Laserstrahl selbst unter der Verwendung irgendeiner Art einer optischen Scaneinrichtung, wie etwa ein oder mehrerer Scannerspiegel, verschoben wird);
    wobei das Abtasten so durchgeführt wird, dass der Laserspot einem Abtastmuster und/oder Weg auf der Fläche folgt, wobei das Abtastmuster eine geometrische Konfiguration hat.
  • In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung wird die geometrische Konfiguration des Abtastmusters wenigstens einmal während der Relativbewegung zwischen dem Oberflächenbereich und der Laserquelle modifiziert. Zum Beispiel kann das Abtastmuster eine Mehrzahl von Segmenten umfassen und können ein oder mehrere Segmente einfach weggelassen werden, um ein Überhitzen eines wärmeempfindlicheren Unterbereichs zu vermeiden, oder das Muster kann modifiziert werden, um die Leistungsdichte in einer oder mehreren Flächen zu verringern. So kann zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle, wenn sich während der Relativbewegung zwischen der Laserquelle und der Oberfläche des Werkstücks ein oder mehrere Ölschmierungslöcher der gerade abgetasteten Fläche nähern, das Abtastmuster angepasst werden, zum Beispiel durch Reduzieren der Energiedichte des Weges, das heißt durch ein Separieren von Segmenten und/oder durch Weglassen ein oder mehrerer Segmente. Zum Beispiel kann ein Segment weggelassen werden, was ein Abtastmuster mit ursprünglich geschlossener Kurve in ein Abtastmuster mit offener Kurve ändert, wodurch der Laserspot die offene Kurve vor und zurück verfolgen kann; Falls das weggelassene Segment der Position des Ölschmierungslochs entspricht, wird dieses nicht zu dem Erwärmen der Kanten des Ölschmierungsloches beitragen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des Laserhärtens einer Oberfläche eines Werkstücks (wie einem Werkstück aus eisenhaltigem Material, wie Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, zum Beispiel eine Kurbelwelle), wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst (zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle die Oberfläche ein oder mehrerer Hauptzapfen und/oder ein oder mehrerer Kurbelzapfen der Kurbelwelle, und/oder der Hauptflächen der Kurbelwelle), wobei der Oberflächenbereich aufweist wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich (zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle den Bereich unmittelbar um ein Ölschmierungsloch herum und/oder die Fläche nahe der Kante einer hinterschnittenen Auskehlung; hier verringert die Abwesenheit des Materials die Kühlkörperkapazität und impliziert eine erhöhte Gefahr zum Überhitzen; auch werden die scharfen Kanten mit größerer Wahrscheinlichkeit durch ein Überhitzen beschädigt als die glatte und gleichmäßige Oberfläche des restlichen Zapfens) und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich (zum Beispiel den Teil der Oberfläche des Zapfens, der entfernter ist von dem Ölschmierungsloch und/oder von der hinterschnittenen Auskehlung, wobei die Abwesenheit der Kanten und Hohlräume eine verringerte Gefahr des Überhitzens impliziert).
  • Das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf den Oberflächenbereich, um somit einen Laserspot auf dem Oberflächenbereich zu erzeugen;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle (zum Beispiel durch des Drehen des Werkstück um eine X-Achse und/oder ein Verschieben des Werkstücks und/oder der Laserquelle entlang der Y- und/oder Z-Achse, senkrecht zur X-Achse), wodurch dem Laserspot ermöglicht wird, nachfolgend auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert (das heißt, in Abhängigkeit von der relativen Position zwischen dem Werkstück und der Laserquelle in Übereinstimmung mit zum Beispiel X-, Y- und Z-Achse, wobei die Laserquelle jederzeit in Kombination mit einer Abtasteinrichtung den Laserspot auf einen zum Beispiel bestimmten Teil oder Abschnitt der Fläche lenken kann und in Abhängigkeit davon, ob die Abtasteinrichtung für eine eindimensionale oder zweidimensionale Bewegung auf eine Linie des Bereichs mit einer Dicke sorgt, die dem Durchmesser der Länge oder Breite des Laserspots entspricht, oder auf zum Beispiel einen im Wesentlichen rechtwinkligen Abschnitt des Bereichs);
    während der Relativbewegung, Abtasten des Laserstrahls quer zu dem jeweiligen Teil des Bereichs (das Abtasten kann nur in einer Dimension durchgeführt werden, zum Beispiel parallel zu einer Drehachse des Werkstücks, oder in zwei Dimensionen, somit einem Muster folgend, wie etwa einem rechtwinkligen Muster, einem ovalen, einem dreieckigen Muster, einem trapezoiden Muster etc. oder eine Fläche füllend, die durch ein Muster umrissen ist, zum Beispiel durch Ausführen eines Mäanderierens oder eines dreieckigen Abtastens vor und zurück entlang und/oder quer zu dem Bereich, oder dadurch, dass der Laserstrahl einem Muster mit einer Mehrzahl von Linien folgen kann, wie parallele Linien; der Ausdruck „Abtasten des Laserstrahls“ sollte so interpretiert werden, dass dies bedeutet, dass der Laserstrahl selbst verschoben wird, und von der Verwendung in einer Art einer optischen Scaneinrichtung, wie etwa ein oder mehrerer Scannerspiegel; im Falle eines XYZ-Scanners, zusätzlich zu der Möglichkeit einer Bewegung des Spots in der X- und Y-Richtung, wird eine Fokussierlinse bereitgestellt, welche durch irgendeine Art von Antriebseinrichtung in der Z-Richtung verstellt werden kann, wodurch eine dynamische Anpassung der Größe des Laserspots ermöglicht wird; dadurch können sowohl die Positionen des Spots als auch seine Größe gesteuert und angepasst werden, um den Herstellungsprozess zu optimieren);
    und Modulieren des Laserstrahls.
  • In dieser Einstellung mit diesem Aspekt der Erfindung wird der Laserstrahl unterschiedlich moduliert, wenn sich der Laserspot in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich befindet, als wenn sich dieser in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich befindet, um so ein Überhitzen des jeweiligen Bereichs des Werkstücks zu verhindern. Insbesondere:
    • A – Der Laserstrahl wird in seiner Leistung moduliert (zum Beispiel so, dass seine Leistung geringer ist, wenn sich der Laserspot in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich, als wenn sich der Laserspot in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich befindet; das Modulieren der Leistung kann sogar ein temporäres Verringern der Leistung auf 0 oder nahe 0 umfassen); und/oder
    • B – Der Laserstrahl wird in seiner Abtastgeschwindigkeit moduliert (zum Beispiel so, dass sich der Laserspot über die Oberfläche des Werkstücks schneller bewegt, wenn sich der Laserspot in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich befindet, als wenn sich der Laserspot in dem weniger wärmeempfindlichen Bereich befindet; das Modulieren der Abtastgeschwindigkeit kann sogar ein temporäres Stoppen der Bewegung des Laserstrahls umfassen); und/oder
    • C – Der Laserstrahl wird in seinem Abtastmuster moduliert, sodass der Laserspot einem unterschiedlichen Abtastmuster in Bezug zu dem wärmeempfindlicheren Unterbereich als in Bezug zu den weniger wärmeempfindlichen Unterbereich (so kann für den wärmeempfindlicheren Unterbereich ein Abtastmuster gewählt, welches die Gefahr des Überhitzens an zum Beispiel den Kanten von zum Beispiel den Ölschmierungslöchern und/oder den hinterschnittenen Auskehlungen einer Kurbelwelle verringert werden); und/oder
    • D – Der Laserstrahl wird in seiner Laserspotgröße moduliert, sodass die Laserspotgröße unterschiedlich (zum Beispiel größer) in Bezug zu dem wärmeempfindlicheren Unterbereich ist als in Bezug zu den weniger wärmeempfindlichen Unterbereich (so kann die Spotgröße für den wärmeempfindlicheren Unterbereich dazu benutzt werden, dass die Erwärmung an zum Beispiel den Kanten der Ölschmierungslöcher oder den hinterschnittenen Auskehlungen einer Kurbelwelle verringert wird. Eine Vergrößerung der Spotgröße durch zum Beispiel ein Defokussieren des Laserstrahls verringert die Leistungsmenge pro Einheit des Oberflächenbereichs des Laserspots).
  • So kann zum Beispiel zu all diesen Aspekten der Erfindung und im Falle des Heizens der Lagerflächen einer Kurbelwelle, das heißt, der Oberflächen des Hauptzapfens und der Kurbelzapfen, der Laserstrahl auf einen der Zapfen fokussiert werden, und der Strahl kann dann quer über dem Zapfen und/oder quer eines Teils des Zapfens abtastend bewegt werden. Andererseits kann durch die Relativbewegung zwischen der Laserlichtquelle und der Oberfläche der Kurbelwelle der gesamte Umfang der Kurbelwelle abgetastet werden. Nun kann anstelle der Verwendung einer optischen Einrichtung, um zum Beispiel einen quadratischen oder rechtwinkligen Laserspot von substantieller Größe zu erzeugen, wie etwa ein Laserspot mit einer Breite in der Größenordnung der Breite des Zapfens, ein kleiner Spot verwendet werden, welcher dann quer zum Zapfen abtastend bewegt wird. Auf diese Weise erlaubt die Modulation des Strahls hinsichtlich der Abtastgeschwindigkeit, der Leistung, des Abtastmusters und/oder der Laserspotgröße, dass die Wärmebehandlung an die Besonderheiten unterschiedlicher Bereiche der Oberfläche, zum Beispiel an die Wärmeempfindlichkeit der Regionen, wie etwa im Falle einer Kurbelwelle der Ölschmierungslöcher und der Auskehlungen, angepasst werden kann. Somit kann anstelle allein der Behandlung aller Bereiche der Oberfläche auf die gleiche Weise durch einfaches Aufbringen eines großen Laserspots auf die Oberfläche und durch Bewegen der Oberfläche in Bezug zu der Laserquelle, zum Beispiel durch Drehen des Werkstücks (was durch die DE-10 2005 005 141-B3 anscheinend vorgeschlagen wird), ein kleiner Spot verwendet werden, und ein Abtasten und Modulieren kann so ausgeführt werden, dass unterschiedliche Teile der Oberfläche unterschiedliche Energiemengen erhalten, um ein ausreichendes Erwärmen aller Teile zu erhalten, während gleichzeitig ein Überhitzen bestimmter Teile vermieden wird. Durch Modulieren des Strahls können unterschiedliche Teile der Oberfläche unterschiedlich behandelt werden. Zum Beispiel kann das Abtastmuster in dem Bereich nahe der Ölschmierungslöcher modifiziert werden, um zu verhindern, dass die Kanten der Ölschmierungslöcher eine Überhitzung erleiden. Zudem oder als Alternative kann die Intensität des Strahls verringert werden und/oder die Geschwindigkeit erhöht werden und/oder die Größe des Laserspots kann durch Defokussieren oder durch Anpassen des Einfallwinkels des Laserstrahls auf die Oberfläche vergrößert werden, um so das Auftreten einer Überhitzung zu verhindern. So kann anstelle des homogenen Erwärmens des gesamten zu härtenden Oberflächenbereichs Sorge dafür getragen werden, die Gefahr des Überhitzens in Bereichen, wie den Bereichen um die Ölschmierungslöcher herum und/oder den Bereichen nahe der hinterschnittenen Auskehlungen, zu reduzieren. In diesen Bereichen verringert die Abwesenheit von Material den Wärmefluss weg von der erhitzten Oberfläche und dies impliziert eine wesentlich erhöhte Gefahr des Überhitzens; zudem erleiden die scharfen Kanten dieser Bereiche durch ein Überhitzen sehr viel wahrscheinlicher einen Schaden als die glatte Oberfläche der anderen Teile des Zapfens.
  • Somit kann durch Modifizieren ein oder mehrerer dieser Parameter die Gefahr eines Überhitzens verringert werden.
  • Wenn einer der oben diskutierten Aspekte der Erfindung genutzt wird und insbesondere wenn ein äquivalenter oder virtueller effektiver Laserspot durch Abtasten eines Laserstrahls in ein oder zwei Dimensionen erzeugt wird, kann der Fachmann Computersimulationen und/oder praktische trial-and-error-Tests nutzen, um Modulationstechniken zu bestimmen, die für jedes spezifische Kurbelwellendesign geeignet sind. Das Anpassen des Systems an eine neue Art Kurbelwelle erfordert somit nur einen Wechsel in der Software, zum Beispiel durch Einführen neuer Profile der Abtastgeschwindigkeit, neuer Profile der Laserlichtintensität, Abtastmuster und/oder Spotgrößen, zum Beispiel durch Zuordnen unterschiedlicher Werte dieser Parameter an unterschiedliche Segmente eines Abtastmusters. Dies macht es leicht, trial-and-error-Simulationen auszuführen und das Abtastmuster und die darauf bezogenen Parameter während der trial-and-error-Simulationen und auch während eines Echtzeitbetriebs (zum Beispiel unter der Verwendung eines Pyrometers und zugeordneter Software und einer geeigneten auf ein Feedback basierten Steuerung) dynamisch zu modifizieren, um eine adäquate Performance zu erreichen. Tatsächlich kann der Ansatz der Strahl-Modulationstechnik oder Energieverteilung für eine Art von Kurbelwelle häufig leicht an eine Art von Kurbelwelle angepasst werden, indem Änderungen in den Abmessungen und Änderungen in den Positionen von zum Beispiel der Ölschmierungslöcher berücksichtigt werden. Somit ist diese Technik sehr viel flexibler als diejenige, die auf ein Erwärmen mittels Induktion basiert. Beim Verwenden von Ausführungsformen der Erfindung kann die Anpassung im Grunde eher in der Anpassung der Software liegen als in der Anpassung der Hardware.
  • Zum Beispiel kann jede der Modulationsalternativen A, B, C und D für sich verwendet werden oder kann A zusammen mit B oder C verwendet oder kann B mit C verwendet werden oder können A, B und C zusammen verwendet werden und kann D optional mit irgendeiner der obigen Kombination verwendet werden. Somit sorgen die oben beschriebenen unterschiedlichen Aspekte der Erfindung für eine extrem flexible Plattform zum Anpassen des Lasererwärmens des Werkstücks an unterschiedliche Designs von Werkstücken, wobei der Bedarf wesentlich reduziert wird, Hardware anpassen zu müssen; dies impliziert einen weiteren wichtigen Vorteil gegenüber einer induktiven Erwärmung von Werkstücken wie Kurbelwellen. Zum Beispiel kann die Wahl von Optionen(en) aus A, B, C und D auf der Basis praktischer Betrachtungen getroffen werden, zum Beispiel der mit unterschiedlichen Arten von Lasern und Abtastsystemen verbundenen Kosten, der Kapazität im Variieren von Abtastgeschwindigkeit und/oder der Intensität der Laserstrahlleistung, der Kapazität im Variieren von Abtastmustern – zum Beispiel in Abhängigkeit davon, ob ein uniaxiales oder biaxiales Abtastsystem verwendet wird etc.
  • Dieser Modulationsansatz ist nicht nur nützlich zum Verhindern eines Überheizens an den Ölschmierungslöchern und an den Auskehlungen und Hinterschneidungen, sondern kann auch nützlich sein im Falle von Werkstücken mit Bezug darauf, in welchem Gesamtumfang gehärtet werden soll, wie etwa der Umfang der Zapfen einer Kurbelwelle:
    Wenn einmal fast die gesamten 360° des Umfangs der Wärmebehandlung ausgesetzt worden sind, erreicht der Laserstrahl noch einmal einen Bereich, der bereits gehärtet wurde und dieser sollte nicht noch einmal wesentlich erwärmt werden; durch Modulieren des Laserstrahls in geeigneter Weise (hinsichtlich der Geschwindigkeit, des Abtastmusters, der Leistung und/oder Spotgröße, und/oder durch Anpassen der Energieverteilung innerhalb des effektiven Laserspots, wie etwa ein virtueller oder äquivalenter Laserspot) kann ein adäquates Erwärmen auch in dieser Grenzregion zwischen dem ersten erhitzten Bereich des Umfangs und dem letzten erhitzten Bereich erreicht werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des Laserhärtens einer Oberfläche eines Werkstücks (wie ein Werkstück eines eisenhaltigen Materials, wie ein Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, zum Beispiel eine Kurbelwelle), wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich aufweist (zum Beispiel die Oberfläche eines oder mehrerer Hauptzapfen und/oder eines oder mehrerer Kurbelzapfen der Kurbelwelle). Das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf den Oberflächenbereich, um einen Laserspot auf dem Oberflächenbereich;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle (zum Beispiel durch Drehen des Werkstücks um eine X-Achse und/oder Verschieben des Werkstücks und/oder der Laserquelle entlang einer Y- und/oder Z-Achse senkrecht zur X-Achse), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile der Oberflächenbereichs projiziert zu werden (das heißt, abhängig von der relativen Position zwischen dem Werkstück und der Laserquelle in Übereinstimmung mit zum Beispiel der X-, Y- und Z-Achse kann die Laserquelle jederzeit in Kombination mit einer Scannereinrichtung den Laserspot zum Beispiel auf einen Teil oder einen Abschnitt des Bereichs, und in Abhängigkeit davon, ob die Scannereinrichtung für eine eindimensionale oder zweidimensionale Bewegung sorgt, auf eine Linie des Bereichs mit der Dicke des Laserspots oder auf einen zum Beispiel wesentlichen Abschnitt des Bereichs richten);
    während der Relativbewegung, Abtasten des Laserstrahls quer zu dem jeweiligen Teil des Bereichs (wobei das Abtasten in einer Dimension durchgeführt werden kann, zum Beispiel parallel zur Rotationsachse des Werkstücks oder in zwei Dimensionen, somit einem Muster folgend, wie einem rechtwinkligen Muster, einem ovalen Muster, einem dreieckigen Muster, einem trapezoiden Muster etc., oder durch Bewegen des Laserstrahls innerhalb der Grenzen eines solchen Musters zum Beispiel in einer mäandrierenden Weise ein solches Muster füllend; der Ausdruck „Abtasten des Laserstrahls“ sollte so interpretiert, dass dieser bedeutet, dass der Laserstrahl selbst unter Verwendung in einer Art einer optischen Abtasteinrichtung oder dergleichen verschoben wird, wie etwa durch ein oder mehrere Abtastspiegel);
    wobei das Erwärmen so durchgeführt wird, dass ein Teil der Oberfläche des Werkstücks, der in einem Laserstrahl gestreiften Bereich eintritt, zuerst die Laserstrahlung mit höherer Durchschnittsleistung aufnimmt und nachfolgend eine Laserstrahlung mit niedriger Durchschnittsleistung aufnimmt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Abtastmuster mit einem vorderen Bereich mit einer höheren Abtastdichte und einem hinteren Bereich mit einer niedrigeren Abtastdichte verwendet wird, sodass der Laserspot über eine längere Zeit pro Flächeneinheit in dem vorderen Bereich als in dem hinteren Bereich bleibt, wodurch der zu behandelnde Oberflächenbereich zuerst in den vorderen Bereich und nachfolgend in den hinteren Bereich eintritt. Der Ausdruck „Durchschnittsleistung“ soll als der mittlere Leistungsbetrag pro Oberflächenbereich während eines gesamten Abtastzyklus verstanden werden. Ein weiterer Weg zum Erreichen dieses Ziels ist, den Laserstrahl in einer wenigstens teilweise außermittigen Weise zu projizieren, sodass der Laserstrahl in einem Winkel von weniger 90° auf die Oberfläche auftrifft. Ein außermittiges Versetzen des Laserstrahls hat auch den Vorteil, dass die Gefahr von Beschädigungen oder Fehlern aufgrund von Rückreflexionen reduziert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des Laserhärtens einer Oberfläche eines Teils eines Werkstücks (wie etwa ein Werkstück aus eisenhaltigem Material, wie etwa Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, zum Beispiel eine Kurbelwelle) mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt (wie für die Oberfläche eines Hauptzapfens oder eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle). Das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf die Oberfläche, um einen Laserspot auf der Oberfläche zu erzeugen;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche eines Werkstücks und der Laserquelle (zum Beispiel durch Drehen des Werkstücks um eine X-Achse und/oder Verschieben des Werkstücks und/oder der Laserquelle entlang einer Y- und/oder Z-Achse senkrecht zur X-Achse), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile der Oberfläche entlang des Umfangs der Oberfläche projiziert zu werden.
  • In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung wird der Laserstrahl auf die Oberfläche in einer außermittig versetzten Weise projiziert, d. h. des Laserstrahls ist nicht mit einer Linie ausgerichtet, die durch das Zentrum des kreisförmigen Querschnitts hindurch geht. Dies kann dabei helfen, den Laserspot größer zu machen, was manchmal nützlich ist, um die Wärme besser zu verteilen. Zudem kann dieser Ansatz nützlich sein, da eine Vorderkante des Laserspots, aufgrund unterschiedlicher Einfallwinkel des Laserstrahls auf die Oberfläche an der Vorderkante und an der Hinterkante des Laserspots, eine unterschiedliche Leistungdichte als an der Hinterkante hat. Dieser Ansatz kann zum Beispiel in Kombination mit einer feststehenden Optik verwendet werden, welche einen im Wesentlichen quadratischen oder rechtwinkligen Laserspot liefert. Zudem hat außermittiges Versetzen des Laserstrahls den Vorteil, die Gefahr von Beschädigungen oder Federn aufgrund von Rückreflexionen zu reduzieren.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Teils eines Werkstücks, wobei das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf die Oberfläche, um einen Laserspot auf der Oberfläche zu erzeugen;
    Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle, wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Bereiche der Oberfläche projiziert zu werden. Der Laserstrahl wird auf die Oberfläche in einer Richtung projiziert, die nicht senkrecht zur Oberfläche ist, vorzugsweise einen Winkel von weniger als 70° mit der Oberfläche bildet, wie etwa weniger als 60° oder sogar weniger als 45°. Dies kann dabei helfen, die Größe dieser Spots zu erhöhen und somit den Leistungsbetrag pro Oberflächenbereich zu reduzieren und erhöht für gegebene Relativgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche der Laserquelle, die Interaktionszeit zwischen dem Laserspot und einem gegebenen Punkt auf der Oberfläche. Dies kann zu einer erhöhten Tiefe der gehärteten Schicht beitragen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren eines Laserhärtens einer Oberfläche eines Werkstücks (wie etwa ein Werkstück aus Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, zum Beispiel eine Kurbelwelle). Das Verfahren umfasst:
    Projizieren von Laserlicht aus einer Laserquelle auf zu erwärmende Oberflächenbereiche.
  • In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung wird das Laserlicht (simultan oder nachfolgend oder sequentiell) auf einen ersten Oberflächenbereich und auf einen zweiten Oberflächenbereich projiziert, der sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Oberflächenbereich erstreckt. Das Verfahren umfasst ein Aufteilen eines Laserstrahls in eine erste Laserstrahlkomponente mit einer s-Polarisierung und in eine zweite Laserstrahlkomponente mit einer p-Polarisierung und ein Verwenden der ersten Laserstrahlkomponente zum Erwärmen des ersten Oberflächenbereichs und Verwenden der zweiten Laserstrahlkomponente zum Erwärmen des zweiten Oberflächenbereichs. Auf diese Weise kann die Beziehung zwischen einer Leistungsabsorbtion und einem Winkeleinfall und der Weg, auf welchem diese Beziehung von der Polarisierung abhängt, dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad des Erwärmens zu steigern.
  • In all den oben beschriebenen Aspekten der Erfindung kann der Schritt des Erzeugens einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Laserquelle ein Drehen des Werkstücks um die Drehachse umfassen (welche parallel zu der sogenannten X-Achse des Systems sein kann), sodass der Laserlichtspot den gesamten Umfang des zu härtenden Oberflächenbereichs erfassen kann. Zum Beispiel kann eine Kurbelwelle um eine Längsachse gedreht werden, die durch das Zentrum des Hauptzapfens hindurch geht.
  • Ferner kann der Schritt des Erzeugens eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Laserquelle ein Erzeugen einer Relativbewegung einer ersten Richtung senkrecht zur Rotationsachse (zum Beispiel parallel zu einer X-Achse) und in einer zweiten Richtung senkrecht zur Rotationsachse (zum Beispiel parallel zu einer Z-Achse) umfassen. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der Laserlichtquelle und der zu behandelnden Oberfläche konstant gehalten werden, auch in dem Falle eines exzentrisch angeordneten Gegenstands, wie etwa die Kurbelzapfen der Kurbelwelle, die sich um die Mittelachse der Hauptzapfen drehen:
    Wenn die Hauptachse der X-Achse des Systems entspricht, kann eine Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Laserlichtquelle in zwei anderen Richtungen, wie der Y-Achse und Z-Achse dabei helfen, sicherzustellen, dass der Abstand zwischen der Laserlichtquelle und der zu behandelnden Oberfläche konstant gehalten wird. Zum Beispiel kann Bewegung in der ersten Sichtung durch ein Verschieben des Werkstücks (zum Beispiel horizontal) erzeugt werden und kann die Bewegung in der zweiten Richtung durch Verschieben der Laserquelle (zum Beispiel vertikal) erzeugt werden. Zudem die Laserquelle optional parallel zu der Rotationsachse bewegbar sein. So kann die Laserlichtquelle zum Beispiel nachfolgend so verwendet werden, dass sie auf unterschiedliche Zapfen einer Kurbelwelle wirkt.
  • In vielen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück eine Kurbelwelle mit einer Mehrzahl von Ölschmierungslöchern sein.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf das Verfahren des Laserhärtens einer Oberfläche einer Kurbelwelle, wobei die Kurbelwelle Hauptzapfen, Kurbelzapfen und Ölschmierungslöcher umfasst. Das Verfahren umfasst:
    Projizieren eines Laserstrahls von einer Laserquelle auf eine Oberfläche eines zu härtenden Zapfens, um einen Laserspot auf eine Oberfläche zu erzeugen und Bewegen der Oberfläche in Bezug zu der Laserquelle, in den die Kurbelwelle gedreht wird (zum Beispiel um eine Achse, die mit einer Mittelachse der Hauptzapfen korrespondieren kann).
