DE3905551A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von oberflaechen mittels laserstrahl - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur behandlung von oberflaechen mittels laserstrahlInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von
Oberflächen von Werkstücken, insbesondere zur Verfestigung
oberflächennaher Bereiche metallischer Maschinenbauteile mittels
Laserstrahl. Während der Bestrahlung werden der Laserstrahl und
das zu bearbeitende Werkstück relativ zueinander bewegt. Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Es ist bekannt mittels Laserstrahl Oberflächen zu härten. So ist
es aus DE-PS 37 18 647 bekannt, durch Einwirken eines Laserstrahles
auf Bremsscheiben gehärtete und ungehärtete Oberflächenteilbereiche
zu schaffen. Auch bei Riffelwalzen werden partielle Oberflächen
bereiche am Riffelkamm durch axiale Bestrahlung des Kammbereiches
mit einem Laserstrahl gehärtet, DE-OS 37 11 450. Dabei ist der
Öffnungswinkel des Laserstrahlkegels und der Laserspotdurchmesser
mindestens auf die doppelte Breite der zu härtenden Kammbereiche
aufgeweitet. Des weiteren wird in DE-OS 35 33 541 ein Härten ring
förmiger Oberflächenbereiche von Zylindern von Verbrennungsmotoren
mittels Laserstrahl beschrieben.
Bei allen diesen bekannten Härteverfahren weist der Laserstrahl in
seinem Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlachse eine nicht
beeinflußbare, nur von der Art des Lasers und der angeregten Mode
im Resonator abhängige Intensitätsverteilung auf, die für die ver
wendete Mode eine quasi-Gauß′sche Verteilung darstellt.
Diese Intensitätsverteilung führt zu brauchbaren Ergebnissen, wenn
die Oberfläche plan ist und die Oberflächennormale parallel zur
Strahlachse verläuft. Der Laserstrahl wirkt aber sehr unter
schiedlich auf die Oberfläche ein, wenn sie nicht mehr im rechten
Winkel zur Strahlachse angeordnet ist oder Konturen und andere
räumliche Geometrien aufweist, wie beispielsweise Krümmungsradien
oder Hohlkehlen, die vom Laserstrahl überstrichen werden müssen.
Solche Oberflächen werden vom Laserstrahl ungleichmäßig verändert.
Gewünschte Härteeigenschaften oder andere gezielte Veränderungen an
und in der Oberfläche lassen sich nur noch in Ausnahmefällen
erzielen.
Schwierig ist es auch, den vom Laserstrahl behandelten Bereich in
der Weise zu verändern, daß eine Verfestigung des Werkstoffes an
der bestrahlten Stelle erzielt und dadurch beispielsweise die
Laufflächengüte und die notwendige Biegewechselfestigkeit erhöht
wird. Hierzu ist es erforderlich, den behandelten Ober
flächenbereich und darunter liegende Werkstoffschichten gezielt so
zu beeinflußen, daß im Werkstoff Spannungen aufgebaut werden.
