DE4001280C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur großflächigen Oberflächenerwärmung von Werkstätten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Oberflächenbehandlung (Härten, Umschmelzen, Legieren, Beschichten etc.) von Metallen werden derzeit bereits vereinzelt Strahlverfahren angewandt. Zum Einsatz kommen Elektronenstrahlanlagen und zunehmend Laser. Nachtei­ lig wirken sich der hohe Kostenaufwand und insbesondere beim Laser die begrenzte Strahlleistung aus.

Durch die DE-AS 22 57 739 ist eine Vorrichtung zum Schweißen, Schmelzen oder Erhitzen eines Werkstückes mit Lichtenergie bekannt. Die Vorrichtung umfaßt einen ellipti­ schen Spiegel, in oder nahe dessen einem spiegelnahen Brenn­ punkt eine Bogenlampe als praktisch punktförmige Strahlungs­ quelle für eine Hochtemperaturstrahlung und in oder nahe dessen anderem spiegelfernen Brennpunkt das Werkstück ange­ ordnet ist. Durch eine solche Vorrichtung ist praktisch nur eine punktförmige Erwärmung der Oberfläche des Werkstückes erreichbar, so daß großflächige Erwärmungen nur mühsam und unvollkommen durchführbar sind.

Die GB-OS 20 83 728 betrifft einen Glühofen mit einer im geschlossenen Raum des Glühofens angeordneten Blitz-Entladungslampe. Der Glühofen arbeitet praktisch statisch bei relativ niedrigen Temperaturen, nämlich Glüh­ temperaturen, um Gitterversetzungen auszuheilen und damit innere Spannungen abzubauen. Die Lampe befindet sich in einem asphärischen Reflektor und wird im Pulsbetrieb betrie­ ben. Es ist eine gleichmäßige Energieverteilung über das Werkstück vorgesehen, und die bestrahlte Fläche soll das Zwölffache der Licht emittierenden Fläche der Lampe nicht übersteigen. Die Lampe und/oder das Werkstück sind außerhalb des Strahlzentrums des Reflektors angeordnet, um diese gleichmäßige Ausleuchtung des gesamten im Glühofen befindli­ chen Werkstückes zu erhalten. Die Abbildung der einzelnen Strahlen erfolgt in unterschiedlichen Punkten, so daß keine Bündelung, d. h. Fokussierung der Lampenstrahlen vorliegt und somit nur geringe Strahlleistungen möglich sind. Der Glühofen weist Schlitze auf, durch die hindurch das Werk­ stück in den Glühofen geschoben werden kann. Diese Möglich­ keit der Werkstücksbewegung erlaubt nur, einen neuen diskre­ ten Flächenbereich eines größeren Werkstückes oder nachein­ ander verschiedene Werkstücke in den Strahlungsbereich der Lampe zu bringen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszu­ bilden, daß eine großflächige Erwärmung von Werkstückober­ flächen mühelos auch mit hoher Strahlleistung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung ist es möglich, eine großflächige Oberflächenerwärmung mit Hochleistungslampen durchzuführen. Die erfindungsgemäße Aufgabenlösung sieht einen kontinuierlichen Betrieb der Hochleistungslampe vor. Die großflächige Erwärmung wird dadurch erreicht, daß der Linienfokus über die Werkstücks­ oberfläche bewegt wird.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Reflektor und Lang­ bogenlampe zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 in geneigter Stellung zur Einstellung der Bearbeitungsspurbreite,

Fig. 3 und 4 die Vorrichtung nach Fig. 1 oder 2 mit zusätzlicher Verwendung von Blenden zur Bestrahlungsbegrenzung,

Fig. 5 bis 9 die Vorrichtung nach Fig. 1 oder 2 mit zusätzlicher Verwendung von Spiegeln zur Bestrahlungsbegrenzung,

Fig. 10 die erfindungsgemäße Vorrichtung in winkliger Stellung, in der die Reflektor­ normale unter einem Winkel zwischen Werk­ stück und Vorrichtung steht, wobei die Neigung um die Längsachse der Langbogen­ lampe erfolgt,