  • In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung wird während der Drehung der Kurbelwelle der Laserstrahl für wenigstens einen Teil der Oberfläche des Zapfens in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Abtastmuster abtastend bewegt, um so die Oberfläche zu erwärmen. Das Abtasten wird so durchgeführt, dass an wärmeempfindlicheren Unterbereichen weniger Energie aufgebracht wird als an weniger wärmeempfindlichen Unterbereichen der Oberfläche. Der Ausdruck „vorbestimmt“ schließt nicht die Möglichkeit einer dynamischen Anpassung des Abtastmusters während des Betriebs in einer vorbestimmten Weise und/oder in Übereinstimmung mit einem Steuersystem aus, das auf einen Feedback von irgendeiner Art von Temperatursensor oder Temperaturkamera basiert.
  • Zum Beispiel kann das Abtasten unter Beibehaltung der im Wesentlichen konstanten Leistung des Laserstrahls und Anpassen der Abtastgeschwindigkeit und/oder des Abtastmusters durchgeführt werden (d. h. das Muster und der Weg, dem der Laserstrahl folgt auf der Oberfläche), um so weniger Energie auf wärmeempfindlichere Unterbereiche aufzubringen als auf weniger wärmeempfindliche Unterbereiche der Oberfläche. In anderen Aspekten der Erfindung wird das Abtasten durchgeführt, indem das Abtastmuster im Wesentlichen konstant gehalten wird und die Abtastgeschwindigkeit und/oder die Strahlleistung angepasst wird, um so weniger Energie auf wärmeempfindlichere Unterbereiche aufzubringen als auf weniger wärmeempfindliche Unterbereiche der Oberfläche, zum Beispiel durch ein dynamisches Anpassen des Ein/Aus-Zustandes des Laserstrahls im Bezug auf Segmente des Abtastmusters. In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfassen wärmeempfindlichere Bereiche, die an Ölschmierungslöchern und an solche Bereiche, die an Auskehlungen an den axialen Enden von Zapfen der Kurbelwelle angrenzen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Abtastmuster eine Mehrzahl von Segmenten, und ein Strahl-Leistungszustand ist jedem der Segmente zugeordnet, um die Leistung des Laserstrahls in Bezug auf jedes Segment auf einen Leistungspegel einzustellen, der dem Leistungszustand entspricht. Der Laser ist so angeordnet, dass dieser die Leistung des Laserstrahls ändert, wie dies durch die Strahl-Leistungszustände gefordert wird, sodass die Strahl-Leistung an einigen der Segmente im Vergleich zu anderen Segmenten unterschiedlich sein wird, je nachdem wie dies durch die Leistungszustände bestimmt ist. Das Abtasten des Laserspots entlang des Abtastmusters erfolgt vorzugsweise mit einer Rate von wenigsten 300 Segmenten pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000 Segmenten pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000 Segmenten pro Sekunde, und das Abtastmuster wird mit einer Frequenz von wenigstens 10 Hz, ganz bevorzugt wenigstens 50 Hz, noch bevorzugter wenigstens 100 Hz wiederholt. So kann eine Segmentierung oder Pixelierung des Abtastmusters erreicht werden, die es erlaubt, dass die Leistung oder Energieverteilung über den erhitzten Bereich in Übereinstimmung mit zum Beispiel der Wärmeempfindlichkeit des abgetasteten Bereich angepasst werden kann, während gleichzeitig das Abtastmuster mit einer hohen Frequenz wiederholt wird, wodurch Temperaturschwankungen innerhalb des gerade erhitzten Bereichs verringert wird.
  • In vielen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Laserquelle einen Faserlaser, wie etwa einen Faserlaser, der etwa 100 µs oder weniger zum Schalten von einem „Ein“-Zustand zu einem „Aus“-Zustand benötigt. Faserlaser sind typischerweise teurer als andere Arten von Lasern, die Strahlen mit ausreichender Leistung für Härtungszwecke erzeugen, wie etwa die Diodenlaser, und der Fachmann wird somit abgeneigt sein, Faserlaser zum Härten von Werkstücken wie Kurbelwellen zu nutzen. Faserlaser erlauben jedoch anstelle des Ein/Ausschalten und können somit besonders nützlich sein, um eine adäquate Energieverteilung durch Ein- und Ausschalten des Lasers zu erhalten, während der Laserstrahl einem vorbestimmten Abtastmuster über einen effektiven Laserspot folgt, um so die Energie entlang von Linien oder innerhalb von Unterbereichen oder Pixeln des äquivalenten Laserspots zu verteilen. Faserlaser erzeugen auch Strahlen von hoher Qualität und relativ kleinem Durchmesser, sodass die Brennweite zwischen dem fokussierten Laserspot und dem Brennpunkt des Strahls groß sein kann, was im Falle des Abtastens ein Vorteil sein kann, da die Bewegungen der Abtastspiegel oder dergleichen kleiner sein können, und auch im Falle des Abtastens des Laserstrahls über die Oberfläche komplexer Objekte, wie Kurbelwellen, bei welchen die Gegengewichte und Wände Hindernisse für Laserstrahler mit kurzen Brennweiten darstellen können.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein System zum Härten wenigstens eines Teils der Oberfläche eines Werkstücks, wobei das System aufweist eines aus dieser Quelle und Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einer Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Laserquelle mit einer Abtasteinrichtung versehen oder mit dieser verbunden, um den Laserstrahl quer über einen Teil der Oberfläche des Werkstücks in ein oder zwei Dimensionen abtastend zu bewegen. Das System umfasst ferner eine elektronische Steuereinrichtung, wie etwa einen Computer, ein Computersystem, PLC etc., um den Betrieb des Systems zu steuern.
  • In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der Erfindung sind die elektronischen Steuermittel zum Betreiben des Systems angeordnet, um so das Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Aspekte auszuführen.
  • Durch Modifizieren von Parametern, wie etwa der geometrischen Konfiguration des Abtastmusters, d. h., des Weges des Musters, und/oder der Abtastgeschwindigkeit und/oder der Laserstrahlleistung und/oder der Laserspotgröße und/oder selbst von Parametern, wie etwa der Wellenlänge oder des Einfallswinkels des Laserstrahls auf die zu härtende Oberfläche sorgt beim System für Flexibilität zum Optimieren des Erwärmens entlang und quer der zu härtenden Oberfläche. Trial-and-error-Experimente können an Versuchswerkstücken oder durch Verwenden von Computersimulationen durchgeführt und der Benutzer kann die Werte der Parameter, die Länge und Position/Ausrichtung von Segmenten, Abtastgeschwindigkeit für jedes Segment, Leistung des Laserstrahls an jedem Segment etc., dynamisch modifizieren, bis der an eine Kombination von Parametern ankommt, die akzeptable Härtungseigenschaften ohne eine übermäßige Degradation der wärmeempfindlicheren Bereiche oder Gegenstände liefern.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogramm mit Programmbefehlen zum Ausführen des Verfahrens eines der obigen Aspekte der Erfindung, wenn dieses in einem System ausgeführt wird, wie es oben beschrieben ist, und auf einen Informationsträger (wie etwa geeignete Art von Speichereinrichtung oder ein elektrisches Signal), dass das Computerprogramm speichert.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Laserhärten von Oberflächen von Zapfen einer Kurbelwelle, wobei die Zapfen wenigstens zwei mittig angeordneter Hauptzapfen und wenigstens einen versetzten Kurbelzapfen umfassen, wobei die Vorrichtung umfasst:
    ein Kurbelwellenhalter, der so angeordnet ist, dass dieser die Kurbelwelle hält und, optional, die Kurbelwelle um eine Längsachse der Kurbelwelle dreht; wenigstens eine Laserquelle, die so angeordnet ist, dass diese einen Laserstrahl auf einen Zapfen der Kurbelwelle projiziert, um so einen Laserspot auf dem Laserspot auf dem Zapfen zu erzeugen;
    wobei die Laserquelle eine bi-direktionale Scannereinrichtung zum abtastenden Bewegen des Laserstrahls in zwei Dimensionen, um so ein zweidimensionales Abtastmuster auf der Oberfläche des Zapfens herzustellen. Die Verwendung eines zweidimensionalen Abtastmusters macht es möglich, einen effektiven Laserspot durch wiederholtes abtastendes Bewegen eines Laserspots über die zu härtenden Oberflächenhärtestellen, wobei der effektive Laserspot eine ausreichende Abmessung in einer Richtung parallel zur Längsachse der Kurbelwelle hat, um so das Härten eines gesamten Zapfens der Kurbelwelle während einer einzigen Drehung einer Kurbelwelle um ihre Längsachse oder einen einzigen 360° Streifer des effektiver Laserspots um den Zapfen herum zu erlauben, und in einer anderen Richtung, die eine Umfangsrichtung der Kurbelwelle entspricht, um so zu erlauben, dass ein Erwärmen während einer ausreichenden Zeitdauer stattfindet, um die gewünschte Härtungstiefe zu erzielen, während diese gleichzeitig in der Lage ist, die Kurve mit einer ausreichenden Geschwindigkeit zu drehen, um eine adäquate Produktionsrate im Hinblick auf Kurbelwellen pro Stunde zu erhalten. Dieses Abtasten in zwei Richtungen kann zum Beispiel mit der Aufteilung des Abtastmusters in eine Mehrzahl von Segmenten kombiniert werden, denen unterschiedliche Leistungsniveaus zugeordnet sind, um so eine Energieverteilung zu erhalten, die während des Betriebs der Vorrichtung dynamisch angepasst werden kann, um ein Überhitzen der wärmeempfindlichen Unterbereiche, wie der Bereiche angrenzend an die Ölschmierungslöcher, zu vermieden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung sind der Kurbelträger und die Laserquelle in Bezug zueinander in wenigstens zwei unterschiedlichen Lichtungen senkrecht zur Längsachse verstellbar, um so während der Drehung der Kurbelwelle um die Längsachse einen konstanten Abstand zwischen einem Kurbelzapfen und der Laserquelle zu erlauben, wobei der Kurbelzapfen in Bezug auf die Längsachse versetzt ist.
  • Zum Beispiel kann die Laserquelle in einer ersten Richtung, vorzugsweise vertikal, verschiebbar sein und kann die Kurbelwelle in einer zweiten Richtung, vorzugsweise horizontal, verschiebbar sein, wobei die erste und die zweite Richtung senkrecht zur Längsachse sind. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserquelle ferner parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verschiebbar sein, um so nacheinander auf eine Mehrzahl von Zapfen der Kurbelwelle wirken zu können. Die Laserquelle kann einen Laser umfassen, wie ein Faserlaser oder einen anderen Laser, der zum schnellen Ein/Ausschalten ist und/oder zum schnellen Schalten zwischen zum Beispiel Strahl-Leistungspegeln, um so für ein schnelles Schalten zwischen Leistungspegeln in der Lage zu sein, wenn der Laserspot mit Abtastmuster mit Segmenten folgt, die in unterschiedliche Leistungszustände, d. h. gewünschte Leistungsniveaus, zugeordnet sind.
  • Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit umfassen, die einen Speicher zum Speichern von Parameterwerten umfassen, die dem Abtastmuster zugeordnet sind, das eine Mehrzahl von Sätzen von Parameterwerten umfasst, wobei ein erster Satz der Parameterwerte eine erste zweidimensionale Energieverteilung auf einem Zapfen der Kurbelwelle bestimmt und ein zweiter Satz der Parameterwerte eine zweite zweidimensionale Energieverteilung auf dem Zapfen bestimmt. Das Steuersystem kann so angeordnet sein, dass dieses einen ersten Satz Parameterwerte während des Härtens eines wesentlichen Teils eines Zapfens einer Kurbelwelle anwendet und den zweiten Satz Parameterwerte anwendet, wenn ein Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch erwärmt wird. Es ist klar, dass weitere Sätze von Parameterwerten vorhanden sein können. Somit kann zum Beispiel während der Drehung der Kurbelwelle um eine Längsachse der Kurbelwelle die zweidimensionale Energieverteilung dynamisch angepasst werden, um so ein Überhitzen wärmeempfindlicherer Unterbereiche zu vermeiden. Die Parameterwerte können einen der oben diskutierten Parameterwerte enthalten, einschließlich der Strahlleistung und der Abtastgeschwindigkeit.
  • Die Steuereinheit kann so angeordnet, dass diese den Härtungsprozess während der Drehung der Kurbelwelle um ihre Längsachse ein selektives Anwenden des ersten Satzes Parameterwerte und des zweiten Satzes Parameterwerte und, optional, weitere Sätze von Parameterwerten, die im Speicher gespeichert sind, synchron mit dem Auftreten eines wärmeempfindlicheren Unterbereichs in Bezug zu dem zweidimensionalen Abtastmuster, wie etwa innerhalb oder angrenzend an den Bereich, der durch das das Abtastmuster abgedeckt ist. Das heißt, die Steuereinheit verändert zum Beispiel die zweidimensionale Energieverteilung, wenn der an ein Ölschmierungsloch angrenzende Bereich erwärmt werden soll, das heißt, wenn zum Beispiel das Ölschmierungsloch während der Drehung der Kurbelwelle an den Bereich, der gegenwärtig durch den Laserstrahl abgepasst wird, ankommt.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es das Abtastmuster ein segmentiertes Abtastmuster sein, das eine Mehrzahl von Segmenten umfasst, denen jeweils wenigstens einer der Parameterwerte zugeordnet wurde. Dieser kann wenigstens auf eines von Abtastgeschwindigkeit, Größe des Laserspots, Leistung des Laserstrahls, Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls, Länge des korrespondierenden Segments und Ausrichtung des korrespondierenden Segments hinweisen. Zum Beispiel kann eine geeignete Auswahl der Abtastgeschwindigkeit, d. h. der Geschwindigkeit des Laserspots entlang des Segments und/oder der Leistung des Laserstrahls dazu verwendet werden, die Energieverteilung über den gesamten vom Abtastmuster abgedeckten Bereich zu bestimmen. Einige der Vorteile des Segmentansatzes zum Implementieren einer dynamischen variablen Energieverteilung und zum Anpassen derselben an eine Kurbelwelle wurden oben erläutert.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vorrichtung zum Durchführen eines Abtastvorgangs mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von wenigstens 300 Segmenten pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000 Segmenten pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000 Segmenten pro Sekunde angeordnet sein. Wie oben erläutert kann die Anzahl von Segmenten pro Sekunde nützlich sein, um ein Abtastmuster mit einer vernünftigen Anzahl von Segmenten zu kombinieren, wie etwa zum Beispiel 6 oder mehr, bei einer kurzen Zyklusdauer, das heißt, einer hohen Wiederholungsrate für den Abtastvorgang, zum Bespiel für 50 Hz oder 100Hz.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Maschine oder auf eine Vorrichtung zum Härten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks. Der Ausdruck „Oberflächenbereich“ ist weit zu interpretieren: diese kann sich auf einen Teil der Oberfläche des Werkstücks oder auf die gesamte Oberfläche des Werkstücks beziehen; diese kann sich zum Beispiel auf die Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle oder auf einen Teil der Oberfläche beziehen. Es ist klar, dass die Maschine zum Härten von mehr als einen Oberflächenbereich des Werkstücks nützlich sein kann, zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle kann die Maschine so angeordnet sein, dass diese die Oberflächen oder den größten Teil der Oberflächen mehrerer oder alle der Hauptzapfen und/oder Kurbelzapfen härten. Der Oberflächenbereich (oder wenigstens einer der Oberflächenbereiche) umfasst wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich.
  • Die Vorrichtung umfasst eine Laserquelle, die so angeordnet ist, dass diese einen effektiven Laserspot auf den Oberflächenbereich projiziert (durch ein einfaches Richten eines Strahls, der so konfiguriert ist, dass dieser einen gewünschten Querschnitt hat, auf den Oberflächenbereich oder durch Erzeugen eines virtuellen oder äquivalenten effektiven Laserspots, durch Abtasten eines „realen“ Laserspots entlang eines Abtastmusters auf dem Oberflächenbereich), und Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Oberflächenbereich und dem effektiven Laserspot (in einigen Ausführungsformen der Erfindung umfassen diese Mittel ein Drehen des Werkstücks um eine Achse oder bestehen daraus, um so den effektiven Laserspot um einen Teil des Werkstücks umstreifen zu lassen, wie etwa um einen Zapfen einer Kurbelwelle), sodass der effektive Laserspot entlang des Oberflächenbereichs bewegt wird, um so nacheinander und fortschreitend unterschiedliche Bereiche oder Teile des Oberflächenbereichs auf eine für Härtungsvorgang geeignete Temperatur zu erwerben. Das heißt, wenn der effektive Laserspot entlang des Oberflächenbereichs vorrückt, zum Beispiel in der Umfangsrichtung des Zapfens einer Kurbelwelle oder entlang eines solchen Zapfens – von einem Ende desselben zum anderen Ende desselben, in Längsrichtung der Kurbelwelle –, erwärmt der effektive Laserspot fortschreitend neue Bereiche, während vorher erhitzte Bereiche abkühlen können, wodurch erlaubt wird, dass ein Abschrecken stattfindet. Der effektive Laserspot ist so angeordnet, dass dieser eine zweidimensionale Energieverteilung durchführt, zum Beispiel kann die Energie mehr oder weniger gleichmäßig quer und längs des effektiven Laserspots verteilt sein, oder es kann mehr Energie/Leistung auf die Oberfläche in einigen Bereichen des effektiven Laserspots aufgebracht werden als in anderen Bereichen des effektiven Laserspots.
  • Die Vorrichtung umfasst ferner ein Steuersystem, wie etwa ein elektronisches Steuersystem mit einer oder mehrerer programmierbaren Einrichtungen, zum Steuern des Betriebs der Vorrichtung, wobei das Steuersystem so angeordnet ist, dass dieses die zweidimensionale Energieverteilung so modifiziert, dass diese in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich anders ist als in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich. Dadurch kann das Erwärmen des Oberflächenbereichs optimiert werden, um so eine gewünschte Härtungstiefe und -qualität um den ganzen oder größten Teil des zu härtenden Oberflächenbereichs zu erlangen und ein Überhitzen wärmeempfindlicherer Unterbereiche zu verhindern, während gleichzeitig ein ausreichendes Erhitzen der weniger wärmeempfindlichen Unterbereiche erlaubt ist. Die Ausdrücke „wärmeempfindlicher“ und „weniger wärmeempfindlicher“ sollen breit interpretiert werden und beziehen sich ganz allgemein auf unterschiedliche Oberflächenbereiche, die aufgrund ihrer Eigenschaften durch den effektiven Laserspot weniger Energie oder mehr Energie empfangen sollten. Zum Beispiel kann ein weniger wärmeempfindlicher Unterbereich ein Bereich sein, der mehr Energie benötigt, um eine gewünschte Härtung zu erreichen, als der wärmeempfindlichere Unterbereich, welcher weniger Energie empfangen sollte, zum Beispiel um eine Beschädigung zu vermeiden oder einfach weil weniger Erwärmung benötigt wird, um die gewünschte Härtung zu erreichen, zum Beispiel aufgrund der Struktur des Werkstücks.
  • Der Bezug auf eine Laserquelle impliziert das Vorhandensein wenigstens einer Laserquelle, schließt aber nicht das Vorhandensein weiterer Laserquellen aus, die verwendet werden können, um gemeinsam einen effektiven Laserspot zu bilden und/oder eine Mehrzahl unterschiedlicher effektiver Laserspots zu erzeugen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst der wenigstens eine wärmeempfindliche Unterbereich
    • – einen Bereich angrenzend an ein Loch im Oberflächenbereich, wie einem Ölschmierungsloch; und/oder
    • – eine Auskehlung, wie eine hinterschnittene Auskehlung; und/oder
    • – ein vorher gehärteter Teil des Oberflächenbereichs, wie etwa der Teil an welchem der effektive Laserspot am Ende einer 360° Bewegungsbahn entlang des Umfangs eines Gegenstands, wie etwa einem zylindrischen Zapfen einer Kurbelwelle, ankommt.
  • Der weniger wärmeempfindliche Unterbereich kann zum Beispiel mit der Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle korrespondieren, der von den Ölschmierungslöchern entfernt liegt und/oder von den Auskehlungen entfernt liegt und/oder einem Teil entfernt liegt, das vorher gehärtet wurde.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung so konfiguriert oder programmiert, dass diese so arbeitet, dass der effektive Laserspot eine Größe hat und sich entlang des Oberflächenbereichs mit einer Geschwindigkeit so bewegt, dass während wenigstens eines Teils der Bewegung des effektiven Laserspots entlang des Oberflächenbereichs, vorzugsweise während wenigstens 50% und ganz bevorzugt wenigstens 90% und noch bevorzugter während 100% der Bewegung des effektiven Laserspots entlang des Oberflächenbereichs, durch den effektiven Laserspot gehärtete Teil innerhalb des Oberflächenbereichs für wenigstens 0,5 s, vorzugsweise wenigstens 1 s erhitzt werden. Es hat sicher herausgestellt, dass dies dabei helfen kann, dass für viele Anwendungen eine ausreichende Tiefe der gehärteten Schicht erreicht wird. Eine ausreichend lange Erwärmungsdauer kann erwünscht sein, um der Wärme zu erlauben, genügend in das Material einzuwirken. Zeiten von wenigstens 0,5 bis 1 Sekunde, optional weniger als 5 Sekunden oder sogar weniger als 3 Sekunden können für zum Beispiel das Härten von Zapfen von Kurbelwellen geeignet sein, um eine ausreichende Wärmeeindringung zu erlauben, um Härtungstiefen zu erreichen, die üblicherweise in zum Beispiel in der Automobilindustrie gefordert werden, während gleichzeitig nicht so hohe Temperaturen benötigt werden, dass diese die Qualität der Härtung negativ beeinflussen, zum Beispiel Temperaturen nahe oder über der Schmelztemperatur des Werkstücks. In einigen dieser Ausführungsformen der Erfindung ist die Größe des effektiven Laserspots in der Richtung, in welcher sich der effektive Laserspot entlang des Oberflächenbereichs bewegt (wie etwa in Umfangsrichtung eines Zapfens einer Kurbelwelle, wenn der effektive Laserspot umfänglich um den Zapfen herum verschoben wird, zum Beispiel durch Rotation der Kurbelwelle um deren Längsachse) wenigstens 5 mm, vorzugsweise wenigstens 7 mm, ganz bevorzugt wenigstens 10 mm und noch bevorzugter wenigstens 15 mm, 20 mm, 30 mm oder mehr, wie etwa 50 mm. Die Notwendigkeit jedem zu härtenden Teil über eine ausreichende Zeitdauer erwärmt zu halten, wie etwa wenigstens 0,5 Sekunden oder wenigstens 1 Sekunde, beschränkt die Geschwindigkeit, mit welcher sicher der effektive Laserspot entlang des zu härtenden Oberflächenbereichs bewegen kann. Wenn ein effektiver Laserspot die typische Größe eines Laserspots mit einem Durchmesser oder einer Breite in der Größenordnung von nur einigen wenigen Millimetern hat, würde die erforderliche Dauer des Erwärmens implizieren, dass sich der Laserspot entlang des zu erhärtenden Oberflächenbereichs mit einer ziemlich niedrigen Geschwindigkeit zu bewegen hätte, was zum Beispiel die Produktivität in Bezug auf Werkstücken pro Stunde negativ beeinflussen würde. Somit kann das Verwenden eines effektiven Laserspots mit einer größeren Länge oder Breite in der Richtung, in welcher sich der effektive Laserspot entlang des zu härtenden Oberflächenbereichs bewegt, die Produktivität steigern, da sich der effektive Laserspot mit einer höheren Geschwindigkeit bewegen kann und gleichzeitig noch für eine ausreichende Erwärmungsdauer gesorgt ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung so angeordnet, dass diese den effektiven Laserspot durch Erzeugen einer Mehrzahl von Segmenten des effektiven Laserspots erzeugt, wobei die Mehrzahl von Segmenten wenigstens sechs Segmente umfasst, wobei das Steuersystem so angeordnet ist, dass dieses die zweidimensionale Energieverteilung durch ein selektives Modifizieren der Energiedichte und/oder Verteilung der Segmente modifiziert (das heißt, die Energie, die jedem Segment während einer bestimmten Zeitdauer entspricht, wie etwa im Falle von Segmenten eines Abtastmusters, eines Abtastzyklus), und in Übereinstimmung mit Parameterwerten, die den Segmenten zugeordnet sind, wobei die Parameterwerte in einem Speicher des Steuersystems gespeichert sind. Wie oben erläutert impliziert der Segmentansatz wichtige Vorteile, zum Beispiel aufgrund der Flexibilität und Einfachheit, mit welcher unterschiedliche Energieverteilungsmuster erzeugt werden können, um die Erwärmung des Oberflächenbereichs an Eigenschaften des Oberflächenbereichs anzupassen. Falls zum Beispiel ein einfaches Muster mit sechs Segmenten verwendet wird, die in zwei Reihen mit jeweils drei Segmenten angeordnet sind, kann ein Reduzieren der Leistung von einem oder beider der zentralen Segmente, wenn der effektive Laserspot ein Ölschmierungsloch erreicht, das in der Mitte eines Zapfens einer Kurbelwelle, die gehärtet wird, platziert ist, die die angrenzend an das Ölschmierungsloch aufgebrachte Energie im Vergleich zu der Energie reduzieren, die an umgebend Teil der Oberfläche des Zapfens aufgebracht wird, wodurch die Gefahr eines Überhitzens des Bereichs angrenzend an Ölschmierungsloch reduziert wird, während gleichzeitig ein adäquates Härten der Oberfläche auch weiter weg von dem Ölschmierungsloch beibehalten wird, wie etwa an den Seiten des Ölschmierungsloches, fern von Kanten des Ölschmierungslochs. Eine große Anzahl von Segmenten kann für eine sehr präzise Einstellung der zweidimensionalen Energieverteilung an die Wärmeempfindlichkeit Eigenschaften der zu härtenden Oberfläche sorgen. Die Segmente können zum Beispiel in einer Anordnung mit Zeilen und Spalten von Segmenten angeordnet sein.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Laserquelle eine Abtasteinrichtung, die zum zweidimensionalen Abtasten eines Laserstrahls der Laserquelle angeordnet ist, wobei das Steuersystem zum Abtasten des Laserstrahls in zwei Abmessungen angeordnet ist, um so den effektiven Laserspot zu erzeugen, einen Abtastmuster folgen (im Falle eines segmentierten effektiven Laserspots kann das Abtastmuster in vielen Ausführungen der Erfindung eine Mehrzahl von Segmenten umfassen), wobei das Abtastmuster mit einer Wiederholungsrate von wenigstens 10 Hz, vorzugsweise wenigstens 50 Hz, ganz bevorzugt wenigstens 100 Hz und noch bevorzugter wenigstens 200 Hz wiederholt wird. Das Abtasten des Laserstrahls, um so einen kleinen Laserspot entlang und quer des Oberflächenbereichs zu bewegen, um so den größeren effektiven Laserspot zu erzeugen, ist vorteilhaft, da dies für eine größere Flexibilität hinsichtlich der Energieverteilung über den gesamten effektiven Laserspot sorgt. Andererseits erlaubt eine hohe Wiederholungsrate des Abtastmusters:
    • – eine relative große Größe des effektiven Laserspots, die etwa eine oder mehr cm2, wodurch andererseits eine relativ große Weite des Laserspots in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des effektiven Laserspots erlaubt wird. Zum Beispiel im Falle des Härtens von Zapfen einer Kurbelwelle, bei dem sich der effektive Laserspot in Umfangsrichtung bewegt, kann der effektive Laserspot eine relative große Breite in der Richtung quer der Zapfen haben (das heißt, in Längsrichtung der Kurbelwelle), sodass sich der effektive Laserspot über einen großen Teil oder die gesamte Breite des Zapfens erstrecken kann, sodass der gesamte Oberflächenbereich des Zapfens erwärmt werden kann, indem der effektive Laserspot einmal um den Zapfen herumgeht. Andererseits kann gleichzeitig die Größe des effektiven Laserspots in jeder Bewegungsrichtung des effektiven Laserspots entlang des zu härtenden Oberflächenbereichs auch groß genug sein, um für eine Bewegung mit einer relativ hohen Geschwindigkeit in Kombination einer ausreichenden Dauer der Erwärmungsvorgangs zu erlauben, wie dies oben erläutert wurde.