Angestrebt wird insbesondere das Erzeugen vorgespannter Werk
stückbereiche, die bei einer Beanspruchung entgegengesetzt zur
erzeugten Vorspannung entsprechend höher belastbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächen
behandlung, insbesondere zur Verfestigung metallischer Ober
flächen und oberflächennaher Bereiche mittels Laserstrahles zu
schaffen, mit dem auch konturierte Oberflächen, insbesondere
Krümmungsradien oder Hohlkehlen aufweisende Oberflächenbereiche
derart zu verfestigen sind, daß die Beanspruchbarkeit der
Werkstücke erhöht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der Eingangs genannten Art
gemäß der Erfindung durch die in Patentanspruch 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst. Danach wird der Laserstrahl über seinen
Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlachse focussiert und somit
in seiner Intensität moduliert, wobei die Modulation in
Abhänigigkeit von der vom Laserstrahl überstrichenen Ober
flächengeometrie und der gewünschten Eindringtiefe des
Laserstrahles erfolgt. Die Intensität des Laserstrahles kann
beispielsweise zur Verfestigung konkaver Krümmumgsradien von einem
maximalen Wert im Strahlkern zum Rand des Laserstrahles hin
abnehmen und zwar in einer von der Gauß′schen Verteilung
abweichenden Verteilung, die das Resultat einer Strahlmodulation
durch Focussierung, also Verengung, mittels eines Spiegelsystems
ist. Ein solcher Verlauf der Intensität über dem Laserstrahl
querschnitt berücksichtigt dabei einerseits die vom Laserstrahl
überstrichene Oberflächengeometrie und weist andererseits zur
optimalen Verfestigung des bestrahlten Werkstückbereiches im
Scheitel der konkav gekrümmten Oberfläche eine stärkere
Eindringtiefe auf.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist nach Patentanspruch 2
vorgesehen, die Modulation des Laserstrahles während der
Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück durch gezielte
Defocussierung des Spiegelsystems zu verändern. Diese Variations
möglichkeit der Intensitätsverteilung des Laserstrahles ist vor
allem zur Behandlung unregelmäßig gestalteter Oberflächen
geometrien, etwa bei reliefartigen Oberflächen von Vorteil.
Zur Regulierung der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und
Werkstück dient die sich während der Bestrahlung einstellende
Temperaturverteilung an der Oberfläche, Patentanspruch 3. Die
Oberflächentemperatur läßt sich an vorgegebenen Punkten berührungs
los abtasten. Die zur Regelung verwendete Temperatur hängt von
der für die gewünschte Verfestigung jeweils erforderliche Um
wandlungstemperatur des Werkstoffes ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung wieder
gegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen
zeigen im einzelnen:
Fig. 1 Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Verfestigung von Kurbelwellen
mittels Laserstrahl;
Fig. 2 schematische Darstellung eines modulierten Laserstrahles zur
Bestrahlung eines konkaven Krümmungsradius.
In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Bestrahlung von
Kurbelwellen wiedergegeben. Eine Kurbelwelle 1 ist innerhalb einer
Bearbeitungskammer 2 zwischen Spannteilen 3 a, 3 b befestigt, die über
einen Antriebsmotor 4 mit Antriebswelle 5 rotierbar sind. Im
Ausführungsbeispiel rotiert die in die Bearbeitungskammer 2 ein
gesetzte Kurbelwelle 1 in gleicher Weise wie im Betrieb nach ihrem
Einbau in den Motor. Sie ist zwischen den Spannteilen 3 a, 3 b axial
verspannt und dreht sich beim Antrieb durch den Antriebsmotor 4 um
ihre Drehachse 6.
Im Ausführungsbeispiel befindet sich außerhalb der Bearbeitungs
kammer 2 eine Einrichtung 7 zur Erzeugung eines energiereichen
Laserstrahles 7 a. Der Laserstrahl wird über einen Modulator 8 auf
den zu bestrahlenden Bereich der Kurbelwelle 1 gerichtet. Der
Modulator 8 ist zugleich geeignet, die Intensitätsverteilung des
erzeugten Laserstrahles zu beeinflussen. Der Moderator 8 besteht
aus Spiegeln 9, 9 a, 9 b , die, gegeneinander beweglich, in allen
Freiheitsgraden schwenkbar angeordnet sind und durch Stellmotoren
10, 10 a, 10 b bewegt werden. Die Bewegung ist dem technischen
Anwendungsfall entsprechend anzupassen. Im Ausführungsbeispiel
sind an der Kurbelwelle 1 die hoch belasteten Bereiche 13 am
Übergang zwischen Kurbelzapfen 11 und Kurbelwange 12 zu
verfestigen. Der zu bestrahlende Bereich der Kurbelwelle mit dem
Übergangsradius 13 ist in Fig. 2 der Zeichnung vergrößert
dargestellt. Die Übergangsradien 13 zwischen Kurbelzapfen 11 und
Kurbelwange 12 weisen eine konkave Krümmung auf.
Diese konkave Krümmung der Übergangsradien bedingt eine ent
sprechende Gestaltung der Spiegel des Modulators 8. Im Aus
führungsbeispiel sind die Spiegel derart parabolisch geformt, daß
der von der Einrichtung 7 erzeugte Laserstrahl 7 a geeignet
focussiert wird, um mit seinem Querschnitt 14 den gesamten zu
bearbeitenden Werkstückbereich 13 am Übergang zwischen Kurbelzapfen
11 und Kurbelwange 12 zu überdecken. Darüber hinaus wird der
Laserstrahl 7 a derart moduliert, daß der Kernbereich die maximale
Strahlintensität aufweist, diese aber in den Randzonen deutlich
weniger stark abfällt, als dies der Gauß′schen Verteilung
entspricht.
In Fig. 2 ist die Laserstrahlintensität über dem Querschnitt 14
symbolisch durch Pfeile 15 dargestellt, deren Länge ein Maß für die
jeweils an dieser Stelle des Querschnittes 14 herrschende Inten
sität (Leistung pro Flächeneinheit) ist.
Der von der Einrichtung 7 mit quasi-Gauß′scher Intensitäts
verteilung über seinem Querschnitt erzeugte Laserstrahl 7 a wird von
den Spiegeln 9, 9 a, 9 b derart verändert, daß die Strahlintensität
vom Kernbereich zum Randbereich des modulierten Laserstrahles
deutlich weniger stark reduziert ist und der Strahl der zu bearbei
tenden Geometrie angepaßt focussiert ist.
Die jeweils erforderliche Modulation des Laserstrahles ergibt sich
aus den Anforderungen, die der technische Anwendungsfall stellt.
Die Verteilung der Intensität über dem Querschnitt des
modulierten Laserstrahles bestimmt sich aus der Geometrie des zu
bestrahlenden Werkstückes und der notwendigen Eindringtiefe des
Laserstrahles in den durch Gefügeumwandlung zu verfestigenden
Werkstoff. Die hierzu notwendigen Daten werden weiter unten
erläutert.
Die Stellung der Spiegel 9, 9 a, 9 b erfolgt über die Stellmotoren
10, 10 a, 10 b der motorischen Verstelleinrichtung, deren Betrieb im
Ausführungsbeispiel von einer elektronsichen Steuereinrichtung 16
geregelt wird. Die Steuereinrichtung arbeitet rechnergestützt,
Rechner 17. Es kommt darauf an, die von einem Sensor 18 an
charakteristischen Punkten der Oberfläche berührungslos abge
tastete Temperatur des bestrahlten Werkstückbereiches als Regel
größe zu benutzen, und anhand bekannter Werkstoffdaten für die
Verfestigung des bestrahlten Werkstückbereiches sowie anhand
empirisch ermittelter Daten über die Eindringtiefe des Laser
strahles und der durch die Bestrahlung erfolgten Aufheizung des zu
verfestigenden Werkstückbereiches die Bewegung des zu bearbeitenden
Werkstückes und die Modulation des Laserstrahles zu korreliern.
Aus dieser Korrelation ermittelt der Rechner 17 die jeweiligen
Impulse für die Stelleinrichtung 16 der Stellmotoren 10, 10 a, 10 b des
Moderators 8 sowie die notwendige Drehzahl des Antriebmotors 4 und
damit die Bewegung des zu bestrahlenden Werkstückbereiches
relativ zum Laserstrahl sowie die Steuerimpulse für den Laser
bezüglich der erforderlichen Leistung und der angeregten Mode im
Resonator. Ist beispielsweise der zu verfestigende Werkstoff
bereich rotationssymmetrisch zur Drehachse 5 und ist dieser
Werkstoffbereich gleichmäßig zu verfestigen, so ergibt sich eine
konstante Modulation bei gleichförmiger Bewegung der Kurbelwelle 1.
Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch eine
Verfestigigung eines Werkstückbereiches gefordert, der sich bei
einer Drehung der Kurbelwelle 1 um die Drehachse 6 zu den ortsfest
angeordneten Spielgeln 9, 9 a, 9 b in einer sich stetig verändernden
Stellung bewegt. So sind die Übergangsradien zwischen Kurbelzapfen
11 und Kurbelwange 12 zur Symmetrieachse 19 des Kurbelzapfens 11
zwar rotationssymmetrisch ausgebildet, bei einer Bewegung der
Kurbelwelle 1 um die Drehachse 6 verändert sich jedoch der
Abstand zischen der zu behandelnden Werk stückstelle am Übergangs
radius 13 zu den Spiegeln 9, 9 a, 9 b des Moderators 8 ständig. Dies
bedeutet , daß für die gewünschte gleichmäßige Verfestigung der
Kurbelwelle 1 im Bereich der Übergangsradien 13 die Umdrehungs
geschwindigkeit der Kurbelwelle 1 durch Regelung der Drehzahl des
Motors 4 kontinuierlich anzugleichen ist. Bei unveränderter
Umdrehungsgeschwindigkeit ist bei kurzem Abstand zwischen den
Spiegeln und dem bestrahltem Werkstoffbereich die Aufheizgeschwin
digkeit höher als bei größerem Abstand. Zur Verkürzung der
Strahleinwirkung ist bei geringem Abstand somit die Relativ
geschwindigkeit zwischen zu bestrahlender Stelle und Laserstrahl zu
erhöhen und bei größerem Abstand entsprechend zu verringern. Wird
eine ungleichmäßige Verfestigung angestrebt, oder variiert die Geo
metrie über dem Umfang, wie z.B. bei räumlich gekrümmten Nocken,
so muß die Strahlmodulation bezüglich der Intensitätsverteilung
durch Verstellen (Defocusierung) der Spiegel 9, 9 a, 9 b der
Geometrie angepaßt werden.
Im Ausführungsbeispiel steht der Rechner 17 in Verbindung mit dem
Temperaturfühler 18 und dem Sensor zur Drehzahlmessung 20 sowie der
Einrichtung 7 zur Erzeugung des Laserstrahles. Von der Steuerein
richtung 17 gehen Steuerbefehle an den Moderator 8 zur Einstellung
der Spiegel 9, 9 a, 9 b, an den Antriebsmotor 4 zur Vorgabe der
Bewegungsgeschwindigkeit des zu verfestigenden Werkstückbereiches
13 sowie zur Einrichtung 7 zur Laserstrahlerzeugung bezüglich der
Einstellung der Leistung und der gewünschten Mode im Resonator.
Erfindungswesentlich ist hier die Modulation der Intensität im
Querschnitt 14 des Laserstrahles 7 a senkrecht zu dessen Strahl
achse 15.
Für die einzustellende Modulation des Laserstrahles ist primär die
gewünschte Werkstoffumwandlung zur Verfestigung des zu bestrahlen
den Werkstoffbereiches maßgebend. Im Ausführungsbeispiel besteht
das zu verfestigende Werkstück aus Vergütungsstahl. Die
Verfestigung wird durch Gefügeumwandlung erreicht.Dazu muß in den
Werkstückbereich 13 genügend Energie eingebracht werden, um sowohl
über den gesamten Querschnitt und in die erforderliche Tiefe die
Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Werkstoffs zu
überschreiten, als auch eine kritische für den Werkstoff
charakteristische Abkühlungsgeschwindigkeit zu unterschreiten. Die
Temperaturverteilung über den zu bearbeitenden Querschnitt wird
durch den Temperaturfühler 18 erfaßt und dem Rechner 17 zugeführt.
Auf diese Weise werden Aufheizung und Abkühlung exakt kontrolliert.
Im Anwendungsbeispiel wird im Werkstoffbereich 13 eine Druck
vorspannung erzielt, die den im Betrieb auftretenden Spannungen
entgegenwirkt.
Der Gegenstand der Erfindung ist in erster Linie bei der Instand
setzung schadhafter Maschinenbauteile anwendbar, weil das Verfahren
leicht an unterschiedliche Geometrien angepaßt werden kann. So
wird beispielsweise eine verschlissene Kurbelwelle durch Nach
schleifen auf das nächst mögliche Untermaß instandgesetzt. Dabei
wird zumindest ein Teil der ursprünglich verfestigten Zonen
abgetragen, und muß wieder nachverfestigt werden. Die zur
Verfestigung erforderlichen Daten und Parameter werden empirisch
ermittelt. Bei der Bearbeitung gemäß dem beschriebenen Verfahren
bilden diese Daten die Eingabewerte für das die Steuereinrichtung
17 führende Rechnerprogramm, das die Modulation des Laserstrahles
die Leistung des Lasers und die Drehzahl der Kurbelwelle vorgibt.
