DE4447478C2

DE4447478C2 - Device for hardening long goods with high energy radiation

Info

Publication number: DE4447478C2
Application number: DE4447478A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Kuepper; Hartwig Boening; Konrad Dr Rer Nat Wissenbach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-01-21
Filing date: 1994-01-21
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2014-01-22
Also published as: DE4447478A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Här ten von Langgut mit Hochenergiestrahlung, insbesondere Laser strahlung, mit einem zum Langgut relativbewegten, die Hoch energiestrahlung abgebenden Bearbeitungskopf, der eine Fokus siereinrichtung aufweist, die die Hochenergiestrahlung ober halb der Langgutoberfläche in einem Fokussierungsbereich bündelt und an dem eine relativ zur Hochenergiestrahlung in Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes vorgeordnete Düse zum Beschichten der Härtspur mit Graphit vorhanden ist.The invention relates to a device for hardening Long goods with high energy radiation, especially lasers radiation, with a high relative to the long goods machining head emitting energy radiation, which is a focus Siereinrichtung that upper high energy radiation half of the long goods surface in a focusing area bundles and at which one relative to the high energy radiation in Direction of movement of the machining head upstream nozzle is available for coating the hardness track with graphite.

Bei der Auswahl eines Werkstoffs für ein Bauteil ist es technisch und wirtschaftlich nicht immer möglich, das gesamte Bauteil aus einem solchen Werkstoff zu fertigen, der den Ver schleißanforderungen ohne Nachbearbeitung gerecht wird. In diesen Fällen ist es sinnvoll, Verschleißstellen zu härten, um eine verschleißbeständige Oberfläche zu schaffen. Bei spielsweise werden Rechteckrohre mit gehärteten Kantenberei chen versehen, damit sie im Anlagenbau als Querarme, Stand säulen, Schienen und Führungselemente eingesetzt werden kön nen, die im Kantenbereich besonders verschleißfest sein müs sen. Die bei den Rohren vorzunehmende Härtung ist häufig eine Randschichthärtung, die in Bezug auf die Breite des Werk stücks und auf dessen Dicke eng begrenzte Härtzonen hat. Für derartige Randschichthärtungen von Rohren werden Induktions anlagen eingesetzt und es ist auch bekannt, das Randschicht härten mit Laserstrahlung durchzuführen. Bei den bekannten Verfahren wird die Härtstrategie in der Regel dem Maschinen bediener überlassen, der sich an Erfahrungswerte hält, die entsprechend der Geometrie des Werkstücks, dessen Werkstoff und der Behandlungsvorgeschichte ausgewählt werden. Es kommt daher verhältnismäßig häufig vor, daß eine falsche Härtstra tegie ausgewählt wird, so daß große Verzüge auftreten. Diese können sich aus Biegungen in zwei Ebenen, aus Torsionen und aus Querschnittswölbungen zusammensetzen. Durch den beim Här ten entstehenden Verzug kann die Form des Bauteils so verän dert werden, daß die vorgegebenen Abmessungstoleranzen über schritten werden. In solchen Fällen müßten Nachbearbeitungen durch kostenintensives Richten oder durch anschließende spa nende Nachbearbeitung erfolgen. Letzteres ändert jedoch die Wandstärke und damit die Belastbarkeit des Bauteils über des sen Länge.When choosing a material for a component it is technically and economically not always possible, the whole To manufacture component from such a material that Ver wear requirements without reworking. In In these cases it makes sense to harden wear points, to create a wear-resistant surface. At for example, rectangular tubes with hardened edges Chen provided so that they are used in the plant construction as cross arms, stand columns, rails and guide elements can be used nen, which must be particularly wear-resistant in the edge area sen. The hardening to be carried out on the pipes is often one Surface hardening in relation to the width of the work pieces and the thickness of which has tightly limited hardness zones. For such surface hardening of pipes becomes induction Plants used and it is also known that the surface layer perform hardening with laser radiation. With the known The hardening strategy is usually used in machines left to the operator who adheres to empirical values that according to the geometry of the workpiece, its material and the treatment history. It is coming therefore relatively often before that a wrong Härtstra strategy is selected so that large delays occur. These can arise from bends in two planes, from torsions and assemble from cross-sectional curvatures. Because of the hardness The resulting distortion can change the shape of the component be changed that the specified dimensional tolerances be paced. In such cases, post-processing would be necessary through expensive straightening or subsequent spa post-processing. However, the latter changes the Wall thickness and thus the resilience of the component over the length.