Fig. 11 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zur zwischen Reflektor und Werkstück geneig­ tem Reflektor, wobei die Neigung quer zur Längsachse erfolgt,

Fig. 12 und 13 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zusätzlicher Verwendung von Wasser­ brausen zur Abkühlung und Strahlabschir­ mung bei Relativbewegung in Richtung der und quer zur Längsachse des Linienfokus,

Fig. 14 bis 16 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Zuführung eines Bearbeitungsgasstromes.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche Bautei­ le mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Oberflä­ chenbehandlung von Werkstücken. Die Vorrichtung umfaßt einen Reflektor 1 mit ellyptischer Zylinderfläche 11 und seitli­ chen Abschlußwänden 12, die eine etwa im reflektornahen Fokus angeordnete Hochleistungsbogenlampe 2 lagern, deren Lichtstrahlen 30 auf einen reflektorfernen Linienfokus 4 fokussiert werden, vgl. Fig. 1.

Im oder nahe diesem Linienfokus 4 befindet sich die Oberfläche eines zu behandelnden Werkstückes 3. Das Werkstück 3 ist mit Hilfe einer Einrichtung (nicht darge­ stellt) dreidimensional bewegbar angeordnet, was durch das Koordinatenkreuz XYZ und die Bewegungspfeile 5 angedeutet ist. Anstelle des Werkstückes oder zusätzlich kann der Reflektor 1 dreidimensionl beweglich angeordnet sein. Die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Reflektor 1 bzw. dem Lampenstrahl des Reflektors kann durch eine CNC- Steuerung gesteuert werden, wobei entweder das Werkstück oder der Reflektor oder beide Teile bewegt werden.

Der Reflektor 1 mit Hochleistungslangbogenlampe 2 ist zur Seite unter einem Winkel α zwischen Null und 90° orthogonal zur Relativbewegung 5 einstellbar, um so die Bearbeitungsspurbreite 6 einstellen zu können, vgl. Fig. 2.

Um die Bestrahlungsfläche auf der Oberfläche des Werkstückes 3 zu verkleinern, sind kühlbare, im Strahlengang 30 angeordnete Blenden 7, 7′ zur Strahlbegrenzung vorgese­ hen, vgl. Fig. 3 und 4, wobei die Blenden 7 zur Begrenzung der Breite der Bestrahlungsfläche (Fig. 3) und die Blenden 7′ zur Begrenzung der Länge der Bestrahlungsfläche (Fig. 4) des Werkstückes 3 dienen.

Die Begrenzung der Breite der Bestrahlungsfläche kann auch durch Spiegel 8 (Fig. 5) und 18 (Fig. 7) und 28 (Fig. 9) und die Begrenzung der Länge der Bestrahlungsfläche durch Spiegel 8′ (Fig. 6) und 18′ (Fig. 8) erfolgen.

Um die Erwärmungs- und Abkühlprozesse der Werk­ stückrandschicht zu verbessern, kann der Reflektor 1 um die Längsachse der Langbogenlampe 2 verschwenkt werden, derart, daß die Werkstückoberflächennormale und die Reflektornormale unter einem Winkel β um die Längsachse der Langbogenlampe zueinander stehen, wie dies in der Fig. 10 dargestellt ist. Ferner ist der Reflektor 1 mit der etwa im reflektornahen Fokus liegenden Längsachse der Langbogenlampe 2 unter einem Winkel γ quer zur Längsachse der Langbogenlampe neigbar, vgl. Fig. 11.

Hierdurch ist außerdem eine gezielte Beeinflus­ sung der Erwärmung im Strahlungslinienfokus, insbesondere zur Vermeidung von Überhitzungen von Werkstückbereichen mit verringerter Wärmeleitung, z. B. von Kanten und Ecken, möglich.