    • – Gleichzeitig werden wesentliche Temperaturschwankungen innerhalb des gerade erwärmten Bereichs vermieden, was aus den oben genannten Gründen vorteilhaft ist: eine hohe Wiederholungsrate stellt sicher, dass ein erwärmter Bereich wieder erwärmt werden kann, bevor die Temperatur, auf welche dieser vorher erwärmt wurde, zu stark absinken konnte.
  • Das Abtastmuster kann in Form von einander angrenzenden Segmenten vorliegen, die eine Schleife bilden, oder in Form einer Mehrzahl von Linien, wie parallele Linien, oder dieses kann jede andere geeignete Konzentration haben. Ein Anpassen der zweidimensionalen Energieverteilung kann ein Anpassen der Längen und/oder Positionen einiger oder aller der Segmente beinhalten.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung sind die Parameterwerte ein Hinweis auf ein Strahl-/Leistungsniveau und/oder einer Abtastgeschwindigkeit eines Strahls in Bezug zu dem korrespondierenden Segment des Abtastmusters. Somit kann die zweidimensionale Energieverteilung, die zu jedem spezifischen Augenblick der Bewegung des effektiven Laserspots entlang der zu härtenden Oberflächenbereichs durch Erwärmung aufgebracht werden soll durch einen Strahl-Leistungswert und/oder eine Abtastgeschwindigkeit bestimmt werden, die jedem Segment zugeordnet ist. Die Wahl zwischen einer Option, der anderen Option oder beiden kann zum Beispiel von den Eigenschaften der Laserquelle und vom Abtastsystem abhängig sein, wie dies oben erläutert wurde. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Parameterwerte ein Hinweis über die Position oder Länge des korrespondierenden Segments sein. Auch andere Optionen sind möglich, wie dies oben erläutert wurde, und ein oder mehrere dieser Optionen können in Kombination verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zum Härten wenigstens eines Zapfens an der Kurbelwelle programmiert, wobei die Vorrichtung so programmiert ist, dass diese den effektiven Laserspot so erzeugt, dass sich dieser in der Längsrichtung der Kurbelwelle über mehr als 50% des Zapfens der Kurbelwelle, vorzugsweise über mehr als 75%, mehr als 85% oder mehr als 90% oder 95%, wie etwa mehr als 99% oder sogar 100% und insbesondere über den Hauptteil, falls dies nicht 100% sind, des zu härtenden Oberflächenbereichs erstreckt, zum Beispiel den Oberflächenbereich, bei dem eine effektive fallbezogene Härtungstiefe von zum Beispiel wenigstens 800 µm oder mehr erwünscht ist. Es ist allgemein bekannt, einen kleinen Laserspot zu verwenden, um sehr spezifische Teile einer Oberfläche einer Kurbelwelle zu härten. Die vorliegende Erfindung erlaubt jedoch das Härten von Hauptflächen (wie etwa die allgemeinen Oberflächen des Zapfens der Kurbelwelle) in einem einzigen Durchgang oder in wenigen Durchgängen, während gleichzeitig das Anpassen des Erhitzens entsprechend der Eigenschaften der Teile des gerade erwärmten Oberflächenbereichs das Vorhandensein von zum Beispiel Ölschmierungslöcher und/oder anderer wärmeempfindlicherer Unterbereiche berücksichtigt.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Steuersystem einen Speicher, der so angeordnet ist, dass diese eine Mehrzahl von Datensätzen speichert, wobei jeder der Datensätze für eine zweidimensionale Energieverteilung des effektiven Laserspots steht, wobei die Vorrichtung zum Anpassen der zweidimensionalen Energieverteilung des effektiven Laserspots ausgebildet ist während sich der effektive Laserspot entlang des Oberflächenbereichs bewegt, indem einer der Mehrzahl von Datensätzen zum Betreiben der Laserquelle verwendet wird, wenn der effektive Laserspot auf den weniger wärmeempfindlichen Unterbereich projiziert und in dem wenigstens ein anderer der Mehrzahl von Datensätze zum Betreiben der Laserquelle verbindet wird, wenn der effektive Laserspot auf den wärmeempfindlicheren Unterbereich projiziert wird. Somit kann, wenn die Vorrichtung an ein spezifisches Produkt, wie etwa eine spezifische Kurbelwelle, angepasst ist, der Benutzer adäquate Energieverteilungen für unterschiedliche Teile der Kurbelwelle bestimmen, zum Beispiel eine erste zweidimensional Energieverteilung für einen Teil eines Zapfens entfernt von einem Ölschmierungsloch und ein oder mehrere unterschiedliche zweidimensionale Energieverteilungen für Bereiche angrenzend an ein Ölschmierungsloch, die korrespondierenden Sätze von Parametern im Speicher des Steuersystems speichern und das Steuersystem programmieren, um so die Energieverteilung des effektiven Laserspots dynamisch zu modifizieren, während sich der effektive Laserspot um den Zapfen herum oder entlang desselben bewegt, und in Synchronisation mit dem Auftreten von Ölschmierungslöchern und anderen Bereichen, die eine Einstellung benötigen, in welcher Weise das Erwärmen ausgeführt wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren des Laserhärtens von wenigstens einem Oberflächenbereich eine Werkstücks, wie einer Kurbelwelle, mit dem Schritt des Erwärmens des Oberflächenbereichs des Werkstücks auf eine Temperatur zum Härten unter Verwendung einer Vorrichtung, wie es oben beschrieben wurde, und dem Schritt der erwärmten Teilen des Oberflächenbereich zu erlauben, sich abzukühlen, um ein Abschrecken zu erzeugen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle mit einer Mehrzahl von Zapfen, wobei wenigstens eine der Zapfen eine Oberfläche hat, die durch ein Verfahren gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte der Erfindung gehärtet wurde.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Programmieren einer Vorrichtung, wie in den oben beschriebenen, zum Laserhärten von Zapfen einer Kurbelwelle, mit den Schritten
    Zuordnen von auf die Energieverteilung bezogenen Parameterwerten, wie etwa einer Laserstrahlleistung und/oder einer Abtastgeschwindigkeit und/oder einer Länge eines Segments und/oder einer Ausrichtung eines Segments, zu einer Mehrzahl von Segmenten (wie etwa Segmenten eines durch den Laserstrahlspot zu folgenden Abtastmusters, um den effektiven Laserspot einzurichten), um so eine Mehrzahl von Datensätzen zu erstellen, wobei jeder Datensatz einer spezifischen zweidimensionalen Energieverteilung eines effektiven Laserspots entspricht, der auf einen zu härtenden Oberflächenbereich projiziert werden soll und entlang des Oberflächenbereichs verschoben werden soll,
    Speichern der Datensätze,
    Programmieren der Vorrichtung, um die Energieverteilung des effektiven Laserspots in Synchronisation mit der Bewegung des effektiven Laserspots entlang des Oberflächenbereichs anzupassen, indem die Energieverteilung in Übereinstimmung mit wenigstens einem der Datensätze zum Erwärmen eines weniger wärmeempfindlichen Unterbereichs des Oberflächenbereichs angepasst wird und in dem die Energieverteilung in Übereinstimmung mit wenigstens einem anderen der Datensätze zum Erwärmen wärmeempfindlicherer Unterbereiche des Oberflächenbereichs angepasst wird. Wie oben erläutert macht es der Segmentansatz für den Fachmann leicht, geeignete zweidimensionale Energieverteilungen einzurichten, diese auszuprobieren und auszuwählen und diesen unterschiedlichen Unterbereichen eines zu härtenden Bereichs zuzuordnen, zum Beispiel spezifische Datensätze, den Bereich um ein Ölschmierungsloch und andere spezifische Datensätze einen Bereich der Überlappung mit einem vorher gehärteten Bereich einer Kurbelwelle zuzuordnen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst dieses Verfahren nach dem Schritt des Erstellens eines Datensatzes den Schritt des Berechnens und Visualisierens einer korrespondierenden zweidimensionalen Energieverteilung auf einem Schirm. In vielen Fällen kann die Visualisierung dem Fachmann dabei helfen, festzustellen, ob ein ausgewählter zweidimensionaler Datensatz, der einer spezifischen Zuordnung von Parameterwerten zu Segmenten entspricht, wie etwa Segmenten eines Abtastmusters, wahrscheinlich adäquates Erwärmen des korrespondierenden Teils an der Kurbelwelle geliefert.
  • Obwohl reine mathematische Verfahren und Computer verwendet werden können, um die optimale Zuordnung von Parameterwerten zu den Segmenten zu berechnen, kann die Visualisierung ein nützliches Werkzeug in den Händen eines Fachmanns sein.
  • Es hat sich herausgestellt, dass geeignete Laser, die verwendet werden können, solche sein können, die eine hohe Strahlleistung bereitstellen, wie ein Strahl mit einer Leistung von 2kW bis 10kW (die obere und untere Grenze ist im Bereich enthalten). Solche Laser können zum Beispiel besonders geeignet sein für die Oberflächenhärtung von Kurbelwellen.
  • Typischerweise kann mit dieser Art von Laser und für den Zweck des Oberflächenhärtens zum Beispiel der Oberfläche einer Kurbelwelle der auf die zu härtende Oberfläche projizierte Laserspot vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 2 mm bis 5 mm, wie etwa 3 mm haben. Diese Art von Spot als geeignet für das Härten einer Oberfläche einer Kurbelwelle angesehen, wenn ein 2kW bis 10kW Laserstrahl genutzt wird.
  • Das Härten wird häufig vorzugsweise durchgeführt, um eine effektive Einsatztiefe der gehärteten Schicht von wenigstens 800 µm oder mehr (wie etwa wenigstens 1200 µm oder wenigstens 1500 µm oder sogar 2000 µm oder mehr) im gehärteten Bereich zu erhalten, mit Ausnahme für, optional, in der Nähe wärmeempfindlicherer Unterbereiche und/oder an den Kanten oder Endabschnitten des gehärteten Bereichs. Diese Härtungstiefen sind geeignet für zum Beispiel Kurbelwellen. Es wird angenommen, dass die beim Verwenden eines Lasers mit einer Leistung im Bereich von 2kW bis 10kW diese Härtungstiefen dadurch erreicht werden können, dass der Laserstrahl auf die Kurbelwelle für etwa 2–6 Minuten (die exakte Zeit wird abhängig sein von Eigenschaften, wie etwa Strahlleistung, zu härtender Oberflächenbereich und die Tiefe der Schicht) aufgebracht wird; durch Bearbeiten mehrerer Kurbelwellen parallel kann die Zykluszeit wesentlich reduziert werden: zum Beispiel durch ein paralleles Verarbeiten von zwei oder drei Kurbelwellen können typische Zykluszeiten in der Größenordnung von 1 Minute erreicht werden. Die erforderliche Tiefe kann typischerweise im Bereich von 800 µm bis zu 2000 µm oder mehr betragen.
  • Die Anpassungen des Abtastmusters und anderer Parameter, wie etwa der Leistung des Strahls, die Größe des Laserspots, die Abtastgeschwindigkeit und/oder der Einfall der Winkel des Laserstrahls machen es möglich, die Zeitdauer der Interaktion zwischen dem Laserstrahl und einem bestimmten Bereich zu vergrößern, was dabei helfen kann, die Tiefe der ersten Schicht zu vergrößern. Falls zum Beispiel ein gegebenes Muster in der Richtung der Relativbewegung zwischen der Laserquelle und der zu härtenden Oberfläche ausgedehnt wird und/oder falls der Einfallwinkel zwischen dem Laserstrahl und der Oberfläche reduziert wird (zum Beispiel durch ein außermittiges Anordnen des Strahls in Bezug auf eine Oberfläche eines Teils, das einen kreisförmigen Querschnitt hat, oder durch Schrägstellen des Strahls in Bezug zu einer flachen Oberfläche), kann die Dauer der Interaktion zwischen dem Strahl und einem gegebenen Punkt auf der Oberfläche vergrößert werden, was zu einer vergrößerten Tiefe der gehärteten Schicht beitragen kann.
  • Die Abtastgeschwindigkeit (das heißt, die Geschwindigkeit, mit welcher der Laserspot durch das Abtastsystem über die zu härtende Oberfläche bewegt wird) kann entlang des Abtastmusters oder -weges variiert werden, wie oben erläutert, die durchschnittliche Abtastgeschwindigkeit kann aber typischerweise im Bereich von 2000 mm/s bis zu 8000 mm/s betragen; solche Abtastgeschwindigkeiten können geeignet sein für das Oberflächenhärten von Kurbelwellen, wenn ein Laserstrahl mit einer Leistung im Bereich von 2kW bis 10kW verwendet wird.
  • Natürlich können die oben beschriebenen unterschiedlichen Aspekte miteinander kombiniert werden, wann immer sie miteinander kompatibel sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Um die Beschreibung zu vervollständigen und um für ein besseres Verständnis der Erfindung zu sorgen, wird ein Satz Zeichnungen bereitgestellt. Die Zeichnungen bilden eine integralen Teil der Beschreibung und zeigen unterschiedliche Wege zum Ausführen der Erfindung, welche nicht als den Schutzbereich beschränkend interpretiert werden sollten, sondern nur ein Beispiele, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. Die Zeichnungen umfassen die folgenden Figuren:
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle, wie sie im Stand der Technik bekannt ist.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Systems in Übereinstimmung mit einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 ist eine schematische vergrößerte Vorderansicht eines Bereichs der Laserquelle 1 und eines Bereichs eines Werkstücks, in Übereinstimmung mit einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
  • 4A und 4B sind schematische Draufsichten eines Abschnitts des Werkstücks in der Ausführungsform aus 3, zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten des Härtungsprozesses.
  • 5A und 5B sind schematische Draufsichten eines Abschnitts eines Werkstücks zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten des Härtungsprozesses in Übereinstimmung mit einer Variante der Ausführungsform der Erfindung.
  • 6A, 6B, 6C und 6D sind schematische Draufsichten virtueller Laserspots mit einem vorderen Bereich mit höheren Leistungsdichte und wenigstens einem hinteren Bereich mit geringerer Leistungsdichte.
  • 7A und 7B sind zwei schematische vergrößerte Seitenansichten im Querschnitt in der Y-Z-Ebene einer Variante des in 3 gezeigten Layouts.
  • 8 zeigt schematisch einen Polarisator, der in einigen Ausführungsformen der Erfindung als ein Teil der Laserquelle verwendet werden kann.
  • 9 zeigt schematisch ein Computersystem und ein in dem Computersystem und/oder durch dieses erzeugtes Abtastmuster.
  • 10 zeigt schematisch Speicherpositionen innerhalb des Computersystems.
  • 11 zeigt schematisch Speicherpositionen innerhalb eines Computersystems in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
  • 12A–12C zeigen schematisch, wie die Energieverteilung eines Laserspots angepasst wird, wenn der Bereich um ein Ölschmierungsloch herum gehärtet wird.
  • 13 zeigt schematisch, wie die Ausdehnung des Ölschmierungsloches in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Erfindung berücksichtigt werden kann.
  • 14A und 14B zeigen schematisch die Amplitude der Schwankung der Oberflächenfraktur eines erwärmten Bereichs in Abhängigkeit von der Frequenz, mit welcher ein Laser den effektiven Laserspot abtastet.
  • 15A und 15B zeigen schematisch, wie ein effektiver Laserspot aufgebracht werden kann, um ein Härten eines Zapfens einer Kurbelwelle durch Härten eines ringförmigen Segments davon zu erzeugen.
  • 16A, 17A und 18A repräsentieren die Energie- oder Leistungsverteilung über einen effektiven Laserspot, berechnet für ein Abtastmuster wie jeweils in den 16B und 16C, 17B und 17C, 18B und 18C.
  • 16B, 17B und 18B zeigen schematisch die Anordnung der Segmente unterschiedlicher Abtastmuster und die 16C, 17C und 18C zeigen schematisch unterschiedliche Abtastgeschwindigkeiten, die unterschiedlichen Segmenten des Musters zugeordnet sind.
  • 19A–19C zeigen schematisch die Ankunft des effektiven Laserspots an einem vorher gehärteten Bereich der Wegstrecke.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • 2 zeigt ein System in Übereinstimmung mit einer möglichen Ausführungsform der Erfindung. Das System umfasst eine Rahmenstruktur, in der eine Laserquelle 1 aufgenommen ist, die auf einem Laserschlitten 11 montiert ist, welcher durch eine erste Laserschlitten-Antriebseinrichtung 12, zum Beispiel durch einen Servomotor oder eine andere Art Antriebseinrichtung, in der vertikalen Richtung, parallel zu einer Z-Achse Systems verschiebbar ist. Andererseits kann die Laserquelle 1 auch horizontal angetrieben werden, parallel zu einer horizontalen X-Achse des Systems, entlang eines horizontalen Weges 14, angetrieben durch eine zweite Laserschlitten-Antriebseinrichtung 13, wie etwa einen weiteren Servomotor oder eine weitere geeignete Antriebseinrichtung.
  • Andererseits umfasst das System zwei Werkstück-Schlitten 20, wobei jeder Werkstück-Schlitten in der Lage ist, zwei Werkstücke 1000 parallel aufzunehmen (in dieser Ausführungsform sind die Werkstücke Kurbelwellen), und mit einer Antriebseinrichtung (nicht gezeigt) zum Drehen jedes Werkstücks entlang einer Mittelachse (in dieser Ausführungsform korrespondiert die Mittelachse mit der durch die Zentren der Hauptzapfen der Kurbelwelle hindurch gehenden Längsachse), wobei die Achsen parallel zu der X-Achse des Systems sind. Andererseits ist jeder Werkstück-Schlitten 20 mit einer Werkstück-Schlitten-Antriebseinrichtung 21 verbunden (wie etwa einem Servomotor oder einer anderen geeigneten Antriebseinrichtung), die so angeordnet ist, dass diese den Werkstück-Schlitten horizontal verschiebt, parallel zu einer Y-Achse des Systems, senkrecht zu der X-Achse.
  • Die Bezugnahmen auf die horizontale und die vertikale Richtung werden nur verwendet, um die Erläuterung zu vereinfachen, und jede andere Ausrichtung der Achsen ist natürlich möglich und liegt im Schutzbereich der Erfindung.
  • Im folgenden Fall wird die Laserquelle 1 zuerst verwendet, um relevante Teile der Oberfläche eines der Werkstücke 1000 in einem ersten der Werkstück-Schlitten 20 zu härten. Dann wird diese dazu verwendet, die relevanten Teile der Oberfläche des anderen Werkstücks 1000 in dem ersten der Werkstück-Schlitten 20 zu härten und dann wird diese entlang des Weges 14 bewegt, um den zweiten der Werkstück-Schlitten 20 zugewandt zu sein und die Oberflächen der darin angeordneten Werkstücke 1000 zu härten. Während die Laserquelle 1 an den Werkstücken in dem zweiten der Werkstück-Schlitten arbeitet, können die Werkstücke in dem ersten der Werkstück-Schlitten entladen und durch neue Werkstücke ersetzt werden, die durch die Laserquelle behandelt werden sollen, und umgekehrt.
  • Es ist klar, dass es viele alternative Möglichkeiten gibt. Zum Beispiel kann nur ein Werkstück pro Werkstück-Schlitten vorhanden sein oder es können mehr als zwei Werkstücke pro Werkstück-Schlitten vorhanden sein. Es kann eine Laserquelle pro Werkstückschlitten vorhanden (d.h. ein zweiter Laserquellen-Schlitten mit korrespondierender Laserquelle kann der Führungsbahn 14 hinzugefügt werden). Zudem können mehrere Anordnungen, wie die in 2, oder Varianten davon, parallel angeordnet sein. Zudem kann jeder Laserschlitten 11 mit mehr als einer Laserquelle 1 versehen sein, sodass mehrerer Werkstücke in einem Werkstückschlitten der Laser-Härtungsbehandlung gleichzeitig ausgesetzt werden können. Die Beziehung zwischen der Anzahl von Laserquellen, der Anzahl von Werkstück-Schlitten und der Anzahl von Werkstücken kann so gewählt werden, dass die Verwendung größerer Teile des Systems optimiert wird und die Produktivität so optimiert wird, indem zum Beispiel ein Beladen und Entladen von Werkstücken ohne eine Unterbrechung des Betriebs des Systems erlaubt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mehrzahl von Laserquellen dazu verwendet werden, Laserstrahle gleichzeitig auf die gleiche Kurbelwelle zu richten, zum Beispiel um gleichzeitig auf unterschiedliche Zapfen der Kurbelwelle oder auf denselben Zapfen der Kurbelwelle einzuwirken.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung bewegt sich die Laserquelle, wenn das Werkstück einer Kurbelwelle 1000 mit Hauptzapfen 1001 und Kurbelzapfen 1002 ist während der Wärmebehandlung der Hauptzapfen 1001 der Kurbelwelle nicht in den Richtungen der Z-Achse und bewegt sich der Werkstück-Schlitten nicht in der Richtung Y-Achse, da die Oberfläche des Hauptzapfens kreisförmig ist und symmetrisch um die Rotationsachse der Kurbelwelle ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann es eine Bewegung der Laserquelle und/oder der Werkstücke entlang der X-Achse geben (falls es notwendig ist, die Laser-Wärmebehandlung entlang der gesamten Erstreckung des Hauptzapfens in der Richtung der X-Achse anzuwenden. Dies hängt von der Leistungskapazität der Laserquelle und der Kapazität der Abtasteinrichtung ab (nicht gezeigt), um den Laserstrahl in der Richtung der X-Achse zu verschieben. Falls der Laserstrahl über den Weg des Hauptzapfens 1001 entlang seiner Erstreckung in Richtung der X-Achse abtastend bewegt werden kann, mag es keinen Bedarf dahingehend geben, die Laserquelle 1 während der Wärmebehandlung von zum Beispiel einem der Hauptzapfen 1001 einer Kurbelwelle in Richtung der X-Achse zu verschieben, sondern nur, wenn von einer Behandlung eines Zapfens zur Behandlung eines anderen umgeschaltet wird; das gleiche gilt für die Wärmebehandlung von zum Beispiel den Kurbelzapfen 1002 einer Kurbelwelle.
  • Während der Wärmebehandlung eines Kurbelzapfens 1002, deren Mittelachse radial von den Mittelachsen der Hauptzapfen versetzt ist, wird jedoch während der Drehung des jeweiligen Kurbelwellen-Werkstücks 1000 in Werkstück-Schlitten 20 die Laserlichtquelle 1 vertikal parallel zur Z-Achse bewegt und Werkstück-Schlitten 2 horizontal parallel zur Y-Achse bewegt, um so einen konstanten Abstand zwischen der Laserquelle (wie etwa den Ausgang der Lasereinrichtung der Laserquelle oder der Oberfläche einer Linse) und der Oberfläche, auf welche der Laserstrahl projiziert wird, zu halten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kurbelwelle parallel zur Z- und Y-Achse bewegt werden. Zudem oder alternativ kann die Laserquelle so angeordnet sein, dass diese parallel zur Z- und Y-Achse bewegbar ist. Der Betrieb der ersten 12 und zweiten 13 Laserschlitten-Anstriebseinrichtung sowie der Betrieb der Werkstück-Schlitten-Antriebseinrichtung 21 und der Antriebseinrichtung zum Drehen der Werkstücke 1000 in den Werkstück-Schlitten 20 können durch eine elektronische Steuereinrichtung, wie etwa einem Computer, einem Computersystem oder einem PLC (in 2 nicht gezeigt), gesteuert werden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Laserquelle 1 ein Abtastsystem, das zum Modifizieren der Richtung des Laserstrahls angeordnet. Solche Abtastsysteme sind im Stand der Technik allgemein gekannt und umfassen häufig ein oder mehrere Abtastspiegel, deren Winkel in Übereinstimmung mit Abtastfunktionen und der Steuerung eines Computers modifiziert werden können, wie etwa Sinusfunktionen, triangulare Funktionen etc. Ein einachsiges Abtastsystem (zum Beispiel ein Abtastsystem mit einem um eine Achse schwenkbaren Abtastspiegel oder dergleichen) kann verwendet werden, um den Laserstrahl parallel zur X-Achse abtastend zu bewegen, d. h. senkrecht zur Bewegungsrichtung der Oberfläche des Werkstücks 1000 relativ zur Laserquelle 1, wegen der Drehung des Werkstücks 1000. Ein schnelles Abtasten über den relevanten Bereich der Oberfläche kann somit einen virtuellen Spot mit einer viel größeren Erstreckung in der X-Richtung als der Erstreckung des Spots ohne Abtastung erzeugen: somit wird der ursprüngliche Spot in einen breiteren virtuellen Spot verändert (mit einer größeren Erstreckung in der X-Richtung), aber mit einer kleineren Leistungsdichte, da die Leistung des Strahls über einen größeren Bereich verteilt wird.