Es ist daher sinnvoll, Bearbeitungsabläufe beim Härten zu automatisieren. Dabei ist von Bedeutung, daß für unter schiedliches Langgut stark unterschiedliche Abstände zwischen dem Bearbeitungskopf der Härtmaschine und der Werkstückober fläche auftreten. Das ist abhängig von der Breite der Härts spuren und der Geometrie der zu härtenden Bauteile. Eine Vor richtung zum Härten von Langgut sollte daher so ausgebildet werden, daß der Abstand des Bearbeitungskopfs von der Ober fläche des Langguts einstellbar und nachregelbar ist. Dann lassen sich auch Abstandsänderungen nachregeln, die sich auf grund von Verzug des Langguts ergeben.It is therefore useful to have machining processes during hardening to automate. It is important that for under different long goods have very different distances between the processing head of the hardening machine and the workpiece top surface occur. That depends on the width of the hardness traces and the geometry of the components to be hardened. A before Direction for hardening long goods should therefore be trained be that the distance of the machining head from the upper area of the long goods is adjustable and readjustable. Then distance changes can also be readjusted, based on result from delay of the long goods.

Die vom Bearbeitungskopf abgegebene Strahlung, insbeson dere die von CO₂-Lasern emittierte Infrarotstrahlung, wird von mehr oder weniger blanken metallischen Werkstoffen zu ei nem sehr großen Teil reflektiert. Die Reflexion hat den Nach teil, daß der Bearbeitungskopf und in diesem vor allem die Spiegel erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Die thermische Belastung des Bearbeitungskopfs hängt wiederum auch von seinem Abstand zur Werkstückoberfläche ab. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, den Bearbeitungskopf und insbesondere die Spiegel vor übermäßigen thermischen Bela stungen zu schützen. Das gelingt in einem erheblichen Maße bereits dadurch, daß der Reflexionsgrad des Werkstücks ver ringert wird. Hierzu sind auf die zu härtende Oberfläche auf zubringende absorptionserhöhende Schichten bekannt. Insbeson dere erfolgt eine Berußung als besonderer Bearbeitungs schritt, bei dem Acetylen rußend verbrannt wird. Die Laser strahlung wird über die absorptionssteigernde Rußschicht zu einem wesentlich größeren Prozentsatz eingekoppelt und die Erwärmung des Bearbeitungskopfs sinkt entsprechend.The radiation emitted by the processing head, in particular which is the infrared radiation emitted by CO₂ lasers from more or less bare metallic materials to egg reflected a very large part. The reflection has the after part that the machining head and in this especially the Mirrors are exposed to significant thermal loads. The thermal load on the machining head in turn depends also from its distance from the workpiece surface. It is therefore crucial, the machining head and especially the mirrors from excessive thermal stress to protect stungen. This succeeds to a considerable extent already in that the reflectance of the workpiece ver is wrestled. To do this, apply to the surface to be hardened known absorption-increasing layers are known. In particular there is a sooting as a special processing step in which acetylene is burnt soot. The lasers Radiation is absorbed by the soot layer, which increases absorption a much larger percentage and the Heating of the processing head drops accordingly.

Aus der US 4 459 458 ist eine Vorrichtung mit den ein gangs genannten Merkmalen bekannt. Die Düse ist eine Sprüh düse, mit der kolloidales Graphit aufgetragen wird. Maßnahmen zur Beeinflußung der thermischen Belastung des Bearbeitungs kopfs sind nicht vorgesehen.From US 4,459,458 is a device with the one gangs mentioned characteristics known. The nozzle is a spray nozzle with which colloidal graphite is applied. activities to influence the thermal load on the machining heads are not provided.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu ver bessern, daß sie zur on-line Bearbeitung geeignet ist, ohne daß ihr Bearbeitungskopf durch thermische Überlastung gefähr det ist.The invention is therefore based on the object Ver device with the features mentioned above improve that it is suitable for online processing without that your machining head is at risk from thermal overload det.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Bearbeitungs kopf eine die Hochenergiestrahlung im Fokussierungsbereich umgebende Reflexionsstrahlungsblende für die von der Lang gutoberfläche reflektierte Hochenergiestrahlung und einen der Hochenergiestrahlung in Bewegungsrichtung des Bearbei tungskopfes nachgeordneten Abstandssensor aufweist.This object is achieved in that the machining head the high energy radiation in the focusing area surrounding reflective radiation diaphragm for those of the Lang good surface reflected high energy radiation and one of the High energy radiation in the direction of movement of the machining tion head subordinate distance sensor.