In den Strahlengang 30 zwischen Reflektor 1 und Werkstück 3 ist eine Kühleinrichtung 25, beispielsweise in Form eines Bohrers oder eines plattenförmigen Hohlkörpers mit zum Werkstück 3 zeigenden Düsen 26, bewegbar, um die erwärmte Randschicht bzw. die erwärmte Oberfläche möglichst rasch abzukühlen, vgl. Fig. 12, 13. Gleichzeitig kann diese Ein­ richtung als Blende zur Begrenzung des Strahlenganges die­ nen. Die Kühleinrichtung 25 kann so angeordnet werden, daß eine Werkstückabschreckung bei Relativbewegung in Richtung der Linienfokuslängsachse, vgl. Fig. 13, oder daß eine Werkstückabschreckung bei Relativbewegung quer zur Linienfo­ kuslängsachse, vgl. Fig. 12, erreicht wird. Vorteilhaft kann die Kühleinrichtung eine Art Wasserbrause sein, um insbeson­ dere bei langen Strahleinwirkzeiten die Werkstückrandschicht mit Wasser besser abschrecken zu können.

Um ein Verschmutzen des Reflektors durch von der Werkstückoberfläche aufsteigende Gas und Dämpfe zu verhin­ dern, kann ein Bearbeitungsgasstrom 31 quer, vornehmlich entgegen der Vorschubrichtung bei Bewegung des Werkstückes oder in Vorschubrichtung bei Bewegung des Reflektors zwi­ schen Werkstück und Reflektor vorgesehen werden. Hierzu kann unterhalb oder seitlich des reflektierten Strahlenbündels 30 eine Einrichtung 27 mit Bearbeitungsgasdüse 29 angeordnet sein, vgl. Fig. 14 und 15. Die Bearbeitungsdüsen 29 können auch in den Reflektor integriert werden, wie dies in der Fig. 16 dargestellt ist, vornehmlich an Stellen im Reflek­ tor, die nicht oder nur in geringem Maße zur Strahlungsin­ tensität im Linienfokus beitragen; diese Stellen sind bei­ spielsweise der Zenit des Reflektors oder die Seitenwände 12 des Reflektors. Diese Anordnung der Bearbeitungsgasdüsen hat den Vorteil, daß bei Wasserabschreckung der entstehende Wasserdampf vom Reflektor weggeblasen wird.

Um bei Beginn der Oberflächenbehandlung bzw. beim Anfahren der Behandlung über eine Werkstückkante für eine kurze Zeitdauer, vornehmlich <3 sec, eine Einlaufstrecke mit nicht stationären Wärmeleitbedingungen zu vermeiden, wird auf eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Reflek­ tor verzichtet und wird die Werkstückoberfläche stationär bestrahlt.

Zur Vermeidung der Überhitzung der Werkstückrand­ schicht beim Überfahren einer Werkstückkante bzw. eines Werkstückbereichs mit verminderter Wärmeableitung, kann die Lampenleistung entsprechend den Wärmeleitbedingungen bzw. der Werkstückvorwärmung verringert werden.

Die oben beschriebene Vorrichtung kann vorzüglich eingesetzt werden zur großflächigen Oberflächenbehandlung von Werkstücken. Für diese Oberflächenbehandlung wird das Licht der Hochleistungslangbogenlampe 2 mit Hilfe des Re­ flektors 1 auf die Oberfläche des Werkstückes 3 fokussiert, wobei entweder eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Reflektor zur flächenüberstreichenden Erwärmung oder eine stationäre Erwärmung der Randschicht vorgesehen ist, um die Randschicht zu erwärmen und bei hohen Intensitäten im Fokus und/oder bei langen Strahleinwirkzeiten zu erschmelzen und anschließend durch Selbstabschreckung oder durch Ab­ schreckung mit einem Abschreckungsmedium, beispielsweise Wasser, zu erkalten. Bei rascher Erwärmung, d. h. bei hohen Intensitäten im Linienfokus und kurzen Strahleinwirkzeiten kann man eine Erkaltung der Werkstücke größerer Wandstärke, vornehmlich <20 mm, durch Selbstabschreckung erzielen. Bei langen Strahleinwirkzeiten erfolgt die Abschreckung vorteil­ hafter mit Wasser, wie dies oben schon erwähnt worden ist. Zum Härten der Oberfläche eines Werkstückes wird die Inten­ sität im Linienfokus, d. h. die Lampenleistung und/oder die Strahleinwirkzeit so klein gewählt, daß die Schmelztempera­ tur der Werkstückrandschicht nicht erreicht wird.