  • Mit einem zweiachsigen Abtastsystem (zum Beispiel mit einem Abtastsystem, das einen biaxialen Spiegel oder zwei uniaxiale Spiegel hat) kann der Laserstrahl in zwei Richtungen bewegt werden, zum Beispiel einerseits parallel zur X-Achse und andererseits parallel zur X-Achse oder Kombinationen davon. Somit kann neben einem Abtasten der Oberfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Oberfläche relativ zur Laserquelle, d. h. neben einem Abtasten der Oberfläche „entlang“ der Oberfläche der Zapfen in Richtung der X-Achse, der Laserstrahl auch die Oberfläche in Richtung seiner Bewegung abtasten, d. h. parallel zur Y-Achse; dadurch kann die Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle auch in der Umfangsrichtung des Zapfens abgetastet werden. Zudem kann der Laserstrahl Wege beschreiben, die eine Bewegung in der X-Richtung und der Y-Richtung kombinieren (d. h. wenn dieser auf dem kreisförmigen Zapfen einer Kurbelwelle projiziert wird, in Umfangsrichtung W, s. zum Beispiel 12A–12B). Dadurch kann der Strahl Wegen mit komplexen Formen folgen, wie etwa Rechtecken, Ovalen, Trapezoiden etc. Der Laserspot kann über die Oberfläche abtastend bewegt werden, um ein virtuell gefülltes Rechteck mit einer wesentlichen Höhe in der Y-(oder W-)Richtung (zum Beispiel durch Nachfolgen eines Mäandermusters innerhalb einer rechtwinkligen Grenze oder sich nachfolgend einer Mehrzahl von separaten Linien innerhalb der Grenze) oder um die Kanten eines Rechtecks oder einer anderen geometrischen Figur wiederholt zu umfahren. Somit kann unter Verwendung der Kapazität des Abtastsystems ein virtueller oder äquivalenter effektiver Laserspot erzeugt werden, der eine gewünschte Ausbildung und Form hat, sowohl in der X-Richtung als auch in der Y- oder W-Richtung. Im Falle eines sogenannten X-Scanners, zusätzlich zu der Möglichkeit einer Bewegung in der X- und Y-Richtung ist eine Fokussierlinse vorgesehen, die durch irgendeine Art von Antriebseinrichtung in der Z-Richtung verstellt werden kann, wodurch die dynamische Anpassung der Größe des Laserspots ermöglicht wird. Dadurch können sowohl die Position des Spots als auch seine Größe gesteuert und so angepasst werden, dass der Härtungsprozess optimiert wird. Zudem kann als eine Alternative oder zusätzlich zu der Verstellung einer Fokussierlinse oder dergleichen die Größe des Laserspots gesteuert und dadurch angepasst werden, dass die Laserquelle parallel zur Z-Achse bewegt wird, und zwar unter Verwendung der Laserschlitten-Antriebseinrichtung. Zudem kann das System Mittel zum Variieren der Verteilung der Leistung innerhalb des Laserspots umfassen, wie dies zum Beispiel bekannt ist aus der oben erwähnten DE-3905551-A1 .
  • 3 zeigt schematisch die Laserquelle 1 mit einem schematisch dargestellten zweiachsigen Abtastsystem 3, das auf einem biaxialen Spiegel oder uniaxialen Spiegels basiert und so angeordnet ist, dass dieses einkommenden Laserstrahls 2 in der vertikalen Ebenen parallel zur X-Achse und in der vertikalen Ebene parallel zur Y-Achse ablenkt; der Winkel α wird repräsentiert die in maximaler Reichweite in der vertikalen Ebene parallel zur X-Achse und der Winkel β repräsentiert die maximale Reichweite in der Ebene parallel Y-Achse. Die 3 zeigt schematisch eine Laserquelle 1, die oberhalb eines Werkstücks angeordnet ist und insbesondere oberhalb des Hauptzapfens 1001 einer Kurbelwelle, welche ein Ölschmierungsloch 1003 umfasst und welche in dem Werkstück-Schlitten (nicht gezeigt) in der Richtung gedreht wird, die durch den Pfeil angegeben ist. Schematisch ist in 3 ein Bereich oder Abschnitt 1006 dargestellt, der von dem Laserspot beim Abtasten des Laserstrahls gestreift wird. Somit kann unter Verwendung dieser Art einer Laserquelle ein kleiner auf die Oberseite des Werkstücks produzierter Laserspot durch einen großen virtuellen oder äquivalenten Spot, der durch wiederholtes Abtasten bei hoher Geschwindigkeit eines Musters mit einer gewünschten Form erhalten wird, in dem Abschnitt 1006 versetzt werden, welcher durch die maximale Reichweite bestimmt wird, die durch das Abtastsystem in Übereinstimmung mit den Winkeln α und β erlaubt ist. Auf diese Weise kann anstelle eines Erwärmens eines einzelnen kleinen Spots mit dem Laserstrahl ein großer Bereich während einer Zeitdauer durch Abtasten des Bereichs innerhalb des Laserstrahls erhitzt werden (aber mit weniger Leistung pro Flächeneinheit). Oder mit anderen Worten: anstelle des Bereitstellens eines großen Spots (wie etwa ein großer rechtwinkliger Spot) durch Verwenden von zum Beispiel einer geeigneten feststehenden Optik, kann eine korrespondierende Leistungsverteilung durch Abtasten eines kleineren oder leistungsintensiveren Spots über eine große Fläche erhalten werden. Dies beinhaltet einen wichtigen Vorteil: es sorgt für die Möglichkeit einer dynamischen Aufbringung unterschiedlicher Energiemengen auf unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche, in dem das Abtastmuster, die Geschwindigkeit der Abtastbewegung, die Leistung des Strahls und/oder die Größe des Spots in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedlicher Bereiche der Oberfläche angepasst wird, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit gegenüber Wärme und der Gefahr einer Beschädigung durch ein Überhitzen. Zum Beispiel kann ein Abtastmuster, eine Abtastgeschwindigkeit, eine Strahlleistung und/oder eine Laserspotgröße so gewählt werden (und dynamisch während des Härtungsprozesses angepasst werden), dass diese die Menge der auf die Oberfläche in der Nähe der Ölschmierungslöcher oder in der Nähe hinterschnittener Auskehlungen aufgebracht wird, begrenzt wird. Um eine adäquate Härtungstiefe und -qualität zu erreichen, wird das Abtasten wiederholt und vorzugsweise mit einer hohen Frequenz durchgeführt, wie etwa mehr als 10 Hz oder ganz bevorzugt mehr als 50, 100, 150, 200 oder 250 Hz, um so wesentliche Schwankungen der Temperatur innerhalb des erwärmten Bereichs zu vermeiden.
  • Die 4A und 4B zeigen Draufsichten eines Bereiches einer Kurbelwelle, nämlich eines Hauptzapfens 1001 der Kurbelwelle, während zwei unterschiedlichen Stufen eines Härtungsprozesses. Die Kurbelwelle wird in den Werkstück-Schlitten (nicht gezeigt) in der durch den Pfeil dargestellten Richtung gedreht.
  • In 4A bezeichnet Bezugszeichen 2A das Abtastmuster: der Laserspot folgt im Wesentlichen dem rechtwinkligen Weg 2A; in einer alternativen Ausführungsform wird der Laserspot innerhalb der im Wesentlichen rechtwinkligen Fläche 2A abtastend bewegt, zum Beispiel einem Mäandermuster oder anderen Mustern mit innerhalb der rechtwinkligen Fläche 2A folgend, um so das Rechteck zu füllen, d. h. um so auf die gesamte Fläche des Rechtecks einzuwirken. In beiden Fällen der Abtastvorgang bei hoher Geschwindigkeit durchgeführt, sodass das Ergebnis ist, dass die Projektion des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks 1001 aus Sicht des Erwärmens im Wesentlichen äquivalent zu dem Erwärmen ist, dass erreicht worden wäre, wenn der Laserstrahl in Form eines leeren Rechtecks 2A bzw. eines gefüllten Rechtecks 2A projiziert worden wäre. In 4A ist der durch den Laserstrahl gestreifte Bereich ein weniger wärmeempfindlicher Unterbereich, da das Werkstück in diesem Bereich massiv ist.
  • Nun hat 4B das Ölschmierungsloch 1003 den Abschnitt oder den Bereich erreicht, der von dem Laserstrahl gestreift wird. Der unmittelbar an das Ölschmierungsloch 1003 angrenzende Bereich ist wärmeempfindlicher, da die Kanten des Ölschmierungsloches durch Überhitzen beschädigt werden können und da die Abwesenheit von Metall in dem Loch die Kühlkörperkapazität des Werkstücks in diesem Bereich reduziert. Also wenn der Laserstrahl auf den Bereich unmittelbar angrenzend an das Ölschmierungsloch 1003 der gleichen Weise projiziert werden würde wie dieser auf die weniger wärmeempfindlichere Region projiziert wird, wie etwa in 4A, könnte eine Überhitzung mit einer Beschädigung der Kanten des Ölschmierungslochs 1003 erfolgen.
  • Deshalb wird in dieser Ausführungsform der Erfindung ein anderes Abtastmuster 2B verwendet, wenn sich das Werkstück in der in 4B gezeigten Situation befindet: in diesem Fall folgt der Laserstrahl einem Weg jeweils in Form eine großen Rechtecks 2B oder folgt einem mäandrierendem Muster oder der Mehrzahl von parallelen Linien, um die umgrenzte Fläche des großen Rechtecks 2B zu füllen. Dies impliziert, dass die Leistung von dem Laserstrahl über einen großen Bereich gestreut wird, um somit die Gefahr eines Überhitzens zu reduzieren. Mit anderen Worten: Die Modulation des Laserstrahls hinsichtlich des Abtastmusters ist in der in 4B gezeigten Situation anders als der in der 4A gezeigten Situation, um die Gefahr eines Überhitzens zu reduzieren.
  • Es ist klar, dass es keine Notwendigkeit gibt, ein rechtwinkliges Muster oder ein mäandrierendes Muster zu nutzen, das ein Rechteck füllt. Der Fachmann gemäß dem Stand der Technik ist frei, das Muster zu verwenden, das sie oder er als am günstigsten ansieht. Wenn zum Beispiel ein Faserlaser oder anderer Laser verwendet wird, der ein schnelles Ein/Aus-Schalten des Laserstrahls erlaubt, kann ein Muster verwendet werden, das eine Mehrzahl paralleler Linien umfasst, und der Abstand zwischen den Linien kann kleiner sein, wenn ein weniger wärmeempfindlicher Bereich oder Unterbereich abgetastet wird, als wenn ein wärmeempfindlicherer Bereich oder Unterbereich abgetastet wird. Oder ganz bevorzugt kann der Abstand zwischen den Linien im Wesentlichen konstant gehalten werden und nur die Leistung des Strahls und/oder die Abtastgeschwindigkeit entlang der Linien kann angepasst werden, sodass eine Abtastgeschwindigkeit größer ist und/oder die Leistung des Strahls niedriger ist in dem wärmeempfindlicheren Bereich als in dem weniger wärmeempfindlichen Bereich. Auch Kombinationen dieser Ansätze können verwendet werden. Für das Abtasten entlang einer Mehrzahl von parallelen Linien können in vielen Ausführungsformen der Erfindung polygonale Spiegel verwendet werden. Zudem oder als eine Alternative zum Modifizieren des Musters oder des durch ein Laserspot gefolgten Weges kann der Fachmann wählen, die Leistung des Laserstrahls und/oder die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls und/oder die Größe des Laserspots und/oder die Leistungsverteilung innerhalb des Laserspots zu modifizieren, um so eine adäquate Härtung mit einem akzeptablen Grad an Rückgang empfindlicher Flächen, wie der Kanten der Ölschmierungslöcher 1003 einer Kurbelwelle. Diese Art von Maßnahmen können in Bezug auf empfindliche Flächen getroffen werden, wie der hinterschnittenen Auskehlungen oder dem Bereich am Ende einer Härtungsbahn, d.h. im Grunde der Bereich, an dem, wenn das Werkstück einmal um fast 360° gedreht worden ist, sich der Laserstrahl einem Bereich annähert, der vorher durch diesen gehärtet wurde und der nicht nachfolgend wieder erwärmt werden soll, um so einen übermäßigen Temperiereffekt zu vermeiden, der zu einem unakzeptablen Härteabfall führen würde.
  • Die 5A und 5B sind Draufsichten eines Bereichs einer Kurbelwelle, nämlich einem Hauptzapfen 1001 der Kurbelwelle während zwei unterschiedlicher Stufen des Härtungsprozesses in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Was in Bezug auf die 4A und 4B angegeben wurde gilt mutatis mutandis. In 5A und 5B erstreckt sich das Abtastmuster fast über die gesamte Breite des Zapfens, im Wesentlichen von einer der Auskehlungen 1004 zu der anderen. Wie in 4A und 4B ist das Abtastmuster so ausgelegt, dass dieses eine niedrige Leistungsdichte im wärmeempfindlicheren Unterbereich um ein Ölschmierungsloch 1003 (s. 5B) herum impliziert als im weniger wärmeempfindlichen Unterbereich oder Region ferner weg von dem Ölschmierungsloch (s. 5A); in diesem Fall wird dies durch eine größere Höhe des trapezoiden Abtastmusters erreicht, wenn der Bereich um das Ölschmierungsloch 1003 herum abgetastet wird.
  • In diesem Fall wird jedoch auch der Bereich angrenzend an die Auskehlungen 1004 als wärmeempfindlicherer Bereich angesehen, zum Beispiel der Verwendung von hinterschnittenen Auskehlungen. Somit wird das Abtastmuster so angeordnet, dass für eine niedrige Leistungsdichte auch in diesem Bereich gesorgt wird; dies wird erreicht, indem ein trapezoides Abtastmuster verwendet wird, wodurch bei im Wesentlichen konstanter Abtastgeschwindigkeit weniger Energie in der Nähe der Auskehlungen empfangen wird, als wenn ein rechtwinkliges Abtastmuster verwendet würde. Analog zu dem Fall der Ausführungsform der 4A und 4B kann der Laserstrahl den Umrissen der Trapezoide 2C und 2D folgen, die in 5A oder 5B gezeigt sind, oder dieser kann Trapezoide abdecken oder füllen, zum Beispiel einen mäandrierenden Weg folgend innerhalb des Trapezoids oder einer Mehrzahl von Linien innerhalb des Trapezoids.
  • Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass diese Muster nur Beispiele sind und dass der Fachmann in der Lage sein wird, unter einer unbegrenzten Anzahl möglicher Muster zu wählen, wenn das Verfahren und das System an ein spezifisches Werkstückdesign angepasst werden soll.
  • 6A ist eine Draufsicht eines virtuellen Laserspots 5 mit einem rechtwinkligen Querschnitt und mit einem Vorderbereich 2E mit einer höheren Leistungsdichte und einem Hinterbereich 2F mit einer niedrigeren Leistungsdichte. Der virtuelle Laserspot wird durch ein wiederholtes Abtasten eines kleineren realen Laserspots erhalten, der einem mäandrierenden Muster folgt, welches den rechtwinkligen Bereich abdeckt. In diesem Fall wird die höhere Leistungsdichte erhalten, indem ein kompakteres Mäandermuster in einem ersten Teil des rechtwinkligen Bereichs verwendet und weniger kompaktes Mäandermuster in dem zweiten Teil des rechtwinkligen Bereichs verwendet. Der Fall zeigt die Richtung an, in welcher sich eine Oberfläche des Werkstücks in Beziehung zu dem virtuellen Laserspot bewegt. Auf diese Weise wird ein Teil des zu erhitzenden Werkstücks zuerst durch die Vorderkante des virtuellen Laserspots beeinflusst und wird dann eine vergleichsweise große Leistungsmenge pro Einheit des Oberflächenbereichs empfangen. Dies begünstigt ein schnelles Erhitzen, welches im Falle des Laserhärtens bedeutet, dass der Bereich des Werkstücks schnell den austenitbildenden Temperaturbereich erreichen wird. Dies bedeutet, dass für ein Laserstrahlleistung und für eine gegebenen Geschwindigkeit der zu erhitzenden Oberfläche der erhitzte Bereich des Werkstücks für eine längere Zeit auf oder über dem Temperaturbereich für eine Austenitisierung gehalten werden kann, als wenn die Leistung gleichmäßig über den virtuellen Laserspot verteilt worden wäre: wäre die Leistung gleichmäßig verteilt worden, hätte es eine längere Zeit benötigt bis die Oberfläche die Zone der Austenitisierungstemperatur erreicht hätte.
  • 6B zeigt eine alternative Ausführungsform, in welcher anstelle des Verwendens eines Mäandermusters der Laserspot einer Mehrzahl paralleler Linien folgt, um den (virtuellen oder äquivalenten) effektiven Laserspot 5 zu bilden. Die Leistung des Laserstrahls ist höher und/oder die Abtastgeschwindigkeit ist niedriger als die Linien an den Vorderbreichs 2E mit höherer Leistungsdichte im Verglich zu dem Hinterbereich 2F mit einer niedrigeren Leistungsdichte, an welchen die Leistung des Laserstrahls niedriger und/oder die Abtastgeschwindigkeit höher ist. Auf diese Weise kann die gewünschte Energieverteilung über den effektiven Laserspot 5 erhalten werden. Anstelle von Linien kann eine andere Art von Abtastmuster verwendet werden, um eine gewünschte zweidimensionale Energieverteilung zu schaffen. Das Verwenden eines Lasers, der ein schnelles Ein/Aus-Schalten des Laserstrahls und/oder eines schnelle Variation in der Leistung erlaubt, können sehr komplexe Muster verwendet werden, die eine sehr exakte Energieverteilung erlauben, welche in Übereinstimmung mit den Eigenschaften der zu härtenden Oberfläche angepasst werden kann, zum Beispiel so, dass weniger Energie in wärmeempfindlicheren Regionen oder Bereichen aufgebracht wird, wie etwa nahe an den Ölschmierungslöchern einer Kurbelwelle. Zum Beispiel kann ein Faserlaser nützlich sein, dieser Art von Energieverteilung zu implementieren, zum Beispiel in dem ein „Pixel“-Ansatz verwendet wird, durch welchen sehr spezifische Unterbereiche in Übereinstimmung mit einer gewünschten zweidimensionalen Energieverteilung erwärmt werden. Für ein schnelles Abtasten entlang paralleler Linien können polygonale Spiegel verwendet werden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
  • 6C zeigt einen effektiven Laserspot 5 mit drei unterschiedlichen Bereichen, nämlich einen ersten Bereich 2H, der eine Mehrzahl von Linien des Abtastmusters umfasst, einen zweiten Bereich 2I ohne solche Linien und einen dritten Bereich 2J, der eine Mehrzahl von Linien des Abtastmusters umfasst. Der erste Bereich 2H kann optional einen vorderen Unterbereich 2E mit einer hohen Energiedichte und hinteren Unterbereich 2F mit einer geringeren Energiedichte haben. Andererseits kann die Energiedichte in dem ersten Bereich 2I höher sein als die Energiedichte in dem dritten Bereich 2J, welche wiederum höher sein kann als die Energiedichte in dem zweiten Bereich 2I, in welchem die Energiedichte 0 oder nahe 0 sein kann. Der effektive Laserspot 5 kann durch wiederholtes Abtasten des Laserstrahls entlang aller Linien des Abtastmusters erhalten werden, indem die Abtastgeschwindigkeit und/oder die Strahlleistung und/oder ein Ein/Aus-Schalten des Laserstrahls in unterschiedlichen Segmenten einer Linie angepasst wird, um so die Energie entsprechend einer gewünschten Leistung oder eines gewünschten Energieverteilungsmusters zu verteilen. Wegen des zweiten Bereichs, an welchem keine Erwärmung stattfindet, kann der erste Bereich 2H des Abtastmusters so ausgebildet werden, dass dieser die Oberflächentemperatur des Werkstücks so schnell wie möglich auf eine hohe Temperatur, wie etwa in der Größenordnung von 1400 °C bringen kann (aufgrund der hohen Leistungsdichte an dem vorderen Unterbereich 2E) und dies dort über ein ausreichende Zeitdauer halten kann, um eine gewünschte Härtungstiefe zu erhalten (indem die Länge des ersten Bereichs 2H in der Richtung der Relativbewegung zwischen dem effektiven Laserspot und der Oberfläche des Werkstücks unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Relativbewegung richtig ausgewählt wird), kann der zweite Bereich 2I ein Abschrecken durch Kühlen des erhitzten Bereichs erlauben, wie etwa ein Selbstabschrecken, und kann der dritte Bereich 2J ein Abtastmuster, eine Geschwindigkeit und eine Strahlleistung haben, die zum Erwärmen des Werkstücks auf eine Temperatur geeignet ist, wie etwa in der Größenordnung von 400 bis 500 °C, um so den gehärteten Bereich zu temperieren. Auf diese Weise kann ein Härten und Temperieren während eines einzigen Schritts der Verstellung oder des Vorbeistreichens des effektiven Laserspots 5 über der zu härtenden und zu temperierenden Oberfläche nacheinander durchgeführt werden. Dies kann dazu dienen, die komplette Folge des Härtens und Temperierens zu beschleunigen. (Die Temperatur, auf welche die Oberfläche zu erhitzen ist, hängt von dem Material des Werkstücks ab, zum Beispiel von der Art des Stahls, der verwendet wird, und seiner Zusammensetzung. Der Wert von 1400 °C ist nur als ein Beispiel gedacht.) 6D zeigt schematisch ein Abtastmuster mit sechs Linien 51, wobei jede Linie fünf Segmente oder Pixel 51A, 51B umfasst. Für jedes Segment ist der Strahl Ein (Segmente oder Pixel 51A) oder Aus (Segmente oder Pixel 51B), je nach der gewünschten Energieverteilung, welche während des Härtungsprozesses dynamisch variiert werden kann. Somit stellt das Layout in 2D eine 6×5 Pixelierung dar und kann leicht mit im Handel erhältlichen Laser- und Scannersystemen erhalten werden. Die Verwendung eines Lasers, der ein schnelles Ein/Aus-Schalten erlaubt, zum Beispiel eines Faserlasers, kann die Anzahl von Pixel des Abtastmusters für eine vorbestimmte Abtastfrequenz erhöhen. Die Anzahl von Linien, die für eine bestimmte Abtastfrequenz erreicht werden kann, wie etwa 50 Hz oder 100 Hz oder mehr, wird unter anderem von der verwendeten Abtasteinrichtung abhängen.
  • Anstelle oder zusätzlich zum Eintragen Ein- und Aus-Schalten des Lasers können auch andere Strahlleistungszustände verwendet werden, d. h. unterschiedliche Leistungsniveaus zwischen der maximalen Leistung und einer 0-Leistung (oder nahe 0). Die Leistungszustände, die mit den unterschiedlichen Segmenten korrespondieren, können in einem Speicher gespeichert werden und während des Herstellungsprozesses dynamisch modifiziert werden, um so zum Beispiel die Energiedichte in einem Bereich angrenzend eines Ölschmierungsloches zu reduzieren, indem das Leistungsniveau, das ein oder mehreren der Segmente zugeordnet ist, wenn notwendig zu reduzieren. Dieser segmentierte oder pixelierte Ansatz ist sehr praktisch und erlaubt dem Benutzer, die richtigen Energieverteilungen über den effektiven Laserspot zu finden, indem unterschiedliche Kombinationen von Leistungszuständen ausprobiert werden, d. h. die Leistung, die der Strahl an unterschiedlichen Segmenten haben sollte, bis eine Kombination gefunden wird, die ein gewünschtes Ergebnis liefert. Falls der Laser ein schnelles Schalten zwischen unterschiedlichen Leistungszuständen oder -niveaus erlaubt, kann eine hohe Anzahl von Segmenten pro Sekunde abgeschlossen werden, was einer ausreichend hohen Wiederholungsrate des Abtastmusters erlaubt, um wesentliche Temperaturschwankungen zu vermeiden, während gleichzeitig eine vernünftige Anzahl von Segmenten umfasst werden. Wenn zum Beispiel der Laser 1000 Änderungen des Leistungszustands pro Sekunde erlaubt, kann eine Abtastmuster-Wiederholungsfrequenz von 100 Hz mit einem Abtastmuster kombiniert werden, das 10 Segmente hat.
  • 7A ist eine Ansicht im Querschnitt durch einen Hauptzapfen 1001 in einer Variante in 3 gezeigten Systems. Hier ist die Laserquelle leicht versetzt in Bezug zu der vertikalen Symmetrieebene des Hauptzapfens 1001 entlang der X-Achse. Das bedeutet, dass der Laserstrahl, wenn dieser mit der Reichweite des β-Winkels bewegt wird, die Oberfläche des Werkstücks an unterschiedlichen Winkeln zwischen dem Winkel γ1, welcher in diesem Falle etwa 90° beträgt und im Winkel γ2, welcher in diesem Falle im Wesentlichen weniger als 90° beträgt, erreichen wird. Falls die Abtastgeschwindigkeit und das Abtastmuster während des Abtastvorganges konstant sind und wenn die Leistung des Strahls ebenso konstant gehalten wird, bedeutet dies, dass die Leistungsdichte pro Einheit Oberflächenbereich an der Vorderkante (d. h. dort, wo die Oberfläche des rotierenden Körpers in den vom Laserstrahl während des Abtastens erreichten Bereich eintritt) höher sein aufgrund des größeren Winkels γ1 und an der Hinterkante niedriger sein aufgrund des kleineren Winkels γ2. Wie in Bezug auf 6A erläutert kann diese Anordnung dabei helfen, dass die Oberflächentemperatur die Temperaturzone zur Austenitisierung schnell erreichen kann.
