DE3905551C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen mittels Laserstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung oberflächennaher Bereiche (Randschichten) von Werkstücken, insbesondere von oberflächennahen Bereichen metallischer Maschinenbauteile mittels Laserstrahl. Die Verfahrensmerkmale, von denen die Erfindung ausgeht, sind im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben. 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 Oberflächenbereiche 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 ringförmiger Oberflächenbereiche von Zylindern von Verbrennungsmotoren mittels Laserstrahl beschrieben. Auch ist es zum Härten aus DD-PS 2 56 274 bekannt, die Intensitätsverteilung des Laserstrahles quer zur Strahlachse in Abhängigkeit von der bestrahlten Oberflächengeometrie einzustellen.

Schwierig ist es, 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 Oberflächenbereich und darunter liegende Werkstoffschichten gezielt so zu beeinflussen, daß im Werkstoff Spannungen aufgebaut werden. Angestrebt wird insbesondere das Erzeugen vorgespannter Werkstückbereiche, die bei einer Beanspruchung entgegengesetzt zur erzeugten Vorspannung entsprechend höher belastbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, insbesondere zur Verfestigung metallischer Oberflächen 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 durch die Randschichtbehandlung mittels Modulation der Intensitätsverteilung des Laserstrahles über seinen Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlachse während der Bearbeitung des Werkstückes ein definiertes Vorspannungsprofil erzeugt. Die Modulation erfolgt in Abhängigkeit von der vom Laserstrahl überstrichenen Oberflächengeometrie und der gewünschten Eindringtiefe des Laserstrahltest. Die Intensität des Laserstrahles kann beispielsweise zur Verfestigung konkaver Krümmungsradien 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 Fokussierung, also Verengung, mittels eines Spiegelsystems ist. Ein solcher Verlauf der Intensität über dem Laserstrahlquerschnitt 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.

Systeme, bei denen die Intensitätsmodulation allein durch Schwingen des Laserstrahls erzielt wird, sollen vom Patentschutz nicht erfaßt sein.

Es ist vorgesehen, die Intensitätsverteilung des Laserstrahles während der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück in Abhängigkeit von der Lage des Werkstückes und des Bewegungsablaufes insbesondere durch gezielte Defokussierung des Spiegelsystems zu verändern. Diese Variationsmöglichkeit der Intensitätsverteilung des Laserstrahles ist vor allem zur Behandlung unregelmäßig gestalteter Oberflächengeometrien, 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 2. Die Oberflächentemperatur läßt sich an vorgegebenen Punkten berührungslos abtasten. Die zur Regelung verwendete Temperatur hängt von der für die gewünschte Verfestigung jeweils erforderliche Umwandlungstemperatur des Werkstoffes ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung wiedergegebenen 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 3a, 3b befestigt, die über einen Antriebsmotor 4 mit Antriebswelle 5 rotierbar sind. Im Ausführungsbeispiel rotiert die in die Bearbeitungskammer 2 eingesetzte Kurbelwelle 1 in gleicher Weise wie im Betrieb nach ihrem Einbau in den Motor. Sie ist zwischen den Spannteilen 3a, 3b axial verspannt und dreht sich beim Antrieb durch den Antriebsmotor 4 um ihre Drehachse 6.

Im Ausführungsbeispiel befindet sich außerhalb der Bearbeitungskammer 2 eine Einrichtung 7 zur Erzeugung eines energiereichen Laserstrahles 7a. 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 Modulator 8 besteht aus Spiegeln 9, 9a, 9b, die, gegeneinander beweglich, in allen Freiheitsgraden schwenkbar angeordnet sind und durch Stellmotoren 10, 10a, 10b 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 entsprechende Gestaltung der Spiegel des Modulators 8. Im Ausführungsbeispiel sind die Spiegel derart parabolisch geformt, daß der von der Einrichtung 7 erzeugte Laserstrahl 7a geeignet fokussiert 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 7a 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 Intensität (Leistung pro Flächeneinheit) ist.