Weitere Anwendungsbeispiele sind die Reparatur, aber auch die
Serienbearbeitung von Motorenteilen, wie z.B. Ventilen, Lauf
buchsen, Nocken- und Kurbelwellen. Von Bedeutung sind auch die
Zahnflankenhärtung von Getrieberädern und die Verfestigung
kritischer Bereiche von Maschinenteilen wie z.B Ausgleichswellen
oder Spindeln, aber auch von Schaufelfüßen von Turbinen- und
Verdichterschaufeln und von anderen Turbinenteilen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren
ist die Verfestigung von Kugelgraphit, der aus wirtschaftlichen
Gründen beispielsweise für die Fertigung von Motorenbauteilen,
insbesondere im Kleinmotorenbau eingesetzt wird. Bei Motoren
teilen aus Kugelgraphit treten beim Anschliff von Gleitflächen
Verschiebungen der Körner des Kugelgraphits auf, die zu einem
uneinheitlichen Gefüge und scharfen Mikrokanten führen. Durch
gezieltes partielles Verfestigen hochbelasteter Bereiche mittels
moduliertem Laserstrahl läßt sich zugleich ein homogenes Gefüge und
eine Verfestigung und Glättung des bestrahlten Bereiches durch
Umschmelzen der Randzonen erreichen.
Eingesetzt wird wegen der erforderlichen hohen Leistung der zu
verfestigenden Werkstoffbereiche bevorzugt ein CO-2 Laser von
mindestens 5 KW Leistung. Die verwendeten Spiegel zur Modulation
des Laserstrahles bestehen aus selenit-bedampftem Kupfer-
Trägermaterial. Die Spiegel sind derart in allen Freiheitsgraden
beweglich angeordnet, und rechnergestützt motorisch zu verstellen,
daß sich ihre Verstellgeschwindigkeit der erforderlichen Prozeß
geschwindigkeit anpassen läßt.
Claims (7)
1. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen von Werkstücken,
insbesondere zur Verfestigung metallischer Werkstoffoberflächen
und oberflächennaher Bereiche mittels Laserstrahl, wobei
Laserstrahl und zu bearbeitendes Werkstück während der
Bestrahlung relativ zueinander bewegt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl über seinen Strahlquerschnitt senkrecht zur
Strahlachse in seiner Intensität (Leistung pro Flächeneinheit)
in Abhängigkeit von der vom Laserstrahl überstrichenen
Oberflächengeometrie und der gewünschten Eindringtiefe des
Laserstrahles moduliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulation des Laserstrahles während der Relativbe
wegung zwischen Laserstrahl und Werkstück verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück
durch Messen der Oberflächentemperatur des behandelten
Werkstückbereiches als Stellgröße reguliert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, mit einer drehbaren Einspannvor
richtung für ein in lokal begrenzten Werkstückbereichen zu
verfestigendes Werkstück, mit einer Einrichtung zur Erzeugung
und Ausrichtung eines Laserstrahles auf die Oberfläche des zu
verfestigenden Werkstückbereiches und mit einer Antriebseinheit
für die Einspannvorrichtung zur Relativbewegung zwischen
Laserstrahl und Werkstück,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erzeugte Laserstrahl (7 a) über einen Modulator (8) zum
zu bestrahlenden Oberflächenbereich (13) geleitet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein optischer Modulator (8) verwendet wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung der Oberflächentemperatur des bestrahlten Ober
flächenbereiches (13) ein berührungsloser Temperaturmesser (18)
eingesetzt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Modulationseinrichtung (8) aus gegeneinander
beweglichen Spiegeln (9, 9 a, 9 b) besteht.
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