  • 7B zeigt eine alternative Anordnung, in welcher der Laserstrahl stabil gehalten wird oder nur in der vertikalen Ebene parallel zur X-Achse abtastend bewegt wird, d. h. in Übereinstimmung mit dem Winkel α in 3. In diesem Fall impliziert die Versatzposition des Laserstrahls in Bezug zur Symmetrieebene, dass der Laserstrahl die Oberfläche unter einem Winkel α von im Wesentlichen weniger als 90° trifft. Dies kann zwei Effekte haben: als erstes wird der Bereich des Spots größer, was ein Vorteil sein kann, da dies die Leistung des Laserstrahls über einen größeren Bereich verteilt. Auch wenn die Dicke des Laserstrahls (in Richtung der X-Achse) nicht zu klein, dass diese unbeachtet sein kann, bildet dies einen Unterschied zwischen dem Einfallswinkel zwischen dem Laserstrahl und der Oberfläche des Werkstücks an der Vorderkante des Spots und des korrespondierenden Winkels an der Hinterkante des Spots geben. Das bedeutet, dass der oben erwähnte Effekt des schnellen Erwärmens der Oberfläche, wenn diese in den Spot eintritt, aufgrund einer hohen Leistungsdichte an der Vorderkante erreicht werden kann. Diese Ausführungsform kann zum Beispiel in vorteilhafter Weise mit einer feststehenden Optik verwendet werden, die einen im Wesentlichen rechtwinkligen Laserspot liefert. Zudem oder alternativ kann dieses Konzept in Kombination mit einer eindimensionalen Abtastung parallel zu der X-Achse verwendet werden, wobei ein virtuelles Rechteck mit der Breite erstellt wird, das dem Durchmesser oder der Breite des Laserspots entspricht, und mit einer Länge, welche der Reichweite des Laserstrahls parallel zur X-Achse entspricht. Um die Größe des Laserspots zu vergrößern, können ähnliche Ansätze getroffen werden, wenn der zu härtende Oberflächenbereich flach und nicht kreisförmig ist: der Laserstrahl auf einen flachen Bereich projiziert werden, sodass dieser nicht senkrecht zum flachen Bereich ist.
  • Manchmal ist es wünschenswert, Oberflächen zu härten, die schwer mit dem Laser zu erreichen sind, nur unter sehr kleinen Winkeln. Im Falle von Kurbelwellen werden zum Beispiel die Wandflächen 1005, die sich im Wesentlichen senkrecht von den Oberflächen der Hauptzapfen und der Kurbelzapfen erstrecken, häufig fast parallel zu den von einer Laserquelle 1 in einer Anordnung, wie derjenigen in 2 emittierten Laserstrahlen beinahe parallel sein. Dies kann dazu führen, dass die Leistungsabsorptionsrate an solchen Oberflächen reduziert und das Härten dieser schwieriger und auch energieraubend sein wird: ein mit sehr kleinen Winkel relativ zur Oberfläche empfangenes Laserlicht kann nur sehr viel weniger gut absorbiert werden als Laserlicht, da unter einem großen Winkel empfangen wird, wie 90°, d. h. senkrecht in Bezug zur Oberfläche.
  • Die Absorption hängt jedoch auch von der Polarisation ab. Falls somit für eine Polarisation (s oder p) die Leistung besser absorbiert wird, wenn der Laserstrahl senkrecht auf die Fläche gerichtet ist (d. h. mit 90° im Bezug zur Oberfläche) ist mit einer entgegengesetzten Polarisation die Absorption von Leistung höher, wenn der Laserstrahl unter einem kleinen Winkel auf die Oberfläche gerichtet ist, wie etwa einem Winkel nahe 0, d. h. mit einer Richtung des Strahls, die beinahe mit der Oberfläche ausgerichtet ist. Im Falle von Werkstücken, wie Kurbelwellen, bei denen die Wände manchmal sehr groß sind und durch einen ziemlich kurzen Zapfen getrennt sind, muss eine Anordnung, wie etwa diejenige in 2, den Laserstrahl unter relativ kleinen Winkel auf die Wände 1005 projizieren, wenigstens bei dem Teil der Wände der den Zapfen nahe ist.
  • 8 zeigt ein Polarisationssystem 4, das als Teil der Laserquelle 1 verwendet werden kann: es umfasst einen strahlteilenden Polarisator 41, wie ein Polarisationswürfel, welcher einen einfallenden Laserstrahl in einen s-polarisierten Strahl 2’ und einen p-polarisierten Strahl 2’’ aufteilt, wobei einer von diesen dann zum Härten der Oberfläche vorzugsweise den Hauptzapfen 1001 und den Kurbelzapfen 1002 verwendet werden kann und der andere von diesen zum Härten der Oberflächen der Wände 1005 verwendet werden kann. Spiegel 42, 43 und 44 können verwendet werden, um den s-polarisierten Strahl 2’ und den p-polarisierten Strahl 2’’ auszurichten, um diese im Wesentlichen parallel werden zu lassen.
  • 9 zeigt schematisch eine Computereinrichtung oder ein Computersystem 100, wie etwa einen Personalcomputer oder andere programmierbare Einrichtung oder Mittel, mit einer Computereingabeeinrichtung 101, wie etwa eine Tastatur und/oder einer Maus, und einem Computerschirm 102. Ein Abtastmuster 2G ist auf dem Schirm dargestellt. In diesem Fall ist das Abtastmuster ein Polygon mit einer Mehrzahl von Segmenten a, b, c, d, e, f, g und h. In der dargestellten Ausführungsform bilden die Segmente ein Polygon, nämlich ein Oktagon. Jedoch eine größere oder eine kleine Anzahl von Segmenten verwendet werden und ein oder alle der Segmente können gekrümmt anstatt gerade sein und die Segmente können auf andere Weise verteilt sein, wie etwa in einer Mehrzahl mehrerer oder weniger paralleler Linien. Das Computersystem kann derart angeordnet sein, dass ein Benutzer das Layout des Musters verändern kann, zum Beispiel indem diese eine Maus oder anderes Eingabemittel verwendet, zum Beispiel durch Bewegen eines Cursors auf dem Schirm. Als eine Alternative kann ein Touchscreen verwendet werden, welcher dem Benutzer ermöglicht, die Form des Musters durch Berühren der Segmente zu verändern, wodurch ihre Position, Ausrichtung und/oder ihrer Länge wird. Die Form des Musters repräsentiert den Weg, den der Laserspot beschreiben wird, wenn die zu härtende Oberfläche abgetastet wird, zum Beispiel um einen virtuellen oder äquivalenten effektiven Laserspot mit einer zweidimensionalen Energieverteilung zu erzeugen. Auf dem Schirm gibt es auch eine Mehrzahl A–A–H, wobei jede derselben jeweils einen der Segmente a–h entspricht. Jede der Linien A–H repräsentiert eine Eigenschaft des Laserspots in Bezug zu den korrespondierenden Segmenten a–h, zum Beispiel einen Bereich der Abtastgeschwindigkeit. In der Ausführungsform gibt der Pfeil nahe jeder Linie eine spezifische Abtastgeschwindigkeit an, die für jedes Segment ausgewählt ist, d. h. die Geschwindigkeit, bei welcher sich der Laserspot entlang des korrespondierenden Segments bewegt, während er dem Abtastmuster folgt. Im vorliegenden Fall wurde die höchste Abtastgeschwindigkeit den Segmenten c und g zugeordnet. Eine etwas geringere Abtastgeschwindigkeit wurde den Segmenten a und e zugeordnet und eine noch niedrigere Abtastgeschwindigkeit wurde den Segmenten b, d, h und f zugeordnet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich dazu oder als Alternative zu den Zuordnen unterschiedlicher Abtastgeschwindigkeiten zu unterschiedlichen Segmenten unterschiedliche Laserstrahlleistungen den unterschiedlichen Segmenten zugeordnet werden, wie etwa durch Auswählen des Laserstrahls „Ein“ oder „Aus“ oder in einem anderen verfügbaren Leistungszustand zu sein (wie etwa 10%, 25%, 50%, 75% oder 90% der maximalen Leistung), und zwar für unterschiedliche Segmente in Übereinstimmung mit einer gewünschten Energieverteilung. Die Segmente können die Route anzeigen, der durch das Zentrum des Abtastspots gefolgt wird, und der Abtastspot kann zum Beispiel einen Durchmesser haben, der einer Hälfte der Länge der Segmente a und c entspricht. Wenn das so ist, wird jedes Mal dann, wenn der Spot die durch die Segmente a–h bestimmte Route vollendet, der gesamte Bereich innerhalb der Segmente durch den Laser direkt erhitzt, wie auch ein Teil des Bereichs außerhalb der Segmente, bis zu einem Abstand der der Hälfte des Durchmessers des Laserspots entspricht.
  • Das Oktagon 2G kann zum Beispiel anstelle des Rechtecks 2A/2B oder des Trapezoids 2C/2D in den Ausführungsformen der 4 und 5 verwendet. In diesem Fall kann zum Beispiel die höhere Abtastgeschwindigkeit in den Segmenten c und g die Erwärmung im Bereich der Ölschmierungslöcher 1003 verringern, und die erhöhte Geschwindigkeit in den Segmenten a und e kann dabei helfen, ein Überhitzen des Bereichs der hinterschnittenen Auskehlungen 1004 zu verhindern. Zudem kann das Computersystem so programmiert werden, dass eine beliebige Art von Muster 2G verwendet werden kann, wenn ein Bereich entfernt von den Ölschmierungslöchern abgetastet wird, und eine andere Art von Muster (zum Beispiel ein Muster mit unterschiedlichen und/oder unterschiedlich ausgerichteten Segmenten und/oder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder Strahlleistungen, die einigen oder allen der Segmente zugeordnet sind), wenn der Bereich angrenzend an die Ölschmierungslöcher – oder diese enthaltend – abgetastet wird. Zum Beispiel kann der gleiche Umriss der Segmente verwendet werden, aber mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (und/oder Strahlleistung) an Segmenten c und g, in Abhängigkeit davon, ob der Bereich um die Ölschmierungslöchern abgetastet wird oder nicht.
  • Dieses System kann zusammen mit einem Pyrometer verwendet werden, um eine versuchsweise Anpassung des Abtastmusters 2G zu erlauben, zum Beispiel durch ein Durchführen des Laserhärtens von Versuchswerkstücken und ein Modifizieren des Abtastmusters (Form, Abtastgeschwindigkeit, Laserstrahlintensität, Laserspotgröße etc.) für ein oder mehrerer Segmente in Abhängigkeit von den Ergebnissen. Zudem oder als eine Alternative dazu kann ein Computersystem 100 mit Simulationssoftware versehen sein, um das Erwärmen, dass sich aus einem gewählten Muster 2G und aus dem Abtastgeschwindigkeiten (und/oder aus anderen Parametern wie der Laserstrahlleistung, der Laserspotgröße etc.) ergeben würde, die den unterschiedlichen Segmenten a–h zugeordnet sind, sodass der Benutzer innerhalb einer kurzen Zeit eine Musterkonfiguration finden kann, die nützlich erscheint. Das Ergebnis der Simulation kann zum Beispiel auf dem Schirm 102 angezeigt werden. Der Benutzer kann das Muster 2G und die unterschiedlich zugeordneten Parameter dynamisch modifizieren und die resultierende Erwärmung beobachten. Dieses Werkzeug kann hilfreich sein, um ein geeignetes Abtastmuster mit geeigneten Parameterwerten, die für ein gegebenes Werkstückdesign den unterschiedlichen Segmenten zugeordnet sind, leicht zu finden oder zu gestalten.
  • Zum Beispiel kann diese Art von Systemen in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, ein geeignetes Abtastmuster bzw. Abtastmuster für eine gegebene Kurbelwelle zu finden, zum Beispiel durch ein dynamisches Anpassen von Parametern des Musters (ihrer Form und Abmessungen, zum Beispiel durch Vergrößern oder Verkürzen von Segmenten) und/oder der Parameter, die jedem Segment zugeordnet sind, wie etwa zum Beispiel eine Laserspotgeschwindigkeit (durch Modifizieren der Abtastgeschwindigkeit), einer Leistung (zum Beispiel durch Modifizieren der Leistungsmenge des Laserstrahls) und/der einer Leistungsdichte (zum Beispiel durch Verändern der Größe des Laserspots, zum Beispiel durch Defokussieren, zum Beispiel durch Verstellen einer Fokuslinse oder durch Verändern des Einfallwinkels zwischen dem Laserstrahl und der Oberfläche). In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch die Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls angepasst werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein spezifisches Abtastmuster, wie eines in Übereinstimmung mit einem aus 6D ausgewählt werden und eine Anpassung der Energieverteilung kann eingerichtet werden, indem die Strahlleistung und/oder die Abtastgeschwindigkeit ausgewählt wird, die jedem Segment 51A, 51B zugeordnet werden soll.
  • Es hat sich herausgestellt, dass das Verwenden dieser Art von einer segmentbasierten Definition des Abtastmusters, die einerseits die Erzeugung einer Musterkontur erlaubt, indem die Anzahl von Segmenten und/oder die Länge der Segmente reduziert und/oder ihrer Ausrichtung und/oder Position modifiziert wird und unterschiedliche Parameterwerte für Leistung und Energie, wie etwa Werte für Abtastgeschwindigkeit, Strahlleistung und/oder Spotgröße für jedes Segment, ausgewählt und zugeordnet werden, es einfach macht, ein adäquates Erwärmen der unterschiedlichen Bereiche der zu erhitzenden Oberfläche zu erhalten. Mit wärmeempfindlicheren Unterbereichen, wie dem Bereich angrenzend an die Ölschmierungslöcher 1003 einer Kurbelwelle, kann zum Beispiel in geeigneter Weise verfahren werden:
    • – Durch Verwenden des gleichen Abtastmusters (hinsichtlich des Weges, dem der Spot folgt) sowohl für wärmeempfindlichere Bereiche als auch für weniger wärmeempfindliche Bereiche, aber unter Anpassung anderer Parameter, um so ein Überhitzen der wärmeempfindlicheren Bereiche zu vermeiden, zum Beispiel Wählen einer höheren Abtastgeschwindigkeit (und/oder geringeren Strahlleistung etc.) für ein ausgewähltes Segment; im Falle von 9 mittels Erhöhen der Geschwindigkeit an den Segmenten c und g dabei helfen, ein Überhitzen an den Ölschmierungslöchern 1003 zu reduzieren, die in einem Zapfen zentral angeordnet sind, über welchen der Laserstrahl in Übereinstimmung mit dem Muster 2G bewegt wird; im Falle von 6D kann ein Zuordnen einer geringen (wie etwa 0 oder nahe 0) Strahlleistung zu einigen der zentralen Segmente 51B der Linien 51 auch dabei helfen, ein Überhitzen an einem Ölschmierungsloch zu verhindern, das durch den zentralen Bereich des Musters hindurch geht, in Richtung des Pfeiles in 6D.
    • – Durch Verwenden unterschiedlicher Sätze von Abtastmustern und zugeordneter Parameterwerte für unterschiedliche Unterbereiche; zum Beispiel kann während der Rotation einer Kurbelwelle ein Zapfen wie durch 5A vorgeschlagen abgetastet werden, aber mit einem Abtastmuster, das das Layout aus 9 hat; wenn das Ölschmierungsloch 1003 den Bereich der Oberfläche erreicht oder sich diesem annähert, der gescannt wird, kann der Geschwindigkeitswert den Segmenten c und g zugeordnet ist, modifiziert werden, sodass der Laserstrahl diese Segmente mit einer höheren Geschwindigkeit abtastet, wodurch die Gefahr eines Überhitzens des Bereichs angrenzend an das Ölschmierungsloch verringert wird.
    • – Durch Verändern der Form des Musters, zum Beispiel durch ein Modifizieren der Länge und der Ausrichtung der Segmente und selbst durch ein Auslassen von Segmenten. Zum Beispiel kann das Segment g des Abtastmusters 2G während der gesamten Rotation des Werkstücks ausgelassen werden, oder wenn ein Bereich des Werkstücks angrenzend an oder ein Ölschmierungsloch einschließend abgetastet wird; in diesem Fall kann der Laserspot den Weg vom Segment h über die Segmente a, b, c, d, e und bis Segment f folgen und dann in die entgegengesetzte Richtung umdrehen, d. h. um die Segmente f, e, d, c, b und a bis er das Ende von Segment h erreicht.
  • Somit kann ein Computersystem, das für die Steuerung des Laserstrahls auf Basis eines segmentierten Abtastmusters sorgt, wobei unterschiedliche Werte für zum Beispiel
    • – die Abtastgeschwindigkeit (d. h. die Geschwindigkeit der Bewegung des Laserspots entlang seines Weges)
    • – die Laserstrahlleistung, und/oder
    • – die Laserspotgröße
    vorliegen, die unterschiedlichen Segmenten zugeordnet werden, zum Anpassen des Abtastmusters nützlich sein, um für eine optimale Energieverteilung und eine optimierte Erwärmung einer Oberfläche zu sorgen, für den Zweck des adäquaten Erwärmens der Oberfläche mit verringerten Schaden oder verringerter Gefahr für einen Schaden der empfindlichen Bereiche. Die obige Erläuterung bezog sich vornehmlich auf die Abtastgeschwindigkeit, aber die Erwärmung kann natürlich auch modifiziert werden, indem die Leistung des Laserstrahls oder die Leistungsdichte modifiziert werden, zum Beispiel durch Defokussieren, zum Beispiel durch ein Bewegen einer Linse. Für viele gegenwärtig existierende Laser und Abtasteinrichtungen kann das Modifizieren der Geschwindigkeit eine bevorzugte Option sein. Wenn Laser verwendet werden, die ein schnelles Ein/Aus-Schalten oder einen schnellen Wechsel der Leistung des Strahls erlauben (wie etwa viele Faserlaser, die gegenwärtig etwa 100 µs zum Wechseln zwischen „Ein“ und „Aus“ benötigen), wird das Modifizieren der Leistung des Laserstrahls, zum Beispiel durch Ein- und Ausschalten desselben eine zunehmend interessante Option; die Option ist sogar noch interessanter im Hinblick auf den Trend zu kürzeren Schaltzeiten.
  • Um einen virtuellen Laserspot bereitzustellen (wie etwa einen „oktogonalen“ Laserspot durch ein schnelles Abtasten des Bereichs, in welchem dem Muster 2G aus 9 gefolgt wird, oder ein segmentierter effektiver Laserspot wie etwa derjenige aus 6D), muss das Abtasten mit hoher Frequenz durchgeführt werden, d. h. mit hoher Geschwindigkeit. In einer praktischen Ausführungsform kann zum Beispiel der Laserstrahl einen Abtastzyklus entlang von Segmenten a–h in einer Zeitdauer von zum Beispiel 8 ms vollenden; häufig kann es schwierig oder teuer sein, wie etwa wenn Diodenlaser oder andere Laser verwendet werden, bei denen ein Ein/Aus-Schalten langsam ist, die Leistung des Strahls schnell genug zu modifizieren, um diesen an jedem und allen Segmenten auf das richtige Niveau zu bringen; es wird häufig praktischer sein, die Abtastgeschwindigkeit zu modifizieren, etwas was in die Kapazität im Handel erhältlicher Abtastsysteme fällt. Jedoch in Abhängigkeit von der Kapazität des Lasers hinsichtlich des Schaltens der Leistungspegel kann eine Modulation der Strahlleistung vorgezogen werden.
  • Das Abtastmuster aus 9 zeigt einen Satz von miteinander verbundenen Segmenten. Jedoch können in Abhängigkeit von der Art des Lasers und/oder der Abtasteinrichtung, die verwendet werden, auch nicht miteinander verbundene Segmente verwendet werden. Zum Beispiel kann das Abtastmuster eine Mehrzahl von Linien oder Punkten oder Pixeln umfassen; diese Art von Abtastmuster kann häufig vorgezogen werden, wenn ein Laser verwendet wird, der ein schnelles Ein/Aus-Schaltens erlaubt, wie etwa ein Faserlaser. Dadurch können sehr komplexe und ausspruchsvolle Muster verwendet werden, welche eine sehr genaue Auswahl der Energieverteilung in dem Bereich, der gescannt wird, zulassen. Somit kann das System so zugeschnitten werden, dass exakt die Energieverteilung geliefert wird, die notwendig ist, wenn das Vorhandensein wärmeempfindlicherer Regionen, wie zum Beispiel Ölschmierungslöcher in einer Kurbelwelle, berücksichtigt wird.
  • 10 zeigt schematisch einen ersten 110 und einen zweiten 120 Computer-Speicherbereich, der dem Computersystem 100 zugeordnet ist, wobei jeder Speicherbereich eine Speichermatrix mit einer Mehrzahl von Spalten umfasst, wobei jede Spalte eine Speicherstelle enthält, die jedem der Segmente a–h des Abtastmusters 2G zugeordnet ist. Die Spalten können die folgenden Daten enthalten:
    Die Daten in den Abtastmustersegment-Spalten 111 und 121 können die Form des Musters definieren, d. h. die Anordnung der Segmente (wie etwa Start- und Endpunkte jedes Segments).
    Die Daten in den Abtastgeschwindigkeit-Spalten 112 und 122 können für jedes Segment die Abtastgeschwindigkeit definieren, die diesem Segment zugeordnet ist, d. h. die Geschwindigkeit, mit welcher der Laserspot sich entlang des korrespondierenden Segments des Abtastmusters oder Abtastweges bewegen wird.
    Die Daten in den Strahlleistung-Spalten 123 und 133 können für jedes Segment die Strahlleistung definieren, d. h. die Leistung des Laserstrahls, wie sich diese entlang des korrespondierenden Segments bewegt.
    Die Daten in den Spotgröße-Spalten 114 und 124 können für jedes Segment die Größe des Laserspots definieren, wie sich dieser entlang des korrespondierenden Segments bewegt. Durch Fokussieren/Defokussieren des Laserstrahls können zum Beispiel durch Bewegen einer motorisierten Fokussierlinse oder durch Bewegen der Laserquelle parallel zur Z-Achse des Systems die Größe des Spots und somit die Leistungsdichte pro Einheit Oberflächenbereich verändert werden. Dies kann auch durch ein Modifizieren des Einfallwinkels des Laserstrahls auf die Oberfläche erreicht werden, zum Beispiel durch ein Versetzen des Laserstrahls, wie dies zum Beispiel in 7A und 7B vorgeschlagen wird.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung gibt es nur einen dieser Computerspeicherbereiche, d. h. die Geschwindigkeit, die Strahlleistung und die Spotgröße können über den gesamten Prozess konstant sein. In anderen Ausführungsformen gibt es zwei oder mehr dieser Speicherbereiche und ein Zeiger 130 kann verwendet werden, um den Abtastvorgang während der Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks 1000 und der Laserquelle 2 dynamisch zu modifizieren: zum Beispiel kann, wenn sich ein Ölschmierungsloch 1003 den Bereich der gerade abgetasteten Oberfläche nähert, ein erstes Abtastmuster (mit seinem zugeordneten Satz von Parameterwerten für zum Beispiel die Abtastgeschwindigkeit, die Laserstrahlleistung, die Laserspotgröße und/oder den Einfallwinkel), das durch den ersten Speicherbereich 110 definiert ist, durch ein zweites Abtastmuster ersetzt werden (mit seinem zugeordneten Satz von Parameterwerten für Abtastgeschwindigkeit, Laserstrahlleistung und/oder Laserspotgröße etc., das mit dem zweiten Speicherbereich 120 definiert ist, um so ein Überhitzen der Kanten des Ölschmierungsloches zu verhindern. Zum Beispiel kann das zweite Abtastmuster eine höhere Abtastgeschwindigkeit und/oder eine niedrigere Laserstrahlleistung und/oder eine größere Laserspotgröße haben, die den Segmenten zugeordnet sind, die von dem Ölschmierungsloch während des Abtastens gekreuzt werden, im Vergleich zu dem ersten Abtastmuster.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird es nur eine oder einige der Spalten 111–114 geben oder es kann mehrere Spalten geben, welche Daten mit Bezug zu weiteren Aspekten des Prozesses spezifizieren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung werden nur ein oder zwei von Abtastgeschwindigkeit, Laserspotgröße und Laserstrahlleistung zwischen unterschiedlichen Segmenten und Mustern variieren. In einigen Ausführungsformen mag es nur einen Speicherbereich 110 geben, da der Weg, dem der Laserspot folgt sowie seine zugehörigen Parameterwerte über den gesamten Prozess bleiben werden.
  • 11 zeigt schematisch zwei Computerspeicherbereiche in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, in welcher jeder Computerspeicherbereich 140, 150 eine Mehrzahl von Speicherstellen 141 umfasst, die jeweils einem Pixel oder Segment eines abzutastenden Bereichs entsprechen. Jede Speicherstelle kann einen Leistungszustandwert aufweisen, der auf eine Laserleistung hinweist, wie etwa einen Wert, der auf einen Ein/Aus-Zustand des Lasers hinweist, oder einen Wert, der auf einen bestimmten Leistungspegel hinweist. Somit kann, wenn der Laserstrahl über einen abzutastenden Bereich hinweg bewegt wird (zum Beispiel indem der Laserstrahl einer Mehrzahl von parallelen Linien folgen darf, die sich über den Bereich erstrecken), der Laserstrahl entsprechend den Wert der korrespondierenden Speicherstelle ein- oder ausgeschaltet werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann jede Speicherstelle einer „Linie“ auf dem Abtastmuster entsprechen und in anderen Ausführungsformen der Erfindung kann jede Speicherstelle einem Bereich oder einem Segment einer Linie entsprechen, sodass eine pixelierte Energieverteilung erhalten werden kann (ein Beispiel eines Abtastmusters mit einer solchen segmentierten oder pixelierten Energieverteilung ist in 6D gegeben). Der Grad an Genauigkeit der Pixelierung oder Unterteilung des abzutastenden Bereichs in Untersegmente mit unterschiedlichen Laserleistungsniveaus (wie Ein-/Aus- und/oder Zwischen-Leistungsniveaus), die diesem zugeordnet sind, können von Merkmalen abhängen, wie etwa der Abtastgeschwindigkeit und der Kapazität für Ein/Aus-Schalten des Lasers. Wie im Falle der Ausführungsform, die in 10 gezeigt, kann ein Zeiger 130 verwendet werden, um zwischen einer Art von Abtastmuster und einer anderen zu schalten, um somit die Energieverteilung in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Bereichs, der gerade abgetastet wird, anzupassen, zum Beispiel um so das Vorhandensein eines Ölschmierungslochs zu berücksichtigen.