Der von der Einrichtung 7 mit quasi Gauß'scher Intensitätsverteilung über seinem Querschnitt erzeugte Laserstrahl 7a wird von den Spiegeln 9, 9a, 9b derart verändert, daß die Strahlintensität vom Kernbereich zum Randbereich des modulierten Laserstrahles deutlich weniger stark reduziert ist und der Strahl der zu bearbeitenden Geometrie angepaßt fokussiert 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, 9a, 9b erfolgt über die Stellmotoren 10, 10a, 10b der motorischen Verstelleinrichtung, deren Betrieb im Ausführungsbeispiel von einer elektronischen 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 abgetastete Temperatur des bestrahlten Werkstückbereiches als Regelgröße zu benutzen, und anhand bekannter Werkstoffdaten für die Verfestigung des bestrahlten Werkstückbereiches sowie anhand empirisch ermittelter Daten über die Eindringtiefe des Laserstrahles und der durch die Bestrahlung erfolgten Aufheizung des zu verfestigenden Werkstückbereiches die Bewegung des zu bearbeitenden Werkstückes und die Modulation des Laserstrahles zu korrelieren. Aus dieser Korrelation ermittelt der Rechner 17 die jeweiligen Impulse für die Stelleinrichtung 16 der Stellmotoren 10, 10a, 10b des Moderators 8 sowie die notwendige Drehzahl des Antriebsmotors 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 Werkstoffbereich 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 Verfestigung eines Werkstückbereiches gefordert, der sich bei einer Drehung der Kurbelwelle 1 um die Drehachse 6 zu den ortsfest angeordneten Spiegeln 9, 9a, 9b 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 zwischen der zu behandelnden Werkstückstelle am Übergangsradius 13 zu den Spiegeln 9, 9a, 9b des Moderators 8 ständig. Dies bedeutet, daß für die gewünschte gleichmäßige Verfestigung der Kurbelwelle 1 im Bereich der Übergangsradien 13 die Umdrehungsgeschwindigkeit 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 Aufheizgeschwindigkeit höher als bei größerem Abstand. Zur Verkürzung der Strahleinwirkung ist bei geringem Abstand somit die Relativgeschwindigkeit zwischen zu bestrahlender Stelle und Laserstrahl zu erhöhen und bei größerem Abstand entsprechend zu verringern. Wird eine ungleichmäßige Verfestigung angestrebt, oder variiert die Geometrie über dem Umfang, wie z. B. bei räumlich gekrümmten Nocken, so muß die Strahlmodulation bezüglich der Intensitätsverteilung durch Verstellen (Defokussierung) der Spiegel 9, 9a, 9b 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 Steuereinrichtung 17 gehen Steuerbefehle an den Moderator 8 zur Einstellung der Spiegel 9, 9a, 9b, 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 7a senkrecht zu dessen Strahlachse 15.

Für die einzustellende Modulation des Laserstrahles ist primär die gewünschte Werkstoffumwandlung zur Verfestigung des zu bestrahlenden 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 Abkühlungsbeschwindigkeit 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 Druckvorspannung erzielt, die den im Betrieb auftretenden Spannungen entgegenwirkt.

Der Gegenstand der Erfindung ist in erster Linie bei der Instandsetzung schadhafter Maschinenbauteile anwendbar, weil das Verfahren leicht an unterschiedliche Geometrien angepaßt werden kann. So wird beispielsweise eine verschlissene Kurbelwelle durch Nachschleifen 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, Laufbuchsen, Nocken- und Kurbelwellen. Von Bedeutung sind auch die Zahnflankenhärtung von Getrieberändern 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 Motorenteilen aus Kurbelgraphit 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 modulierendem 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 CO₂-Laser von mindestens 5 kW Leistung. Die verwendeten Spiegel zur Modulation des Laserstrahles bestehen aus selenitbedampftem Kupfer -Trägermaterial. Die Spiegel sind derart in allen Freiheitsgraden beweglich angeordnet und rechnergestützt motorisch zu verstellen, daß sich ihre Verstellgeschwindigkeit der erforderlichen Prozeßgeschwindigkeit anpassen läßt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Randschichtbehandlung insbesondere metallischer Werkstücke mittels Laserstrahlen, deren Intensitätsverteilung quer zur Strahlachse in Abhängigkeit von der bestrahlten Oberflächengeometrie des Werkstückes und dem angestrebten Ergebnis der Randschichtbehandlung einstellbar ist, und bei dem Laserstrahl und Werkstück relativ zueinander verschoben werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Randschichtbehandlung mittels Modulation der Intensitätsverteilung des Laserstrahles während der Bearbeitung vorgespannte Werkstückbereiche erzeugt werden, die bei einer Beanspruchung entgegengesetzt zur erzeugten Vorspannung entsprechend höher belastbar sind, wobei die Intensitätsverteilung des Laserstrahles während der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück in Abhängigkeit von der Lage des Werkstückes und des Bewegungsablaufes verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück durch Messen der Oberflächentemperatur des behandelten Werkstückbereiches als Stellgröße reguliert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung zur Erzeugung und Ausrichtung eines Laserstrahles auf die zu behandelnde Oberfläche eines Werkstückes mit einem optischen Modulator mit gegeneinander beweglichen Spiegeln zur Einstellung der Intensitätsverteilung im Laserstrahlquerschnitt und mit einer Einspannvorrichtung mit Antriebseinheit zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück, gekennzeichnet durch einen Rechner (17), der in Abhängigkeit von der Lage und der Bewegung des Werkstückes sowie von seiner Oberflächentemperatur die beweglichen Spiegel (9, 9a, 9b) mittels Stellmotoren (10, 10a, 10b) ausrichtet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen berührungslos arbeitenden Temperaturmesser (18).