Zum Lampenumschmelzen, -beschichten, -dispergie­ ren und -legieren wird mit hohen Intensitäten im Linienfokus des Reflektors gearbeitet, d. h. mit hohen Lampenleistungen und/oder langen Strahleinwirkzeiten, um so die Schmelztempe­ ratur des Werkstückes und beim Beschichten und Legieren außerdem des Zusatzwerkstoffes zu erreichen.

Es soll angemerkt werden, daß zur Energieeinkoppe­ lung der Strahlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in die Werkstückoberfläche von Stahl und Gußeisen und einer Reihe von anderen Werkstoffen keine absorptionserhöhenden Mittel auf die Oberfläche des Werkstückes aufgebracht zu werden brauchen.

Das Werkstück kann im übrigen vor der Lampen­ strahlbehandlung oder nach der Lampenstrahlbehandlung einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur großflächigen Oberflächenerwärmung von Werkstücken mittels Lichtstrahlen, mit einem zylindrischen Reflektor und einer im Reflektor angeordneten Langbogenlam­ pe, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Lampe als kontinuierlich betriebene Hochleistungs- Langbogenlampe (2) ausgebildet ist,
• - daß der Reflektor (1) als Teil der Mantelfläche (11) eines elliptischen Zylinders ausgebildet ist,
• - daß die Lampe (2) etwa im reflektornahen Linienfokus (4) des Reflektors (1) angeordnet ist und
• - daß Mittel vorgesehen sind, die das Werkstück (3) während der Bestrahlung mit seiner Oberfläche etwa durch den reflektorfernen Linienfokus (4) des Reflektors (1) bewe­ gen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (1) zur Einstellung der Erwärmungsspur­ breite verschwenkbar ist, derart, daß die Längsachse des Linienfokus (4) unter einem Winkel (α) orthogonal zur Relativbe­ wegung (5) zwischen 0° und 90° einstellbar ist (Fig. 2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reflektor so einstell­ bar ist, daß die Werkstücksoberflächennormale und die Reflek­ tornormale unter einem Winkel (β) zueinander stehen, wobei die Kippung um die Längsachse der Langbogenlampe erfolgt (Fig. 10).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (1) relativ zum Werkstück quer zur Längsachse neigbar ist (Fig. 11).

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Blenden (7, 7′) und/oder Spiegel (8, 8′, 18, 18′, 28) zur Strahlbegrenzung vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel keilförmig oder kegelförmig ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blenden und/oder Spiegel kühlbar ausge­ bildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur raschen Abkühlung der erwärmten Randschicht des Werkstückes (3) Kühleinrichtungen (25) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtungen Wasserbrausen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühleinrichtungen gleichzeitig als Blen­ den zur Begrenzung des Strahlenganges ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bearbeitungsgasdüsen (29) vorgesehen sind, deren Wirkbereich zwischen Reflektor (1) und Werkstück (3) liegt und über die ein Bearbeitungsgas­ strom zuführbar ist, der quer, entgegen der Vorschubrichtung (5) bei Bewegung des Werkstückes oder in Vorschubrichtung bei Bewegung des Reflektors zwischen Reflektor und Werkstück einblasbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bearbeitungsgasdüsen (29) in die Reflektor­ fläche des Reflektors integriert sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bearbeitungsgasdüsen (29) im Zenit des Re­ flektors oder in den Seitenwänden des Reflektors angeordnet sind.