  • Die 20×20 Pixelierung, die durch 11 vorgeschlagen wird, ist nur ein Beispiel und es kann jede andere geeignete Anzahl von Zielen und Pixeln pro Zeile verwendet werden. Zum Beispiel kann die Anzahl von Linien durch die Geschwindigkeit der Abtasteinrichtung und die Abtastfrequenz limitiert sein (d. h. die Frequenz, mit welcher das Abtastmuster wiederholt wird) und die Anzahl von Pixel oder Pixeln pro Linie kann für eine gegebene Abtastfrequenz und Anzahl von Linien durch die Kapazität des Ein/Aus-Schaltens des Lasers limitiert sein. Im Falle zum Beispiel eines Lasers, der 100 µs zum Einschalten benötigt und 100 µs zum Ausschalten benötigt, das heißt 200 µs für einen Ein/Aus-Zyklus und einer Abtastfrequenz von 100 Hz und ein Abtastmuster von 5 Linien verwendet, um den effektiven virtuellen Laserspot zu vervollständigen, kann die Anzahl von Pixeln pro Linie etwa 10 sein.
  • Die 12A–12C zeigen, wie die Energieverteilung eines effektiven Laserspots so angepasst werden kann, dass ein Ölschmierungsloch berücksichtigt wird. Das Ölschmierungsloch 1003 ist in einer Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle positioniert und die Oberfläche erstreckt sich in einer ersten Richtung parallel zu der Rotationsachse der Kurbelwelle und in einer zweiten Umfangsrichtung W. In 12A wird ein im Wesentlichen rechtwinkliger äquivalenter, effektiver Laserspot 5 verwendet, der einen vorderen Bereich 2E mit höherer Leistungsdichte und einen hinteren Bereich 2F mit niedriger Leistungsdichte hat. Wenn jedoch, wie in 12B gezeigt, sich das Ölschmierungsloch 1003 dem effektiven Laserspot aufgrund der Relativbewegung zwischen der Oberfläche der Kurbelwelle und der Laserquelle, aufgrund zum Beispiel einer Rotation der Kurbelwelle um ihre Längsachse, annähert, ist die Energieverteilung im Wesentlichen angepasst, indem die Leistung oder Energiedichte zum Zentrum des vorderen Bereichs 2E hin verringert wird, um so ein Überhitzen des Bereichs angrenzend an das Ölschmierungsloch 1003 zu vermeiden. Hier ist der effektive Laserspot im Wesentlichen U-förmig. Wenn danach das Ölschmierungsloch 1003 den vorderen Bereich 2E passiert hat, wird die ursprüngliche Energieverteilung an dem vorderen Bereich wiederhergestellt, wohingegen die Energieverteilung an dem hinterem Bereich 2F angepasst wird, um das Ölschmierungsloch 1003 zu berücksichtigen, und zwar indem die Energie oder Leistungsdichte zum Zentrum des hinteren Bereichs hin verringert wird. Hier nimmt der effektive Laserspot 5 im Wesentlichen eine umgekehrte U-Form an (welche in eigenen der Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung einer Segmentierung oder Pixelierung in Übereinstimmung mit einer aus 6D und unter Anpassung der Leistungszustände, die den unterschiedlichen Segmenten zugeordnet sind, erhalten wird, um so die korrespondierenden Formen des effektiven Laserspots bereitzustellen). Das heißt, während das Ölschmierungsloch durch den effektiven Laserspot hindurchgeht, wird die Energieverteilung angepasst, um so weniger Energie an den wärmeempfindlicheren Bereich angrenzend an das Ölschmierungsloch anzuwenden, als diejenige, die auf die zu härtende Oberfläche entfernt vom Ölschmierungsloch aufgebracht wird. Der Bereich um das Ölschmierungsloch herum kann gehärtet werden, ohne den wärmeempfindlicheren Unterbereich angrenzend an das Ölschmierungsloch zu verletzen; die seitlichen Bereiche des U-förmigen effektiven Laserspots dienen dazu, die Bereiche an den Seiten des Ölschmierungslochs zu härten. Die Veränderung in der Energieverteilung, die in 12A–12C dargestellt ist, kann zum Beispiel erhalten werden, indem das Abtastmuster angepasst wird und/oder indem der Weg angepasst wird, in welchem die Strahlleistung entlang des Abtastmusters verteilt (zum Beispiel durch Anpassen des Weges, in welchem der Laserstrahl während unterschiedlicher Segmente des Abtastmusters ein- und ausgeschaltet wird) und/oder durch Anpassen der Abtastgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Segmenten des Abtastmusters etc.
  • 13 zeigt schematisch, wie die Energieverteilung angepasst wird, um die Schräglage eines Ölschmierungslochs 1003 zu berücksichtigen, indem mehr Energie 5A auf die Seite 1003A des Ölschmierungslochs aufgebracht wird, die nicht über dem Ölschmierungsloch 1003 angeordnet ist, und weniger Energie auf die Seite 1003B des Ölschmierungslochs, die über dem Ölschmierungsloch liegt, d. h. auf der Seite, zu der hin sich das Ölschmierungsloch in dem Körper der Kurbelwelle erstreckt. Dies kann zum Beispiel durch ein korrektes Auswählen der Leistungszustände erreicht werden, die den unterschiedlichen Segmenten eines Abtastmusters zugeordnet sind. Dieser Unterschied in der Anwendung von Energie berücksichtigt die Tatsache, dass die Abwesenheit von leitfähigem Material aufgrund des Vorhandenseins des sich in 13 nach unten zur rechten Seiten erstreckenden Ölschmierungslochs die Kapazität verringert, mit der Wärme, die auf die rechte Seite des Ölschmierungslochs 1003 aufgebracht wird, von dem erhitzten Bereich weggeführt werden kann. Ein Aufbringen der gleichen Energiemenge auf beiden Seiten würde im Grunde zu einem Überschuss von Energie führen, da dies dickere gehärtete Schicht an der rechten Seite 1003W des Ölschmierungslochs in 13 als auf der linken Seite 1003A führen würde; wenn es jedoch zu der Notwendigkeit für eine Einhaltung mit dem Erfordernis einer minimalen Dicke der gehärteten Schicht kommt, muss der dünnste Bereich der gehärteten Schicht diese Anforderung erfüllen. Somit macht ein extra dickes Herstellen der gehärteten Schicht auf der rechten Seite des Ölschmierungslochs 1003 keinen Sinn hinsichtlich der Erfüllung der Anforderungen, die vom Verbraucher festgelegt wurden und stellt nur eine Energieverschwendung dar. Zudem könnte das Aufbringen der gleichen Energiemenge auf beiden Seiten eine erhöhte Gefahr des Überhitzens an einer der Seiten implizieren. Diese Gefahr ist größer aufgrund der Tatsache, dass der Winkel zwischen der Innenwand des Ölschmierungslochs und der Oberfläche des zu härtenden Weges an der Seite spitzer ist, zu welchem sich das Ölschmierungsloch hin erstreckt, d. h. der Winkel ist spitzer an der rechten Seite des Ölschmierungslochs in 13 als an der linken, was bedeutet, dass die Kante an der rechten Seite schärfer ist, was die Gefahr einer Beschädigung im Falle eines Überhitzens erhöht.
  • Wie oben angegeben erfolgt der Abtastvorgang vorzugsweise schnell, um so wesentliche Schwankungen der Temperatur zu vermeiden. Wenn der Laserstrahl wiederholt entlang eines zweidimensionalen Abtastmusters abtastend bewegt – wie etwa entlang einer Mehrzahl von parallelen Linien –, um einen äquivalenten oder virtuellen effektiven Laserspot zu bilden, werden Bereiche des Werkstücks wiederholt erhitzt, wenn die Bereiche innerhalb des Abtastmusters bleiben. Der tatsächliche Laserspot erhitzt unterschiedliche Punkte der Oberfläche, wenn dieser wiederholt über den gesamten virtuellen Laserspot abtastend bewegt wird, und diese Punkte werden somit wiederholt auf eine maximale Temperatur erhitzt, und jedes Mal nachdem sie erhitzt worden sind, werden sie sich abkühlen, bis sie während des nächsten Überstreichens des Laserstrahls entlang des Abtastmusters wieder erhitzt werden, d. h. während des nächsten Zyklusses des Abtastvorgangs. Es ist wünschenswert, diese Schwankungen zwischen lokalen Temperaturmaxima und -minima so klein wie möglich zu halten. Zu diesem Zweck werden eine hohe Abtastgeschwindigkeit und eine hohe Frequenz vorgezogen. Die 14A, 14B zeigen schematisch das Ergebnis der an einer Kurbelwelle der Verwendung eines festen Abtastmusters und einer festen Leistung durchgeführt würden. Im Falle von 14A oder der Abtastfrequenz von 50 Hz verbindet (d. h. der Laserstrahl folgte dem vollständigen Abtastmuster 50mal pro Sekunde). Es ist zu sehen, dass nach dem Erreichen der maximalen Temperatur Schwankungen zwischen lokalen Maxima und Minima mit einer Amplitude von mehr als 100 °C, tatsächlich nahe an 200 °C, stattfanden. Dies könnte problematisch sein, da dieses eine Gefahr des Überhitzens und/oder eine Gefahr einer inadäquaten Härtung oder Härtungstiefe implizieren könnte.
  • 14B zeigt schematisch das Ergebnis eines Tests, der unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen in 14A ausgeführt wurde, aber mit einer Abtastfrequenz von 250 Hz. Hier ist nun zu beobachten, wie die Temperaturschwankungen zwischen den lokalen Maxima und Minima, korrespondierend mit der Stärke des Graphen, eine Amplitude von deutlich weniger als 100 °C haben.
  • Die 15A und 15B zeigen schematisch, wie ein effektiver Laserspot 5 auf einen Zapfen 1001 einer Kurbelwelle mit einem Ölschmierungsloch 1003 und hinterschnittenen Auskehlungen 1004 aufgebracht werden kann, um so einen Abschnitt wie etwa 30–180° eines ringförmigen Segments 1001A desselben zu erhitzen. Da sich der effektive Laserspot 5 nicht mehr als 180° in Umfangsrichtung W des Zapfens erstreckt, um das gesamte Ringsegment zu erhitzen, kann der Zapfen rotierend um seine Rotationsachse X angeordnet sein und/oder kann die Laserquelle in Bezug zur Kurbelwelle verstellt werden. Das Erhitzen kann an einem seitlichen Ende des Zapfens 1001 beginnen, wie in 15A gezeigt, nahe der hinterschnittenen Auskehlung 1004, und der Zapfen kann zum Beispiel gedreht werden, um so den gesamten Umfang zu erhitzen, um so das Ringsegment 1001A auf eine ausreichende Temperatur und über eine ausreichende Zeitdauer zu erwärmen, um eine geforderte Härtungstiefe sicherzustellen. Um die gesamte Oberfläche des Zapfens zu härten, wird der effektive Laserspot 5 fortschreitend entlang des Zapfens in Richtung parallel zur Rotationsachse X fortschreitend verschoben, zum Beispiel durch Verschieben der Laserquelle parallel zur X-Achse oder durch Verschieben des Strahls parallel zur X-Achse unter Verwendung einen Abtastspiegels. Somit wird das erhitzte Ringsegment 1001A in dieser Richtung erweitert und der nachfolgende Hitzebereich kann damit beginnen, sich abzukühlen, wodurch ein Abschrecken erreicht wird. In 15B kann beobachtet werden, wie der effektive Laserspot über den Hauptbereich des Zapfens verschoben wurde, diesen erwärmend und beim Weiterbewegen, dann ein Abschrecken zuzulassen. Der effektive Laserspot wird verschoben, bis dieser die Auskehlung am rechten Ende der 15B erreicht. Die zweidimensionale Energieverteilung ist in der Nähe der Auskehlungen 1004 angepasst und auch in Übereinstimmung mit dem Ölschmierungsloch 1003, um ein Überhitzen dieser Teile zu verhindern. Ein Vorteil dieser Ausführungsweise des Härtevorgangs besteht darin, dass es kein Wiedererhitzen eines bereits erhitzten Bereichs gibt, da der Zuwachs des gehärteten Bereichs in Richtung von einem Ende des Zapfens zum anderen hin erfolgt, d. h. in der ersten Richtung parallel zur X-Rotationsachse des Zapfens und nicht in der Umfangsrichtung W. Das heißt, die Härtung erfolgt von links nach rechts und nicht in Umfangsrichtung. Somit gibt es grundsätzlich keine Gefahr für ein unerwünschtes Wiedererwärmen und übermäßiges Temperieren eines bereits gehärteten Oberflächenbereichs.
  • Beim Härten der Oberfläche des Zapfens in Umfangsrichtung muss dem Bereich einer Überlappung eine spezielle Aufmerksamkeit gezollt werden, d.h. dem Bereich, an welchem der effektive Laserspot, nahe dem Ende seiner Bewegung entlang des Weges in Umfangsrichtung, an einen vorher gehärteten Bereich ankommt. Ein Wiedererhitzen eines vorher gehärteten Bereichs auf eine hohe Temperatur, wie der Temperatur, die zum Härten verwendet wird, sollte grundsätzlich vermieden werden. Die 19A–19C zeigen eine Anordnung ähnlich derjenigen der 2A–12C, aber anstelle der Ölschmierungslöcher korrespondiert der wärmeempfindlichere Unterbereich, dem sich der Laserspot nähert, einem vorher gehärteten Bereich 1001B des Zapfens. In dieser Ausführungsform ist, wie dies in 19A schematisch gezeigt ist, der effektive Laserspot aus einer Anordnung von Segmenten zusammengesetzt (ähnlich derjenigen aus 6D), und wenn die Vorderkante des effektiven Laserspots an dem vorher erhitzten Bereich 1001B ankommt, werden die Segmente in der ersten Reihe gestrichen (s. 19B), zum Beispiel durch Setzen des Lasers in einen „Aus“-Zustand in Übereinstimmung mit den Segmenten. In 19C wurden weitere Reihen von Segmenten gestrichen, wodurch der effektive Laserspot in Umfangsrichtung geschrumpft ist. Das heißt, der effektive Laserspot entfällt an seiner Vorderkante oder seinem vorderen Bereich fortschreitend, wenn dieser den vorher gehärteten Bereich 1001B erreicht, während die Hinterkante oder der hintere Bereich den vordern Bereich einholt, bis der effektive Laserspot verschwindet.
  • In anderen Ausführungsformen der Erfindung wird der effektive Laserspot nicht gestrichen, sondern wird dessen gesamte Leistung/Energie reduziert. So kann sich der effektive Laserspot nur einmal um den Zapfen herum bewegen und die Oberfläche auf eine Temperatur erhitzen, die für ein Temperieren geeignet ist.
  • In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann einen Mehrzahl von Laserquellen verwendet werden, um mehrere Abschnitte des Ringssegments gleichzeitig zu erhitzen, zum Beispiel um so die gesamten 360° des Ringssegments 1001A gleichzeitig zu erhitzen. Dies verringert die Notwendigkeit eines schnellen Drehens der Kurbelwelle, um Schwankungen der Temperatur zu vermeiden, die die Qualität des Härtens negativ beeinflussen könnten, wie dies oben erläutert wurde. Eine sehr hohe Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle kann teuer zu implementieren sein und kann es schwieriger machen, die Energieverteilung des effektiven Laserspots oder effektiven Laserspots anzupassen, um so ein Überhitzen des Bereichs angrenzend an ein sich schnell bewegendes Ölschmierungsloch zu vermeiden.
  • Die folgende Erfindung sorgt somit für eine extrem flexiblen Ansatz, um eine Laseroberfläche zu härten und kann deshalb sehr nützlich sein für zum Beispiel ein Laserhärten von Werkstücken mit Oberflächenbereichen (die deutlich unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeübertragungsempfindlichkeit und/oder deutlich unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich zum Beispiel von Aspekten, wie der Tiefe der gehärteten Schicht, haben.
  • Das System kann mit dem Feedback von einem Pyrometer und zum Beispiel PID-Steuerung betrieben werden.
  • Das Folgende ist ein Beispiel, wie die Erfindung in Übereinstimmung mit einer praktischen Ausführungsform desselben implementiert werden kann:
  • Die 16A, 17A und 18A repräsentieren die Leistung- oder Energieverteilung über einen effektiven Laserspot, berechnet für ein Abtastmuster jeweils der 16B und 16C, 17B und 17C, 18B und 18C. Das Abtastmuster ist von der Art, wie sie in 9 dargestellt ist, oben diskutiert, nämlich ein Abtastmuster mit acht Segmenten, welche der Benutzer hinsichtlich ihrer Position, Ausrichtung und Längen umarrangieren kann und für welche der Benutzer ein oder mehrere Leistung/Energie bezogene Parameterwerte auswählen und anpassen kann, zum Beispiel die Leistung des Laserstrahls und/oder die Geschwindigkeit des projizierten Laserspots entlang des Abtastmusters. In diesem Beispiel wurde eine konstante Leistung verwendet und wurde die Geschwindigkeit auf einer Segment-um-Segment-Basis angepasst. Wie oben erläutert kann das Computersystem 100 mit einer Berechnung/Simulation-Software versehen sein, um das Erwärmen oder die Energieverteilung zu berechnen/simulieren, die sich aus einem gewählten Muster 2G und aus den Abtastgeschwindigkeiten (und/oder anderen Parametern, wie etwa der Laserstrahlleistung, der Laserspotgröße etc.) ergeben wird, die unterschiedlichen Segmenten a–h zugeordnet sind, sodass der Benutzer nach einer kurzen Zeit eine Musterkonfiguration herausfinden kann, die nützlich erscheint. Die berechneten Energieverteilungen, wie etwa die der 16A, 17A und 18A können auf einem Schirm 102 visualisiert werden, um dem Benutzer zu helfen, abzuschätzen, ob die Energieverteilungen wahrscheinlich geeignet sind.
  • Die 16A, 17A und 18A zeigen wie eine berechnete Energie/Leistung-Verteilung über den effektiven Laserspot erfolgen kann, berechnet auf der Basis der spezifischen Muster und Geschwindigkeiten aus den 16B, 17B, 18B und 16C, 17C und 18C für die folgenden Werte:
    d1–d12 geben die Abmessungen des Musters in Übereinstimmung mit dem dargestellten Beispiel an; die Werte in mm gemäß diesem Beispiel sind wie folgt:
    d1 = 16; de = 2,8; d3 = 3,1; d4 = 3,9; d5 = 7; d6 = 1,4; d7 = 0,4; d8 = 13; d9 = 5,1; d10 = 6; d11 = 2,8; d12 = 0,2.
    v1–v10 geben die Abtastgeschwindigkeiten an, die den unterschiedlichen Teilen des Abtastmusters zugeordnet sind; die Werte in mm/s gemäß diesem Beispiel sind wie folgt:
    v1 = 3600; v2 = 8000; v3 = 4600; v4 = 3500; v5 = 6000; v5 = 5500; v7 = 3600; v8 = 8000; v9 = 5430; v10 = 8000; v11 = 5500
  • In 16A, 17A und 18A sind die korrespondierenden Leistungs- oder Energieverteilungsmuster gezeigt. Die 16A–16C beziehen sich auf ein Muster, das für ein Erwärmen der Oberfläche eines Zapfens einer Kurbelwelle quer über den Zapfen in Richtung parallel zur Längsachse der Kurbelwelle, in einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich, entfernt von einem Ölschmierungsloch geeignet sein kann. Somit könnten das Muster und die Geschwindigkeiten der 16A–16C in einer Situation wie sie in 12A dargestellt ist verwendet werden. Die 17A–17C zeigen ein Muster und die korrespondierenden Energieverteilung über den effektiven Laserspot, wenn der effektive Laserspot ein Ölschmierungsloch erreicht, wie etwa wenn sich der effektive Laserspot an der Position befindet, wie sie in 12B dargestellt ist, und „U-Form“ oder ähnliches annimmt. Hier wurde unter Berücksichtigung des in 9 dargestellten Abtastmusters eines der zentralen Segmente, wie etwa das Segment „c“ gemäß 9, eliminiert, um ein Überhitzen des wärmeempfindlichen Unterbereichs angrenzend an das Ölschmierungsloch zu vermeiden. In einer korrespondierenden Weise zeigen die 18A–18C die Energieverteilung und das Abtastmuster, wenn der effektive Laserspot gerade dabei ist, den Bereich angrenzend an das Ölschmierungsloch zu verlassen, d. h. an einer Position, wie etwa derjenigen, die in 12C dargestellt ist.
  • Mit dieser Konfiguration und einen Laserstrahl anwendend, der einen Laserspot mit einem Durchmesser von 3,4 mm auf Zapfen aus kohlenstoffarmen (0,40%) Stahl (Typ 1538MV) aufgebracht hat, wurde eine effektive Einsatztiefe (Härte > HRC45) von 2,5 mm erreicht mit einer 1 mm Schicht aus reinem Martensit. Die Leistung des Laserstrahls betrug 2700 W und der Zapfen war ein Hauptzapfen mit einer Breite von 21mm. Sehr ähnliche Ergebnisse wurden auch erhalten, wenn eine Oberfläche eines Kurbelzapfens mit einer Breite von 19 mm gehärtet, und zwar aus der Verwendung im Wesentlichen des gleichen Aufbaus und der gleichen Werte, mit Ausnahme dessen, dass die Leistung des Laserstrahls auf 2400 W eingestellt war und die Breite des Abtastmusters auf 14 mm reduziert wurde. In beiden Fällen bewegte sich der effektive Laserspot entlang der Oberfläche in Umfangsrichtung mit einer Geschwindigkeit von 168 mm/Minute.
  • Das Abtastmuster wurde mit versetztem Zentrum in Bezug auf das Zentrum des gehärteten Zapfens aufgebracht, in Übereinstimmung mit dem was in 7A vorgeschlagen wird: ein Versatz (in Richtung senkrecht zur Ebene, welche die Laserquelle und die Mittel-Längsachse des Zapfens enthält) betrug 31 mm für den Hauptzapfen mit einem Radius von 34,45 mm und 25,2 mm für den Kurbelzapfen mit einem Radius von 28,45 mm. Aufgrund des Versatzes war der Gesamtbereich des effektiven Laserspots, wie dieser auf den Zapfen projiziert wurde, größer als dieser gewesen wäre, falls dieser ohne Versatz projiziert worden wäre.
  • Bezugszeichen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden:
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laserquelle
    2
    Laserstrahl
    2’
    s-polarisierter Laserstrahl
    2’’
    p-polarisierter Laserstrahl
    2A
    Weg, gescannt durch den Laserstrahl, oder Bereich gescannt durch den Laserstrahl
    2B
    Weg, gescannt durch den Laserstrahl, oder Bereich gescannt durch den Laserstrahl
    2C
    Weg, gescannt durch den Laserstrahl, oder Bereich gescannt durch den Laserstrahl
    2D
    Weg, gescannt durch den Laserstrahl, oder Bereich gescannt durch den Laserstrahl
    2E
    Bereich eines virtuellen, rechtwinkligen Laserspots mit hoher Leistungsdichte
    2F
    Bereich eines virtuellen, rechtwinkligen Laserspots mit niedriger Leistungsdichte
    2G
    Abtastmuster; Weg, gescannt durch den Laserstrahl
    2H
    Bereich eines effektiven Laserspots mit für einen Härtevorgang angepasster Leistungsdichte
    2I
    Bereich eines effektiven Laserspots mit einer für ein Abschrecken angepasster Leistungsdichte
    2J
    Bereich eines effektiven Laserspots mit an einen Temperiervorgang angepasster Leistungsdichte
    3
    Abtastsystem
    4
    Polarisationssystem
    5
    Effektiver Laserspot
    5A, 5B
    Energieverteilung um ein schräges Ölschmierungsloch
    11
    Laserschlitten
    12
    Erste Laserschlitten-Antriebseinrichtung für Vertikalbewegung der Laserquelle
    13
    Zweite Laserschlitten-Antriebseinrichtung für Horizontalbewegung der Laserquelle
    14
    Horizontaler Weg zur Bewegung der Laserquelle
    20
    Werkstückschlitten
    21
    Werkstückschlitten-Antriebseinrichtung
    41
    Polarisator
    42
    Spiegel
    43
    Spiegel
    44
    Spiegel
    51
    Linien eines Abtastmusters
    51A
    „Ein“ Segmente oder Pixel
    52B
    „Aus“ Segmente oder Pixel
    100
    Computersystem
    101
    Computer-Eingabemittel
    102
    Computerschirm
    110
    Erster Computer-Speicherbereich
    111
    Abtastmustersegment-Spalte
    112
    Abtastgeschwindigkeit-Spalte
    113
    Strahlleistung-Spalte
    114
    Spotgröße-Spalte
    120
    Zweiter Computer-Speicherbereich
    121
    Abtastmustersegment-Spalte
    122
    Abtastgeschwindigkeit-Spalte
    123
    Strahlleistung-Spalte
    124
    Spotgröße-Spalte
    130
    Zeiger
    140
    Erster Computer-Speicherbereich
    141
    Speicherstelle zum Speichern eines Pixelwerts (Ein/Aus)
    150
    Zweiter Computer-Speicherbereich
    151
    Speicherstelle zum Speichern eines Pixelwerts (Ein/Aus)
    1000
    Kurbelwelle
    1001
    Hauptzapfen
    1001A
    Erhitztes/Gehärtetes Ringsegment der Oberfläche eines Hauptzapfens
    1001B
    Vorher gehärteter Bereich eines Zapfens
    1002
    Kurbelzapfen
    1003
    Ölschmierungslöcher
    1003A, 1003B
    Bereiche des Zapfens an den Seiten der Öffnung eines Ölschmierungslochs
    1004
    Auskehlungen
    1005
    Oberfläche senkrecht zu den Zapfen
    1006
    Bereich oder Abschnitt, der durch den Laserstrahl abgetastet werden kann
    a, b, c, d, e, f, g, h
    Segmente eines Abtastmusters
    A, B, C, D, E, F, G, H
    Geschwindigkeitsindikatoren
    α, β, γ, γ1, γ2
    Winkel, auf die in der Beschreibung Bezug genommen wird
    X, Y, Z
    Richtungen im Raum
    W
    die Umfangsrichtung
    d1–d12:
    Hinweise auf unterschiedliche Abmessungen eines Abtastmusters, in mm
    v1–v11:
    Hinweise auf eine Abtastgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Segmenten eines Abtastmusters, in mm/s
  • In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Ausdruck „effektiver Laserspot“ auf einen Bereich, auf welchen ein Laserstrahl effektiv projiziert wird, um so den Bereich zu beleuchten und zu erwärmen. Der effektive Laserspot kann sein ein Laserspot, der durch Umformen eines U-förmigen Laserstrahls unter Verwendung einer Optik erhalten wird, um so den Laserspot zu formen und um so die Leistung über den effektiven Laserspot in einer gewünschten Weise zu verteilen, oder ein virtueller oder äquivalenter Laserspot, der durch schnelles und wiederholtes Abtasten des Laserstrahls entlang eines Abtastmusters erhalten wird, um so den Laserstrahl auf den gleichen Bereich oder im Wesentlichen gleichen Bereich wiederholt aufzubringen, sodass der Erwärmungseffekt des Laserstrahls im Wesentlichen der gleiche ist, der er gewesen wäre, wenn ein stationärer Laserstrahl mit einer Leistungsverteilung entsprechend der Leistungsverteilung über dem virtuellen oder äquivalenten Laserspot während eines Abtastzyklus verwendet worden wäre. Hier bedeutet der Ausdruck „schnell“, dass die Abtastgeschwindigkeit viel größer ist als die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Laserquelle und der Oberfläche der Kurbelwelle, zum Beispiel in Umfangsrichtung, sodass Teile des zu härtenden Oberflächenbereichs durch den Laserspot wiederholt gehärtet werden. Zum Beispiel kann die Abtastgeschwindigkeit typischerweise so ausgewählt werden, dass zum Beispiel wenigstens 10, 50 oder 100 Abtastzyklen pro Sekunde erzielt werden. Vorzugsweise erfolgt, wenn der effektive Laserspot ein virtueller oder äquivalenter Laserspot ist, der durch wiederholtes Abtasten eines tatsächlichen oder wirklichen Laserspots über die zu härtende Oberfläche erhalten wird, das Abtasten vorzugsweise in zwei Dimensionen und beträgt die Größe des virtuellen Laserspots in beiden Dimensionen vorzugsweise wenigstens 2, 3, 4, 5, 10, 20 oder ein noch Mehrfaches der Größe des tatsächlichen oder realen Laserspots in dieser Dimension, zum Beispiel in der Richtung parallel zu einer Rotationsachse einer Kurbelwelle und in Umfangsrichtung eines Zapfens der Kurbelwelle. Der Ausdruck „Abtasten“ soll vorzugsweise dazu gedacht sein, die Bewegung des Laserstrahls zu implizieren und das Abtastmuster ist vorzugsweise dazu gedacht, sich auf das Muster zu beziehen, dem der Strahl auf einer stationären Oberfläche folgen würde, d. h. ohne die Relativbewegung zwischen der Laserquelle und der Oberfläche des Werkstücks zu berücksichtigen.
  • Ganz allgemein ist der Zuwachs des gehärteten Bereichs oder Segments durch eine Relativbewegung zwischen dem effektiven Laserspot und der zu härtenden Oberfläche erreicht, indem sich der effektive Laserspot und die Oberfläche im Bezug zueinander bewegen, zum Beispiel im Falle einer Kurbelwelle durch Rotation der Kurbelwelle. Um eine ausreichende Härtungstiefe zu erreichen, zum Beispiel eine Einsatzhärtungstiefe von 1000 µm oder mehr, wird vorgezogen, dass im Wesentlichen jeder Teil des zu härtenden Oberflächenbereichs über eine ausreichend lange Zeitdauer in dem Bereich des effektiven Laserspots verbleibt, wie etwa typischerweise zum Beispiel in dem Fall von Kurbelwellenzapfen 0,5–5 Sekunden, wie etwa 1–3 Sekunden, sodass nicht nur die Oberflächentemperatur hoch genug sein wird, sondern so, dass das Werkstück ausreichend bis zu der erforderlichen Tiefe erhitzt wird. Eine Steigerung der Leistungsdichte des Laserstrahls ist kein Ersatz für eine ausreichende Heizdauer, da der Oberflächenbereich nicht überhitzt werden sollte, da dies einen Schaden am Werkstück verursachen könnte. Somit sollte die Oberflächentemperatur über eine ausreichend Zeitdauer innerhalb eines adäquaten Bereichs liegen. Deshalb ist eine deutliche Größe des effektiven Laserspots in einer Dimension erwünscht, um so für eine ausreichende Breite des Härtungsweges zu sorgen (zum Beispiel, um so im Wesentlichen die gesamte Breite eines Zapfens einer Kurbelwelle abzudecken) und in einer anderen Dimension, um so eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem effektiven Laserspot und der zu behandelnden Oberfläche zu erlauben (um somit für eine hohe Produktionsgeschwindigkeit zu sorgen), während gleichzeitig den zu härtenden Bereichen ermöglicht wird, über eine ausreichende Zeitdauer innerhalb des effektiven Laserspots zu verbleiben, um so die gewünschte und geforderte Härtungstiefe zu erreichen.
  • In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Ausdruck „Kurbelwelle“ vorzugsweise auf den Teil eines Motors, der eine hin- und hergehende lineare Kolbenbewegung in Rotation überträgt, zum Beispiel auf die Art von Kurbelwelle, die in Verbrennungsmaschinen verwendet wird, wie solchen, die in vielen Arten von Kraftfahrzeugen, wie Lastkraftwagen, Automobilen und Motorrädern verwendet werden.
  • Im vorliegenden Dokument bezieht sich die Härtungstiefe vorzugsweise auf die effektive Einsatztiefe, welche sich vorzugsweise auf den Abstand senkrecht zur Oberfläche des gehärteten Einsatzes bis zum weitesten Punkt bezieht, an welchem ein spezifizierter Härtegrad erhalten wird. Der Grad kann im Bereich von zum Beispiel von 40–55 HRC, vorzugsweise 45 HRC liegen. Auf dem Gebiet von Kurbelwellen werden Härtegrade im Allgemeinen unter Berücksichtigung des Kohlenstoffgehalts des Stahls festgelegt, ein typischer Grad ist aber 45 HRC. Im Kontext der vorliegende Erfindung und hinsichtlich des Härtens von Zapfen einer Kurbelwelle ist eine Härtungstiefe von wenigstens 1000, 2000 oder 3000 µm bevorzugt. Ein weiterer Aspekt von Interesse kann der Grad oder die Tiefe sein, bis zu welcher 100% umgeformter Martensit beobachtet werden kann. Im Kontext der vorliegenden Erfindung und hinsichtlich des Härtens von Zapfen einer Kurbelwelle kann diese Tiefe vorzugsweise wenigstens bei 200, 300, 500, 800, 1000 µm oder mehr sein. Wenn ein segmentiertes Abtastmuster verwendet wird, kann eine Abtastgeschwindigkeit von wenigstens 300 Segmenten pro Sekunde vorgezogen werden, wobei Geschwindigkeiten von zum Beispiel wenigstens 600, 1000, 5000 und 100000 Segmenten pro Sekunde noch bevorzugter sein können, vorzugsweise in Kombination mit Wiederholungsfrequenzen des Abtastmusters von wenigstens 10 Hz, ganz bevorzugt wenigstens 50 Hz, noch bevorzugter von wenigstens 100 Hz oder 200 Hz.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit mehreren Bezugnahmen auf das Oberflächenhärten von Kurbelwellen beschrieben wurde, ist der Schutzbereich in keiner Weise auf die Oberflächenbehandlung von Kurbelwellen beschränkt.
  • In diesem Text sollte der Ausdruck „umfasst“ und seine Beugungen (wie „umfassend“ etc.) nicht in einem Ausschließlichkeitssinne verstanden werden, das heißt, diese Ausdrücke sollten nicht so interpretiert werden, dass die Möglichkeit ausgeschlossen ist, dass das, was beschrieben und definiert wird, weitere Elemente, Schritte etc. enthalten kann.
  • Andererseits ist die Erfindung nicht auf die hier beschriebene(n) spezifische(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern umfasst auch jegliche Variationen, die vom Fachmann als innerhalb des allgemeinen Schutzbereichs, wie dieser in den Ansprüchen definiert ist, angesehen werden kann (zum Beispiel hinsichtlich der Wahl von Materialien, Abmessungen, Komponenten, Konfiguration etc.).

Claims (82)

  1. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Zapfens (1001, 1002) einer Kurbelwelle (1000), wobei der Zapfen einen zu härtenden Oberflächenbereich aufweist, wobei sich der Oberflächenbereich in einer ersten Richtung parallel zu einer Rotationsachse (X) der Kurbelwelle und in einer zweiten Richtung entsprechend einer Umfangsrichtung (W) des Zapfens erstreckt, wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich umfasst, wobei der wenigstens eine wärmeempfindlichere Unterbereich einen Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch (1003) der Kurbelwelle umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf den Oberflächenbereich, um so einen effektiven Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) auf dem Oberflächenbereich zu produzieren, wobei sich der effektive Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) in der ersten Richtung über den Hauptteil des zu härtenden Bereichs erstreckt; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche der Kurbelwelle (1000) und der Laserquelle (1) in der Umfangsrichtung, um so den effektiven Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs in Umfangsrichtung zu projizieren; wobei der effektive Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) eine zweidimensionale Energieverteilung zeigt; wobei das Verfahren ein Anpassen der Energieverteilung umfasst, sodass die Energieverteilung, wenn der weniger wärmeempfindliche Unterbereich erwärmt wird anders ist als wenn der wärmeempfindlichere Unterbereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch (1003) erwärmt wird, um so ein Überhitzen des Bereichs angrenzend an ein Ölschmierungsloch (1003) zu vermeiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem während wenigstens 50% der Zeit des Aufbringens des effektiven Laserspots (2A, 2B, 2C, 2D, 5) auf dem Oberflächenbereich der effektive Laserspot eine Breite in Umfangsrichtung (W) von wenigstens 5 mm, vorzugsweise wenigsten 7 mm, ganz bevorzugt wenigsten 10 mm und noch bevorzugter wenigstens 15 mm, 20 mm, 30 mm oder mehr, wie etwa wenigstens 50 mm, hat.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der effektive Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) ein äquivalenter Laserspot ist, der durch Scannen des Laserstrahls (2) in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung erhalten wird, wobei einem Abtastmuster, entlang welchem der Laserspot mit einer Abtastgeschwindigkeit bewegt wird, wiederholt gefolgt wird, sodass die zweidimensionale Energieverteilung während eines Abtastzyklus durch die Abtastgeschwindigkeit, das Abtastmuster, die Größe des Laserspots, die Leistung des Laserstrahls und die Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem eine Anpassung der Energieverteilung ausgeführt wird durch Anpassen wenigstens eines von Abtastgeschwindigkeit, Abtastmuster, Größe des Laserspots, Leistung des Laserstrahls, und Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls, sodass die Energieverteilung, wenn der weniger wärmeempfindliche Unterbereich erhitzt wird anders ist als wenn der wärmeempfindlichere Unterbereich, einschließlich des Bereichs angrenzend an ein Ölschmierungsloch (1003), erhitzt wird, um so ein Überhitzen des Bereichs angrenzend an ein Ölschmierungsloch (1003) zu vermeiden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem eine Anpassung der Energieverteilung ausgeführt wird durch Anpassen der Leistung des Laserstrahls (2), zum Beispiel durch Einund Ausschalten des Laserstrahls (2) während eines Abtastvorgangs des Laserspots entlang des Abtastmusters.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem die Energieverteilung durch selektives Anpassen der Leistung des Laserstrahls während eines Abtastvorgangs des Laserspots entlang des Abtastmusters gesteuert wird, um so den Laserstrahl wenigstens 300mal pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000mal pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000mal pro Sekunde selektiv in einen von einer Mehrzahl von verfügbaren Leistungszuständen zu versetzen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem das Abtastmuster umfasst eine Mehrzahl von Segmenten (51A, 51B; a, b, c, d, e, f, g, h), wobei jedem der Segmente einer der verfügbaren Leistungszustände zugeordnet ist und wobei der wenigstens einem der Segmente zugeordnete Leistungszustand während des Erhitzens des weniger wärmeempfindlichen Unterbereichs anders ist als während des Erhitzens des wärmeempfindlicheren Unterbereichs, einschließlich des Bereichs angrenzend eines Ölschmierungslochs (1003).
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4–7, in welchem die Anpassung der Energieverteilung ausgeführt wird durch Anpassen der Abtastgeschwindigkeit während eines Abtastvorgangs des Laserspots entlang des Abtastmusters.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3–8, in welchem der Abtastvorgang mit einer Abtastgeschwindigkeit ausgeführt wird, die ausreichend hoch ist, sodass die Temperaturschwankungen an Punkten innerhalb des effektiven Laserspots eine Amplitude von weniger als 200 °C, vorzugsweise von weniger als 150 °C, ganz bevorzugt weniger als 100 °C und noch bevorzugter weniger als 50 °C zwischen einem lokalen Maximum und dem folgenden lokalen Minimum der Temperatur haben.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Energieverteilung in dem effektiven Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) derart ist, dass mehr Energie in Richtung der Enden des effektiven Laserspots in der ersten (X) Richtung aufgebracht wird als in Richtung des Zentrums des effektiven Laserspots in der ersten (X) Richtung.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Energieverteilung eine höhere Energiedichte an einem vorderen Bereich (2E) des effektiven Laserspots zeigt als an einem hinteren Bereich (2F) des effektiven Laserspots, derart, dass ein von dem effektiven Laserspot überstrichener Bereich zuerst eine Laserstrahlung mit höherer mittlerer Leistung empfängt und nachfolgend eine Laserstrahlung mit niedriger mittlerer Leistung empfängt.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Schritt des Aufbringens des effektiven Laserspots auf den Oberflächenbereich auf beiden Seiten des Ölschmierungsloches (1003) in der ersten Richtung, wobei sich dieses Ölschmierungsloch (1003) innen in einer schrägen Weise erstreckt, sodass sich dieses nicht unter eine erste (1003A) der Seiten, sondern auf eine zweite (1003B) der Seiten erstreckt, wobei der effektive Laserspot daran angepasst ist, mehr Energie (5A) auf die erste (1003A) der Seiten als auf die zweite (1003B) der Seiten aufzubringen.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der effektive Laserspot (5) eine erste Form im weniger wärmeempfindlichen Unterbereich hat und so ausgebildet ist, dass dieser eine im Wesentlichen U-Form hat, wenn dieser an ein Ölschmierungsloch (1003) ankommt und eine im Wesentlichen umgekehrte U-Form hat, wenn dieser das Ölschmierungsloch (1003) verlässt, oder umgekehrt, und wobei die erste Form optional eine im Wesentliche rechtwinklige oder dreieckige Form ist.
  14. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Zapfens (1001, 1002) einer Kurbelwelle (1000), wobei der Zapfen einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei sich der Oberflächenbereich in einer ersten Richtung parallel zu einer Rotationsachse (X) der Kurbelwelle und in eine zweite Richtung entsprechend einer Umfangsrichtung (W) des Zapfens erstreckt, wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich umfasst, wobei der wärmeempfindlichere Unterbereich einen Bereich angrenzend an ein Ölschmierungsloch (1003) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf den Oberflächenbereich; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche der Kurbelwelle (1000) und der Laserquelle (1) in der Umfangsrichtung (W), um so nacheinander den Laserstrahl auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs in Umfangsrichtung zu projizieren, um so ein Umfangssegment (1001A) des zu härtenden Oberflächenbereichs zu härten; Verschieben des Laserstrahls in der ersten Richtung, um so die Erstreckung des Umfangssegments (1001A) in der ersten Richtung zu vergrößern, bis das Härten des zu härtenden Oberflächenbereichs abgeschlossen ist; wobei das Verfahren ein Anpassen in der Weise umfasst, in welchem durch den Laserstrahl Energie auf die Kurbelwelle in Synchronisation mit der Relativbewegung zwischen der Laserquelle und der Oberfläche der Kurbelwelle aufgebracht wird, um so weniger Energie in Übereinstimmung mit dem wärmeempfindlicheren Unterbereich, einschließlich einem Bereich angrenzend an das Ölschmierungsloch (1003), aufzubringen als in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich, um so ein Überhitzen des Bereichs angrenzend an ein Ölschmierungsloch (1003) zu vermeiden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, in welchem der Schritt des Erzeugens einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche der Kurbelwelle (1000) und der Laserquelle (1) in Umfangsrichtung eine Rotation der Kurbelwelle mit hoher Geschwindigkeit umfasst, wie etwa einer Geschwindigkeit von mehr als 3000 rpm, wie etwa einer Geschwindigkeit von mehr als 6000 rpm.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 und 15 mit dem Schritt des gleichzeitigen Aufbringens von mehr als einem Laserstrahl (2) auf den Oberflächenbereich, um so eine Mehrzahl von Abschnitten eines Umfangssegments des Zapfens mit dem jeweiligen effektiven Laserspot (5) gleichzeitig zu erhitzen.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16 mit dem Schritt des Aufbringens von Energie zum Erhitzen des Oberflächenbereichs auf beiden Seiten eines Ölschmierungsloches (1003) in der ersten Richtung, wobei sich das Ölschmierungsloch (1003) innen in einer schrägen Weise erstreckt, sodass sich dieses nicht unter eine erste (1003A) der Seiten, sondern unter eine zweite (1003B) der Seiten erstreckt, wobei das Verfahren ein Aufbringen von mehr Energie (5A) auf die erste (1003A) der Seiten als auf die zweite (1003B) der Seiten umfasst.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17 mit dem Schritt des Bereitstellens einer Bewegung des effektiven Laserspots (5) in Umfangsrichtung des Zapfens (1001, 1002) mit einer ersten Geschwindigkeit, um so einen Umfangsteil des Zapfens wiederholt zu erhitzen, und einem Bewegen des effektiven Laserspots in der ersten Richtung mit einer zweiten Geschwindigkeit, die niedriger als die erste Geschwindigkeit ist, wodurch neue Umfangsbereiche erhitzt werden, während vorhergehend erhitzte Umfangsbereiche abkühlen können, um so eine Selbstabschreckung zu schaffen, um so die Größe eines gehärteten Umfangssegments (1001A) des Zapfens fortschreitend zu vergrößern.
  19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchen der effektive Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) auf den Zapfen in einer versetzten Weise projiziert wird.
  20. Verfahren eines Laserhärtens einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf den Oberflächenbereich, um so einen Laserspot auf dem Bereich zu produzieren; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks (1000) und der Laserquelle (1), wodurch dem Laserspot ermöglicht wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden; während der Relativbewegung, wiederholtes Abtasten des Laserstrahls (2) über den jeweiligen Teil des Oberflächenbereichs in zwei Dimensionen, um so einen zweidimensionalen äquivalenten effektiven Laserspot (2A, 2B, 2C, 2D, 5) auf den Oberflächenbereich zu produzieren, wobei der effektive Laserspot eine Energieverteilung hat; wobei die Energieverteilung so ausgebildet ist, dass diese in einem wärmeempfindlicheren Unterbereich anders ist als in einem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich, um so ein Überhitzen des wärmeempfindlicheren Unterbereichs zu verhindern.
  21. Verfahren nach Anspruch 20 mit einem Abtasten des Laserstrahls entlang einem Abtastmuster innerhalb des effektiven Laserspots (5) und einem Modifizieren der Leistung des Laserstrahls entlang des Abtastmusters, um so die Energieverteilung zu erhalten, optional durch Ein-/Ausschalten des Laserstrahls entlang des Abtastmusters.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, in welchem die Energieverteilung durch selektives Anpassen der Leistung des Laserstrahls während eines Abtastvorgangs des Laserspots entlang des Abtastmusters gesteuert wird, um so den Laserstrahl wenigstens 300mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 600mal pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000mal Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000mal pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000mal pro Sekunde selektiv in einen einer Mehrzahl von verfügbaren Leistungszuständen zu versetzen.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, in welchem das Abtastmuster eine Mehrzahl von Segmenten (51A, 51B; a, b, c, d, e, f, g, h) umfasst, wobei jedem der Segmente einer der verfügbaren Leistungszustände zugeordnet ist, und wobei der dem wenigstens einen der Segmente zugeordnete Leistungszustand in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich anders ist als in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20–23 mit dem Schritt des Verwendens eines anderen Abtastmusters für den Laserstrahl innerhalb des effektiven Laserspots in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich im Vergleich zu dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20–24 mit dem Schritt des Anpassens der Energieverteilung durch ein Anpassen der Abtastgeschwindigkeit, sodass diese in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich im Vergleich zu dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich wenigstens in einem Teil des effektiven Laserspots anders ist.
  26. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der effektive Laserspot (5) umfasst einen vorderen Bereich (2H) mit einer Energieverteilung und einer Energiedichte, die so ausgewählt ist, dass ein Oberflächenbereich des Werkstücks auf eine Härtungstemperatur erwärmt wird, einen Zwischenbereich (2I) mit einer Energieverteilung und Energiedichte, die so ausgewählt ist, dass ein Abkühlen eines erhitzten Bereichs zum Abschrecken erlaubt wird, und einen hinteren Bereich (2J) mit einer Energieverteilung und Energiedichte, die so ausgelegt ist, dass der abgeschreckte Bereich erwärmt wird, um so dessen Temperieren zu erzeugen.
  27. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem der effektive Laserspot durch wiederholtes Abtasten des Laserstrahls über dem Werkstück entlang eines Musters mit einer Mehrzahl von Linien (51) eingerichtet wird, wobei die Linien vorzugsweise im Wesentlichen parallel sind und wobei der Abtastvorgang mit einer Abtastfrequenz wiederholt wird und wobei jede der Mehrzahl von Linien eine Mehrzahl von Segmenten (51A, 51B) umfasst, wobei das Verfahren ein Zuordnen eines vorbestimmten Laserstrahl-Leistungswertes zu jedem der Segmente umfasst, um so die Ausgangsleistung des Laserstrahls selektiv an einigen der Segmente auf ein anderes Niveau als bei anderen der Segmente einzustellen.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, in welchem die Abtastfrequenz wenigstens 50 Hz, vorzugsweise 100 Hz beträgt, wobei die Mehrzahl der Linien wenigstens zwei Linien umfasst, vorzugsweise wenigstens 3 Linien, ganz bevorzugst wenigstens 4 Linien, wie etwa 5–10 Linien, und wobei jede Linie wenigstens 3 Segmente (51A, 51B), vorzugsweise wenigstens 5 Segmente und ganz bevorzugt wenigstens 10 Segmente, wie etwa 10–20 Segmente umfasst.
  29. Verfahren nach Anspruch 3 oder 20, in welchen das Abtasten des Laserstrahls so ausgeführt, dass der Laserspot wiederholt einem Abtastmuster mit einer Mehrzahl von Segmenten (51A, 51B; a, b, c, d, e, f, g, h) folgt und wobei wenigstens ein Parameterwert, der die zweidimensionale Energieverteilung beeinflusst, jedem der Segmente zugeordnet ist, und in welchem der wenigstens eine Parameterwert während des Betriebs dynamisch angepasst wird, sodass der wenigstens eine Parameterwert für wenigstens eines der Segmente anders ist, wenn der effektive Laserspot den wärmeempfindlicheren Unterbereich erwärmt, als wenn dieser den weniger wärmeempfindlichen Unterbereich erwärmt.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, in welchem der eine Parameterwert ein Hinweis ist auf wenigstens eins von Abtastgeschwindigkeit, Größe des Laserspots, Leistung des Laserstrahls, Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls, Länge des korrespondierenden Segments und Ausrichtung des korrespondierenden Segments.
  31. Verfahren nach Anspruch 29, in welchem der eine Parameterwert ein Hinweis ist für die Leistung des Laserstrahls in Übereinstimmung mit dem Segment.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 29–31 mit dem Schritt des Speicherns für jedes Segment des korrespondierenden wenigstens einem Parameterwertes in einen Speicher, wobei für wenigstens ein Segment wenigstens zwei unterschiedliche Parameterwerte in dem Speicher gespeichert werden, wobei ein erster beim Erwärmen des weniger wärmeempfindlichen Unterbereichs verwendet werden soll und ein zweiter beim Erwärmen des wärmeempfindlicheren Unterbereichs aufgebracht werden soll.
  33. Verfahren nach einem der Ansprüche 29–32, in welchem das Abtasten mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von wenigstens 300 Segmenten pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000 Segmenten pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 100000 Segmenten pro Sekunde ausgeführt wird.
  34. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Schritt des Reduzierens der Energiedichte an einem vorderem Bereich des effektiven Laserspots (5), wenn der effektive Laserspot an einem vorher gehärteten Teil des Oberflächenbereichs ankommt, wie etwa einem vorher gehärteten Bereich (1001B) eines Zapfens (1001, 1002) einer gehärteten Kurbelwelle, in dem der effektive Laserspot um den Zapfen in Umfangsrichtung (W) verschoben wird.
  35. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Schritt des Unterbrechens einer Bewegung des effektiven Laserspots an einem vorderen Bereich des effektiven Laserspots, wenn der effektive Laserspot an einem vorher gehärteten Teil des Oberflächenbereichs ankommt, wie etwa einem vorher gehärteten Bereich (1001B) eines Zapfens (1001, 1002) einer Kurbelwelle, die durch Verschieben des effektiven Laserspots um den Zapfen in Umfangsrichtung (W) herum gehärtet wurde, während sich ein hinterer Bereich des effektiven Laserspots in Umfangsrichtung weiter bewegt, wodurch die Größe des effektiven Laserspots in Umfangsrichtung fortschreitend verringert wird, bis der effektive Laserspot verschwindet.