Demgemäß ist der Bearbeitungskopf mit einer Düse zum Be schichten der Härtspur mit Graphit bzw. mit einer Gasdüse und einem Abstandssensor zusammengebaut. Die Gasdüse kann on-line betrieben werden, so daß die Härtspur mit Sicherheit berußt ist. Ungleichmäßigkeiten der Berußung entfallen, z. B. infolge unbeabsichtigter Berührung der Rußschicht während des Trans ports von einer Berußungsanlage zur Härtvorrichtung. Die Vor ordnung der Gasdüse vor die die Härtung bewirkende Energie strahlung kann so erfolgen, daß ein genügender Abstand zwi schen der von der Gasdüse erzeugten Rußflamme und der Strah lung ist, so daß letztere nicht ungewollt und nicht in unter schiedlichem Ausmaß während des Härtvorgangs beeinflußt wer den kann. Des weiteren ist der Bearbeitungskopf mit einem Ab standssensor versehen und kann infolgedessen auf den jeweils gewünschten Abstand vom Langgut ausgeregelt werden. Das gilt auch für den Fall des Verzugs des Langguts infolge des Här tens. Dabei ist von Bedeutung, daß die Abstandsmessung nicht gleichachsig mit der Hochenergiestrahlung erfolgt, also in dem gerade in Bearbeitung befindlichen Oberflächenbereich des Langguts. Die Messung erfolgt vielmehr mit einem nachlaufen den Abstandssensor, der also in Vorschubrichtung hinter der jeweils gerade bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks mißt. Das gewährleistet zum einen eine verminderte Belastung durch von der Werkstückoberfläche reflektierte Strahlung und durch die vom Langgut abgegebene Wärmestrahlung, vor allem aber er möglicht es die Messung auf einer Oberfläche des Langguts, die infolge des Härtungsvorgangs von Ruß befreit ist. Es er folgt eine Abstandsmessung auf metallisch blanker oder be reits gehärteter Oberfläche, so daß Meßfehler vermieden wer den bzw. Abstandssensoren mit relativ geringer Ansprechem pfindlichkeit eingesetzt werden können. Bei der vorbeschrie benen Vorrichtung zum Härten von Langgut können insbesondere auch konventionelle optische Abstandssensoren eingesetzt wer den, die bewährt sind und geringe Herstellungskosten aufwei sen.Accordingly, the machining head with a nozzle for loading layers of the hardness trace with graphite or with a gas nozzle and assembled a distance sensor. The gas nozzle can be on-line be operated so that the hardness trail definitely smokes is. Irregularities in the sooting are eliminated, e.g. B. as a result accidental contact with the soot layer during the trans ports from a soot system to the hardening device. The before order of the gas nozzle before the hardening energy radiation can be such that a sufficient distance between the soot flame generated by the gas nozzle and the jet lung is so that the latter is not unwanted and not in under varying degrees during the hardening process that can. Furthermore, the machining head with an Ab level sensor provided and can consequently on each the desired distance from the long goods. That applies also in the event of the long goods being delayed due to the hardening tens. It is important that the distance measurement is not takes place coaxially with the high energy radiation, i.e. in the surface area of the Long goods. The measurement is rather carried out with a run the distance sensor, which is behind the each just machined surface of the workpiece. On the one hand, this ensures a reduced load through radiation reflected by the workpiece surface and by the heat radiation emitted by the long goods, but above all he enables measurement on a surface of the long goods, which is freed from soot as a result of the hardening process. It he follows a distance measurement on bare metal or be already hardened surface, so that measurement errors are avoided the or distance sensors with relatively low response sensitivity can be used. In the pre-described benen device for hardening long goods can in particular conventional optical distance sensors are also used those that are proven and have low manufacturing costs sen.

Ein wesentliches Merkmal ist dadurch gegeben, daß der Bearbeitungskopf eine die Strahlung im Fokussierungsbereich umgebende Reflexionsstrahlungsblende aufweist. