DE19742739A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung der Oberfläche von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche von Werkstücken, insbesondere von Brennkraftmaschinen unter Stickstoffatmo­ sphäre mittels Laserstrahlung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist in der EP 0 745 450 A1 beschrieben. Dabei wird mittels eines gepulsten UV-Lasers unter Stickstoffumgebung auf der Oberfläche eines Werkstückes aus einer AlSi-Legierung eine mehrere µm-starke Aluminiumnitrit (ALN) Oberflächenschicht ausgebildet, die nahezu homogen und glattflächig vorliegt, so daß hervorragende tribologische Ei­ genschaften und eine hohe Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbestän­ digkeit erreicht werden. Die Oberflächen können bevorzugt Zylinderlaufflä­ chen von Hubkolbenmaschinen, aber auch andere Gleit- oder Lagerflächen sein. Zur Erzielung einer ausreichenden Nitritschicht (N) ist eine relativ große Anzahl von Laserimpulsen erforderlich, die entsprechend in die Bear­ beitungszeit eingeht.

Aufgabe der Erfindung ist es, daß gattungsgemäße Verfahren derart weiter­ zubilden, daß auch andere Metalle, z. B. Gußeisen, bearbeitbar sind, wobei die Diffussionstiefe, die tribologischen Eigenschaften und der Fertigungs­ aufwand weiter verbessert werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Patentan­ sprüchen 9 und folgende gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfah­ rens sind in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 8 angeführt.

Erfindungsgemäß wird auf die zu bearbeitende Oberfläche eine Laserstrah­ lung aus mindestens zwei Wellenlängenbereichen des nahinfraroten oder sichtbaren Spektrums einerseits und des ultravioletten Spektrums anderer­ seits appliziert. Mittels der erstgenannten langwelligen Strahlung wird die Oberfläche lokal je nach bearbeitetem Werkstoff auf z. B. 400-450°C er­ wärmt und dann wie an sich bekannt die UV-Laserstrahlung indiziert, wobei der Stickstoff bzw. die Nitritschicht eindiffundiert. Dabei ist bei gleicher oder noch größerer Eindringtiefe bzw. Schichtstärke ein geringerer Energieauf­ wand bei der UV-Laserapplikation erforderlich. Die Fertigungszeit bei einer Serienfertigung ist insgesamt verringert.

Der infrarot oder sichtbare Laserstrahl kann kontinuierlich oder mit langer Impulsdauer bis zu 100 µs und der UV-Laserstrahl im ns-Bereich betrieben werden. Daraus resultiert eine extrem schnelle Vorwärmung der lokalen Oberfläche mit anschließendem Eindiffundieren des Stickstoffes. Bevorzugt kann dabei der UV-Laser ein Excimer-Laser und der Nahinfrarot-Laser ein ND-Yag-Laser sein. Zur Verringerung des Fertigungsaufwandes wird ferner vorgeschlagen, daß die Laserstrahlung der beiden Wellenlängen auf der­ selben optischen Achse betrieben werden, d. h., daß die für die Bearbeitung der Oberfläche (Strahllenkung, Fokusierung) erforderliche Laseroptik nur einmal vorhanden zu sein braucht.

Dabei kann die Energie des einen Lasers über einen Strahlteiler umgelenkt bzw. in die Strahlachse des anderen Lasers eingekoppelt werden. Es kann aber auch bei verringertem Investitionsaufwand ein Infrarotlaser oder sicht­ bares Licht emittierender Laser gleichzeitig auf der Grundwellenlänge und unter Verwendung von Strahlteilern und einem Verstärker auf einer fre­ quenzvervielfachten Länge betrieben werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich ferner die Verwendung eines Strahlhomo­ genisators gezeigt, mittels dem auch bei relativ großen Diffusionstiefen des Stickstoffes eine hervorragende Glättung der Oberfläche bzw. ausgezeich­ nete tribologische Eigenschaften beobachtet werden können. Der Strahlho­ mogenisator kann z. B. ein Facettenspiegel, durch Multireflexion (Mikrolinsenarray) oder durch eine geeignete Faseroptik bzw. Glasfaser gebildet sein, wobei dieser Strahlenhomogenisator zur Verringerung wie­ derum des Vorrichtungs- und Investitionsaufwandes auf alle verwendeten Wellenlängen ausgelegt und gleichzeitig betreibbar sein soll.