  36. Verfahren des Laserhärtens einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei der Oberflächenbereich wenigstens wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf den Oberflächenbereich, um so einen Laserspot auf den Bereich zu produzieren; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks (1000) und der Laserquelle (1), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden; während der Relativbewegung, Abtasten des Laserstrahl (2) über dem jeweiligen Teil des Bereichs; wobei der Abtastvorgang so durchgeführt wird, dass der Laserspot einem Abtastmuster (2G) auf dem Oberflächenbereich folgt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von (i) einer Abtastgeschwindigkeit; und/oder (ii) einer Laserstrahlleistung; und/oder (iii) einer Laserspotgröße; in einem Teil des Abtastmusters anders ist als in einem anderen Teil des Abtastmusters, um so ein Überhitzen des Werkstücks in dem wärmeempfindlicherem Unterbereich zu vermeiden.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, in welchem das Abtastmuster (2G) eine Mehrzahl von Segmenten (a, b, c, d, e, f, g, h; 51A, 51B) umfasst und in welchem jedes der Segmente dort zugeordnet ist (i) einer Abtastgeschwindigkeit; und/oder (ii) einer Laserstrahlleistung; und/oder (iii) einer Laserspotgröße; wodurch wenigstens eines von der Abtastgeschwindigkeit der Laserstrahlleistung und der Laserspotgröße in Bezug zu wenigstens einem der Segmente im Vergleich zu wenigstens einem anderen der Segmente unterschiedlich ausgewählt wird.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, in welchem die Abtastgeschwindigkeit so ausgewählt wird, dass diese in einem Segment (c, g; a, e), das näher an einem wärmeempfindlicheren Unterbereich liegt, höher ist als in zwei angrenzenden Segmenten (b, d; h, f), die weiter weg von dem wärmeempfindlichen Unterbereich sind.
  39. Verfahren nach Anspruch 37 und 38, in welchem die Laserstrahlleistung so ausgewählt wird, dass diese in einem Segment (c, g; a, e), das näher an einem wärmeempfindlicheren Unterbereich liegt, niedriger ist als in zwei angrenzenden Segmenten die weiter weg von dem wärmeempfindlichen Unterbereich (b, d; h, f), liegen.
  40. Verfahren nach einem der Ansprüche 37–39, in welchem der Laserspot so ausgewählt ist, dass dieser eine größere Fläche (c, g; a, e) hat in einem Segment, das näher an einem wärmeempfindlicheren Unterbereich liegt, als in zwei angrenzenden Segmenten (b, d; h, f), die weiter weg von dem wärmeempfindlichen Unterbereich liegen.
  41. Verfahren nach einem der Ansprüche 28–40, in welchem die ( i) Abtastgeschwindigkeit; und/oder (ii) Laserstrahlleistung; und/oder (iii) Laserspotgröße; die einem oder mehreren der Segmente zugeordnet sind, wenigstens einmal modifiziert wird, wenn sich die Oberfläche des Werkstücks (1000) in Bezug zu der Laserquelle (1) zubewegt.
  42. Verfahren nach einem der Ansprüche 37–38 mit dem Schritt des Programmierens eines elektronischen Steuermittels (100) zum Steuern des Laserstrahls durch Zuordnen zu jedem der Segmente (a, b, c, d, e, f, g, h), (i) wenigstens einer Abtastgeschwindigkeit; und/oder (ii) wenigstens einer Laserstrahlleistung; und/oder (iii) wenigstens einer Laserspotgröße.
  43. Verfahren nach einem der Ansprüche 36–42, in welchem das Abtastmuster (2G) eine geometrische Form hat, wobei die geometrische Form des Abtastmusters (2G) wenigstens einmal modifiziert wird, wenn sich die Oberfläche des Werkstücks (1000) in Bezug zu der Laserquelle (1) zubewegt.
  44. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf den Oberflächenbereich, um so einen Laserspot auf dem Oberflächenbereich zu produzieren; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks (1000) und der Laserquelle (1), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden; während der Relativbewegung, Abtasten des Laserstrahls (2) über den jeweiligen Teil des Oberflächenbereichs; wobei das Abtasten so durchgeführt wird, dass der Laserspot einem Abtastmuster (2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G) auf dem Bereich folgt, wobei das Abtastmuster eine geometrische Konfiguration hat, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Konfiguration des Abtastmusters wenigstens einmal während der Relativbewegung zwischen dem Oberflächenbereich und der Laserquelle modifiziert wird.
  45. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich und wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf den Oberflächenbereich, um somit einen Laserspot auf den Oberflächenbereich zu produzieren; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks (1000) und der Laserquelle (1), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden; während der Relativbewegung, Abtasten des Laserstrahls (2) über den jeweiligen Teil des Oberflächenbereichs; und Modulieren des Laserstrahls (2); dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2), wenn sich der Laserspot in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich befindet, anders moduliert wird, als wenn sich dieser in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich befindet, um so ein Überhitzen des jeweiligen Bereichs des Werkstücks zu verhindern; wobei A – der Laserstrahl in seiner Leistung moduliert wird; und/oder B – der Laserstrahl in seiner Abtastgeschwindigkeit moduliert wird; und/oder C – der Laserstrahl in seinem Abtastmuster so moduliert wird, dass der Laserspot einem unterschiedlichen Abtastmuster (2B, 2D) in Überstimmung mit dem wärmeempfindlicheren Unterbereich als in Überstimmung mit dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich folgt; und/oder D – der Laserstrahl in seiner Laserspotgröße moduliert wird, sodass die Laserspotgröße in Übereinstimmung mit den wärmeempfindlicheren Unterbereich anders als in Überstimmung mit dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich.
  46. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Werkstück wenigstens einen zu härtenden Oberflächenbereich umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf den Oberflächenbereich, um somit einen Laserspot auf den Oberflächenbereich zu produzieren; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle (1), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs projiziert zu werden; während der Relativbewegung, Abtasten des Laserstrahls (2) über den jeweiligen Teil des Bereichs; dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen so durchgeführt wird, dass der Bereich der Oberfläche des Werkstücks der in einen Bereich eintritt, der von dem Laserstrahl überstrichen wird, zuerst eine Laserstrahlung mit höherer Durchschnittsleistung empfängt und danach eine Laserstrahlung mit niedriger Durchschnittsleistung empfängt.
  47. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Bereichs eines Werkstücks mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf die Oberfläche, um somit einen Laserspot auf der Oberfläche zu produzieren; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle (1), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Teile der Oberfläche entlang des Umfangs der Oberfläche projiziert zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf die Oberfläche in einer außermittigen Weise projiziert wird.
  48. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Bereichs eines Werkstücks, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf die Oberfläche, um somit einen Laserspot auf der Oberfläche zu produzieren; Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Laserquelle (1), wodurch dem Laserspot erlaubt wird, nacheinander auf unterschiedliche Bereiche der Oberfläche projiziert zu werden; dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf die Oberfläche in einer Richtung projiziert wird, die nicht senkrecht zur Oberfläche ist, vorzugsweise an der Einfallsstelle zwischen dem Laserstrahl und der Oberflächen einen Winkel von weniger als 70° mit der Oberfläche bildet.
  49. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren von Laserlicht aus einer Laserquelle (1) auf zu härtende Oberflächenbereiche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht auf einen ersten Oberflächenbereich (1001, 1002) und auf einen zweiten Oberflächenbereich (1005) projiziert wird, der sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten Oberflächenbereich erstreckt, wobei das Verfahren umfasst ein Splitten des Laserstrahls (2) in eine erste Laserstrahlkomponente (2’) mit einer s-Polarisierung und in eine zweite Laserstrahlkomponente (2’’) mit einer p-Polarisierung und ein Verwenden der ersten Laserstrahlkomponente zum Erwärmen des ersten Oberflächenbereichs (1001, 1002) und ein Verwenden der zweiten Laserstrahlkomponente für ein Erwärmen des zweiten Oberflächenbereichs (1005).
  50. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem ein Produzieren einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1000) und der Laserquelle (1) ein Drehen des Werkstücks um eine Rotationsachse umfasst, sodass der Laserlichtspot auf den gesamten Umfang des zu härtenden Oberflächenbereichs Zugang haben kann.
  51. Verfahren nach Anspruch 50, in welchem das Produzieren einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1000) und der Laserquelle (1) ein Erzeugen einer Relativbewegung in einer ersten Richtung senkrecht zu der Rotationsachse und in einer zweiten Richtung senkrecht zu der Rotationsachse umfasst, wobei die Bewegung in der ersten Richtung durch ein Verschieben des Werkstücks erzeugt wird, und wobei die Bewegung in der zweiten Richtung durch ein Verschieben der Laserquelle erzeugt wird, und wobei optional die Laserquelle (1) parallel zur Rotationsachse bewegbar ist.
  52. Verfahren nach einem der Ansprüche 20–51, in welchem das Werkstück eine Kurbelwelle (1000) mit einer Mehrzahl von Ölschmierungslöchern (1003) ist.
  53. Verfahren zum Laserhärten einer Oberfläche einer Kurbelwelle, wobei die Kurbelwelle (1000) Hauptzapfen (1001), Kurbelzapfen (1002) und Ölschmierungslöcher (1003) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Projizieren eines Laserstrahls (2) von einer Laserquelle (1) auf eine Oberfläche eines zu härtenden Zapfens (1001, 1002), um einen Laserspot auf einer Oberfläche zu erzeugen, und Bewegen der Oberfläche mit Bezug zu der Laserquelle (1) durch Rotieren der Kurbelwelle; dadurch gekennzeichnet, dass während der Rotation der Kurbelwelle der Laserstrahl (2) über wenigstens einen Teil der Oberfläche des Zapfens in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Abtastmuster (2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G) abtastend bewegt wird, um so die Oberfläche zu erwärmen, und dadurch, dass das Abtasten so durchgeführt wird, dass weniger Energie auf wärmeempfindlichere Unterbereiche aufgebracht wird und als auf weniger wärmeempfindliche Unterbereiche der Oberfläche.
  54. Verfahren nach Anspruch 52, in welchem der Abtastvorgang durchgeführt wird, indem die Leistung des Laserstrahls im Wesentlichen konstant gehalten wird und die Abtastgeschwindigkeit und/oder das Abtastmuster angepasst wird/werden, um so weniger Energie auf wärmeempfindlichere Unterbereiche als auf weniger wärmeempfindliche Unterbereiche der Oberfläche aufzubringen.
  55. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastvorgang durchgeführt wird, indem das Abtastmuster im Wesentlichen konstant gehalten wird und die Abtastgeschwindigkeit und/oder die Strahlleistung angepasst wird, um so weniger Energie auf wärmeempfindlichere Unterbereiche als auf weniger wärmeempfindliche Unterbereiche der Oberfläche aufzubringen, zum Beispiel durch ein dynamisches Anpassen eines Ein/Aus-Zustandes des Laserstrahls in Übereinstimmung mit Segmenten (51A, 51B) des Abtastmusters.
  56. Verfahren nach Anspruch 53, in welchem das Abtastmuster eine Mehrzahl von Segmenten umfasst und in welchem jedem der Segmente ein Strahlleistungszustand zugeordnet wird, um die Leistung des Laserstrahls in Übereinstimmung mit jedem Segment auf ein Leistungsniveau entsprechend des Leistungszustandes einzustellen und in welchem der Laser so angeordnet wird, dass die Leistung des Laserstrahls bedarfsweise und durch die Strahlleistungszustände geändert wird, und in welchem der Abtastvorgang mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 300 Segmenten pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000 Segmenten pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000 Segmenten pro Sekunde stattfindet, wobei das Abtastmuster mit einer Frequenz von wenigstens 10 Hz, vorzugsweise wenigstens 50 Hz, ganz bevorzugt wenigstens 100 Hz durchgeführt wird, und in welchem der dem wenigstens einen der Segmente zugeordnete Leistungszustand in Übereinstimmung mit dem wärmeempfindlicheren Unterbereich anders ist als in Übereinstimmung mit dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich.
  57. Verfahren nach einem der Ansprüche 53–56, in welchem die wärmeempfindlicheren Unterbereiche Bereiche angrenzend an die Ölschmierungslöcher (1003) und/oder Bereiche angrenzend an Auskehlungen (1004) an den axialen Enden der Zapfen der Kurbelwelle umfassen.
  58. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Laserquelle einen Faserlaser umfasst.
  59. System zum Härten wenigstens eines Teils der Oberfläche eines Werkstücks (1000), wobei das System eine Laserquelle (1) und Mittel (12, 13, 21) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einer Oberfläche des Werkstücks (1000) und der Laserquelle (1) umfasst, wobei das System ferner eine elektronischen Steuereinrichtung (100) zum Steuern des Betriebs des Systems umfasst. dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (100) zum Betrieb des Systems so angeordnet ist, dass diese das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.
  60. Computerprogramm mit einem Programmbefehle ausführenden Verfahren nach einem der Ansprüche 1–58, wenn dieses in einem System gemäß Anspruch 59 ausgeführt wird.
  61. Informationsträger, der das Computerprogramm gemäß Anspruch 60 speichert.
  62. Vorrichtung zum Laserhärten von Oberflächen von Zapfen einer Kurbelwelle (1000), die wenigstens zwei zentral angeordnete Hauptzapfen (1001) und wenigstens einen versetzten Kurbelzapfen (1002) umfasst, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Kurbelwellenhalter (20), der so angeordnet ist, dass dieser die Kurbelwelle trägt und optional die Kurbelwelle um eine Längsachse der Kurbelwelle dreht; wenigstens eine Laserquelle (1), die so angeordnet ist, dass diese einen Laserstrahl (2) auf einen Zapfen der Kurbelwelle (1000) projiziert, um so einen Laserspot auf dem Zapfen zu erzeugen; wobei die Laserquelle eine bi-direktionale Abtasteinrichtung (3) zum Abtasten des Laserstrahls in zwei Dimensionen umfasst, um so ein zweidimensionales Abtastmuster auf der Oberfläche des Zapfens einzurichten.
  63. Vorrichtung nach Anspruch 62, in welchem der Kurbelwellenhalter (20) und die Laserquelle (1) in Bezug zueinander in wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen, senkrecht zur Längsachse, verschiebbar sind, um so während der Rotation der Kurbelwelle um die Längsachse für einen konstanten Abstand zwischen einem Kurbelzapfen (1002) und der Laserquelle (1) zu sorgen, wobei der Kurbelzapfen in Bezug zu der Längsachse verdeckt ist.
  64. Vorrichtung nach Anspruch 63, in welchem die Laserquelle (1) in einer ersten Richtung (Z), vorzugsweise vertikal, verschiebbar ist, und in welchem der Kurbelwellenhalter (20) in einer zweiten Richtung (Y), vorzugsweise horizontal, verschiebbar ist, wobei sowohl die erste als auch die zweite Richtung senkrecht zur Längsachse sind.
  65. Vorrichtung nach Anspruch 64, in welcher die Laserquelle (1) ferner parallel zur Längsachse der Kurbelwelle verschiebbar ist.
  66. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 62–65 mit einer Steuereinheit (100), die einen Speicher umfasst, der Parameterwerte speichert, die dem Abtastmuster zugeordnet sind, einschließlich einer Mehrzahl von Sätzen von Parameterwerten, wobei ein erster Satz der Parameterwerte eine erste zweidimensionale Energieverteilung auf einem Zapfen der Kurbelwelle bestimmt und ein zweiter Satz der Parameterwerte eine zweite zweidimensionale Energieverteilung auf dem Zapfen bestimmt.
  67. Vorrichtung nach Anspruch 66, in welchem die Steuereinheit (100) so angeordnet ist, dass diese den Härtungsprozess steuert, indem diese während der Rotation der Kurbelwelle um ihre Längsachse selektiv den ersten Satz Parameterwerte und den zweiten Satz Parameterwerte und, optional, weitere Sätze von Parameterwerten, die im Speicher gespeichert sind, synchron mit dem Auftreten eines wärmeempfindlicheren Unterbereichs innerhalb des zweidimensionalen Abtastmusters anwendet.
  68. Vorrichtung nach Anspruch 66 oder 67, in welchem das Abtastmuster ein segmentiertes Abtastmuster ist, dass eine Mehrzahl von Segmenten (a, b, c, d, e, f, g, h; 51A, 51B) umfasst und in welchem wenigstens einer der Parameterwerte jedem Segment zugeordnet ist, wobei der wenigstens eine Parameterwert ein Hinweis von wenigstens einem der Abtastgeschwindigkeit, Größe des Laserspots, Leistung des Laserstrahls, Leistungsverteilung innerhalb des Laserstrahls, Länge des korrespondierenden Segments und Ausrichtung des korrespondierenden Segments ist.
  69. Vorrichtung nach Anspruch 68, angeordnet zur Ausführung des Abtastvorgangs mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von wenigstens 300 Segmenten pro Sekunde, vorzugsweise wenigstens 600 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 1000 Segmenten pro Sekunde, ganz bevorzugt wenigstens 5000 Segmenten pro Sekunde und noch bevorzugter wenigstens 10000 Segmenten pro Sekunde.
  70. Vorrichtung zum Härten eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks (1000), wobei der Oberflächenbereich wenigstens einen weniger wärmeempfindlichen Unterbereich und wenigstens einen wärmeempfindlicheren Unterbereich umfasst, wobei die Vorrichtung einer Laserquelle (1) umfasst, die so angeordnet ist, dass diese einen effektiven Laserspot auf den Oberflächenbereich projiziert, und eine Einrichtung (12, 13, 21) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Oberflächenbereich und dem effektiven Laserspot, sodass der effektive Laserspot entlang des Oberflächenbereichs bewegt wird, um so nacheinander und fortschreitend unterschiedliche Teile des Oberflächenbereichs auf eine zum Härten geeignete Temperatur zu erwärmen, wobei der effektive Laserspot so angeordnet ist, dass dieser eine zweidimensionale Energieverteilung zeigt, wobei die Vorrichtung ferner ein Steuersystem (100) zum Steuern des Betriebs der Vorrichtung umfasst, wobei das Steuersystem so angeordnet ist, dass dieses die zweidimensionale Energieverteilung so steuert, dass diese in dem wärmeempfindlicheren Unterbereich anders ist als in dem weniger wärmeempfindlichen Unterbereich.
  71. Vorrichtung nach Anspruch 17, in welchem der wenigstens eine wärmeempfindlichere Unterbereich umfasst: – einen Bereich angrenzend an ein Loch in dem Oberflächenbereich, wie ein Ölschmierungsloch (1003); und/oder – eine Auskehlung (1004), wie eine hinterschnittene Auskehlung; und/oder – einen vorher gehärteten Teil des Oberflächenbereichs, wie etwa den Teil, an welchem der effektive Laserspot am Ende einer 360° Bewegungsbahn entlang des Umfangs eines Objekts ankommt, wie etwa einem zylindrischen Zapfen (1001, 1002) einer Kurbelwelle (1000).
  72. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 70–71 so konfiguriert, dass diese so arbeitet, dass der effektive Laserspot eine Größe hat und sich entlang des Oberflächenbereichs mit einer Geschwindigkeit so bewegt, dass dieser während wenigstens eines Teils der Bewegung des effektiven Laserspots entlang des Oberflächenbereichs, vorzugsweise während wenigstens 50% und ganz bevorzugt während wenigstens 90% und noch bevorzugter während 100% der Bewegung des effektiven Laserspots entlang des Oberflächenbereichs, Teile innerhalb des Oberflächenbereichs, die durch den effektiven Laserspot erhitzt werden, für wenigstens 0,5 Sekunden erhitzt, vorzugsweise wenigstens 1 Sekunde, und wobei die Größe des effektiven Laserspots in der Richtung, in welcher sich der effektive Laserspot entlang des Oberflächenbereichs bewegt, wenigstens 5 mm beträgt, vorzugsweise wenigstens 7 mm, ganz bevorzugt wenigstens 10 mm und noch bevorzugter wenigstens 15 mm, 20 mm, 30 mm oder mehr, wie wenigstens 50 mm.
  73. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 70–72, angeordnet, um den effektiven Laserspot durch Erzeugen einer Mehrzahl von Segmenten (a, b, c, d, e, f, g, h; 51A, 51B) des effektiven Laserspots zu erzeugen, wobei die Mehrzahl von Segmenten wenigsten sechs Segmente umfasst, wobei das Steuersystem so angeordnet ist, dass dieses die zweidimensional Energieverteilung modifiziert, indem die Energiedichte und/oder die Verteilung der Segmente in Übereinstimmung mit dem Parameterwerten, denen die Segmente zugeordnet sind, selektiv modifiziert wird/werden, wobei die Parameterwerte in einem Speicher des Steuersystems gespeichert sind.
  74. Vorrichtung nach Anspruch 73, in welchem die Laserquelle eine Abtasteinrichtung umfasst, die zum zweidimensionalen Abtasten eines Laserstrahls der Laserquelle angeordnet ist, wobei das Steuersystem zum Abtasten des Laserstrahls in zwei Dimensionen entlang eines Abtastmusters mit einer Mehrzahl von Segmenten angeordnet ist, um so den effektiven Laserspot zu erzeugen, wobei das Abtastmuster mit einer Wiederholungsgeschwindigkeit von wenigstens 10 Hz, vorzugsweise wenigstens 50 Hz, ganz bevorzugt wenigstens 100 Hz und noch bevorzugter wenigstens 200 Hz wiederholt wird.
  75. Vorrichtung nach Anspruch 74, in welchem die Parameterwerte ein Hinweis sind auf ein Strahl-Leistungsniveau und/oder eine Abtastgeschwindigkeit des Strahls in Übereinstimmung mit dem korrespondierenden Segment des Abtastmusters.
  76. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 70–72, in welchem die Laserquelle eine Abtasteinrichtung umfasst, die zum zweidimensionalen Abtasten eines Laserstrahls der Laserquelle angeordnet ist, in welcher das Steuersystem zum Abtasten des Laserstrahls in zwei Dimensionen angeordnet ist, um so den effektiven Laserspot zu erzeugen, der einem Abtastmuster folgt, wobei das Abtastmuster mit einer Wiederholungsgeschwindigkeit von wenigstens 10 Hz, vorzugsweise wenigstens 50 Hz, ganz bevorzugt wenigstens 100 Hz und sogar noch bevorzugter wenigstens 200 Hz wiederholt wird.
  77. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 70–76, programmiert zum Härten wenigstens eines Zapfens einer Kurbelwelle, wobei die Vorrichtung so programmiert ist, dass diese den effektiven Laserspot so erzeugt, dass sich dieser über mehr als 50% des Zapfens der Kurbelwelle, vorzugsweise über mehr als 75% des Zapfens der Kurbelwelle erstreckt.
  78. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 70–77, in welcher das Steuersystem einen Speicher (110, 120; 140, 150) umfasst, der so angeordnet ist, dass dieser eine Mehrzahl von Datensätzen (111–114; 121–124; 141; 151) umfasst, wobei jeder der Datensätze ein Hinweis auf eine zweidimensionale Energieverteilung des effektiven Laserspots ist, wobei die Vorrichtung so angeordnet ist, dass diese die zweidimensionale Energieverteilung des effektiven Laserspots anpasst, wenn der effektive Laserspot entlang des Oberflächenbereichs bewegt wird, indem einer der Mehrzahl von Datensätzen zum Betrieb der Laserquelle verwendet wird, wenn der effektive Laserspot auf den weniger wärmeempfindlichen Unterbereich projiziert wird, und in dem wenigstens ein anderer der Mehrzahl von Datensätzen zum Betrieb der Laserquelle verwendet wird, wenn der effektive Laserspot auf den wärmeempfindlicheren Unterbereich projiziert wird.
  79. Verfahren zum Laserhärten wenigstens eines Oberflächenbereichs eines Werkstücks, wie einer Kurbelwelle, mit dem Schritt des Härtens des Oberflächenbereichs des Werkstücks auf eine Temperatur zum Härten unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 68–76 und dem Schritt, erhitzten Teilen des Oberflächenbereichs zu erlauben, sich abzukühlen, um so ein Abschrecken zu erzeugen.
  80. Kurbelwelle mit einer Mehrzahl von Zapfen, wobei wenigstens einer der Zapfen eine Oberfläche hat, die durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–58 und 79 gehärtet wurde.
  81. Verfahren zum Programmieren einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 62–78 zum Laserhärten von Zapfen einer Kurbelwelle mit den Schritten Zuordnung von Parameterwerten mit Bezug auf eine Energieverteilung, wie einer Laserstrahlleistung und/oder einer Abtastgeschwindigkeit und/oder einer Länge eines Segments und/oder einer Ausrichtung eines Segments, zu einer Mehrzahl von Segmenten (a, b, c, d, e, f, g, h; 51A, 51B), um so eine Mehrzahl von Datensätzen einzurichten, wobei jeder Datensatz einer spezifischen zweidimensionalen Energieverteilung eines effektiven Laserspots entspricht, der auf einen zu härtenden Oberflächenbereich projiziert werden soll und entlang des Oberflächenbereichs verschoben werden soll, Speichern der Datensätze und Programmieren der Vorrichtung, um die Energieverteilung des effektiven Laserspots in Synchronisation mit der Bewegung des effektiven Laserspots entlang des Oberflächenbereichs anzupassen, indem die Energieverteilung in Übereinstimmung mit wenigstens einem der Datensätze zum Erwärmen wenigstens des weniger wärmeempfindlichen Unterbereichs des Oberflächenbereichs angepasst wird und in dem die Energieverteilung in Überstimmung mit wenigstens einem anderen der Datensätze zum Erwärmen eines wärmeempfindlicheren Unterbereichs des Oberflächenbereichs angepasst wird.
  82. Verfahren nach Anspruch 81 mit dem Schritt, nach dem Schritt des Einrichtens eines Datensatzes, des Berechnens und Visualisierens einer korrespondierenden zweidimensionalen Energieverteilung auf einem Schirm (102).
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