Zur Verstärkung der Nitritausbildung bei einer homogenen Oberflächen­ struktur kann der Stickstoffatmosphäre Argon in einem Verhältnis von bis zu 30% zugesetzt werden.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann entweder einen ND-Yag-Laser und einen Excimer-Laser aufweisen, die räumlich ge­ trennt angeordnet sind, und deren emittierte Laserstrahlen über einen Strah­ lungsteiler koaxial ausgerichtet und über eine einheitliche Laseroptik auf die Oberfläche des Werkstückes appliziert sind oder die hintereinander geschal­ tet angeordnet sind, wobei die langwellige Laserstrahlung durch den UV- Laser hindurch appliziert wird.

Bei verringertem Investitions- und Vorrichtungsaufwand kann jedoch auch ein ND-Yag-Laser mit einer Grundwellenlänge im infrarot- oder sichtbaren Bereich vorgesehen sein, dessen Laserstrahl über einen ersten Strahlteiler auskoppelbar, mittels eines Verstärkers frequenzvervielfacht auf UV-Wellen­ länge und über einen zweiten Strahlteil wieder einkoppelbar und über eine einheitliche Laseroptik auf die Oberfläche des Werkstückes applizierbar ist.

Ferner wird vorgeschlagen, einen auf die zumindest zwei verwendeten Wellenlängen optisch ausgelegten Strahlhomogenisator in die Strahlungs­ applikation einzuschalten.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Laserbehandlung der Oberfläche eines Werk­ stückes aus Gußeisen mit einem ND-Yag- und einem Excimer-Laser unter Verwendung eines Strahlhomogenisators,

Fig. 2 eine Vorrichtung gemäß Fig. 1, aber unter Verwendung nur eines ND- Yag-Lasers und eines Verstärkers, und

Fig. 3 eine Graphik zur Intensität der applizierten Laserstrahlung im UV- und Infrarot-Bereich über der Zeit.

Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung zur Bearbeitung der Oberfläche 10 ei­ nes Werkstückes 12, z. B. der Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelge­ häuses aus einer Al-Si-Legierung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, ei­ nen Excimer-Laser 14 zur Applikation einer UV-Laserstrahlung 16 (kurze unterbrochene Linien) und einen ND-Yag-Laser 18 zur Erzeugung einer langwelligen, insbesonder infraroten Laserstrahlung 20 (lange unterbro­ chene Linien) auf. Die UV-Wellenlänge kann z. B. 350 nm und die Infrarot- Wellenlänge 1050 nm sein.

Die beiden Laser 14, 18 sind räumlich voneinander getrennt angeordnet, wo­ bei der Laserstrahl 20 des ND-Yag-Lasers entweder über einen Strahlteiler 22 von seiner zunächst senkrecht (oder auch schräg) zur Strahlrichtung des UV-Laserstrahls 16 ausgesandten Richtung umgelenkt bzw. koaxial gleich­ gerichtet wird oder bei einer Anordnung der beiden Laser 14, 18 hintereinan­ der der langwellige Laserstrahl 20 durch den Excimer-Laser 14 hindurch koaxial zum kurzwelligen Laserstrahl 16 gekoppelt wird.

Die Laserstrahlen 16, 20 werden anschließend durch eine nicht näher dar­ gestellte Laseroptik 24 entsprechend ihrer Anwendung ggf. umgelenkt und fokusiert, und treffen schließlich nach Passieren eines Strahlhomogenisators 26, z. B. nach dem Multireflexionsverfahren, auf die Oberfläche 10 des Werkstückes 12 auf.

Gemäß Fig. 2 ist nur ein ND-Yag-Laser 18 vorgesehen, der eine infrarote Grundwellenlänge von z. B. 1050 nm als Laserstrahl 20 emittiert. Dieser La­ serstrahl 20 wird über einen ersten Strahlteiler 28 zeitweilig abgelenkt, ei­ nem Verstärker 30 mit einer Frequenzvervielfachung in den UV-Bereich von z. B. 350 nm zugeleitet, entsprechend moduliert und über einen zweiten Strahlteiler 32 wieder koaxial in die erste Strahlrichtung eingekoppelt.

Anschließend wird der in zwei Wellenlängen veränderliche Laserstrahl 16, 20 wiederum über die Laseroptik 24 und den Strahlhomogenisator 26 auf die Oberfläche 10 des Werkstückes 12 appliziert.

Eine mögliche Laserapplikation am Werkstück 12 zeigt die Fig. 3, wobei die Intensität I der Laserstrahlen 16, 20 über der Zeit t aufgetragen ist. Die Linien 20 bezeichnen die Infrarot-Strahlung geringerer Intensität, z. B. über einen Zeitraum von je 10 µs bei einer Wellenlänge λ von 1050 nm zur lokalen Vorwärmung der Oberfläche 10 des Werkstückes 12 auf z. B. 450°C und die Laserstrahlen 20 z. B. bei 10-60 Impulsen und einer Impulsdauer von 100 µs und einer UV-Wellenlänge von λ 350 nm.

Ausführungsbeispiel

Ein Zylinderblock oder Zylinderkurbelgehäuse aus dem Werkstoff Al-Si 12 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine wurde zunächst mechanisch bearbei­ tet, wobei die Zylinderlaufflächen entsprechend gebohrt und schließlich auf Fertigmaß feingespindelt wurden.

Anschließend wurde der Zylinderblock unter Stickstoffumgebung N₂ mit ei­ nem Argon-Zusatz von 30% unter einem Umgebungsdruck von 9 bar einer Laserbehandlung mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 unterzo­ gen, wobei die Oberfläche jeweils auf 450°C lokal vorgewärmt (langwellige Strahlung bei pyrometrisch temperaturkontrollierter Laserleistung) und an­ schließend zur Bildung der Nitritschicht der UV-Strahlung mit einer Ener­ giedichte E von 30 mJ/cm² 16mal mit einer Pulsdauer von 100 ns belichtet wurde. Dabei bildete sich auf den Zylinderlaufflächen eine Nitritschicht mit einer Diffusionstiefe von 25 µm aus.

Durch die Homogenisierung der Laserstrahlung mittels des Strahlhomogeni­ sators 26 konnte festgestellt werden, daß eine weit wirkungsvollere und tri­ bologisch günstigere Glättung der Oberfläche erzielbar ist, die trotz einer relativ hohen Diffusionstiefe keine weitere mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche erforderlich macht.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche von Werkstücken, insbeson­ dere der Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, unter Stickstoffatmosphäre mittels Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (16, 20) aus mindestens zwei Wellenlängenberei­ chen des nahinfraroten oder sichtbaren Spektrums einerseits und des ul­ travioletten Spektrums andererseits appliziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot- oder sichtbare Laserstrahl (20) kontinuierlich oder mit langer Impulsdauer bis zu 100 µs und der UV-Laserstrahl (16) im ns-Bereich betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als UV- Laser eine Excimer-Laser (14) und als Infrarot-Laser ein ND-Yag-Laser (18) verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (16, 20) der beiden Wellenlängen auf derselben optischen Achse betrieben wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Infrarot-Laser (18) oder sichtbares Licht emittierender Laser gleichzeitig auf der Grundwellenlänge und einer fre­ quenzvervielfachten Länge (UV-Bereich) betrieben wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laserstrahlung (16, 20) zumindest eines Lasers (14, 18) mit Hilfe eines Strahlhomogenisators (26) homogenisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlen­ homogenisator (26) auf alle verwendeten Wellenlängen (Infrarot- und UV- Bereich) ausgelegt und gleichzeitig betrieben wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stickstoffatmosphäre Argon zugesetzt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein ND- Yag-Laser (18) und ein Excimer-Laser (14) räumlich getrennt angeordnet sind, deren emittierte Laserstrahlen (16, 20) über einen Strahlteiler (22) koaxial ausgerichtet und über eine einheitliche Optik (24) auf die Ober­ fläche (10) des Werkstückes (12) applizierbar sind.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Excimer-Laser (14) und ein ND-Yag-Laser (18) in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind und daß der Laserstrahl (20) des ND-Yag-Lasers (18) durch den Excimer-Laser (14) hindurch koaxial auf die Oberfläche (10) des Werkstückes (12) applizierbar ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein ND-Yag-Laser (18) mit einer Grundwellenlänge im Infrarot- oder sichtbaren Bereich vor­ gesehen ist, dessen Laserstrahl (20) über einen ersten Strahlteiler (28) auskoppelbar, mittels eines Verstärkers (30) frequenzvervielfachbar auf UV-Wellenlänge und über einen zweiten Strahlteiler (32) wieder in die ur­ sprüngliche Strahlrichtung einkoppelbar und über eine einheitliche Laser­ optik (24) auf die Oberfläche (10) des Werkstückes (12) applizierbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß ein auf die zumindest zwei verwendeten Wellenlängen optisch ausgelegter Strahlhomogenisator (26) in die Strahlapplikation eingeschal­ tet ist.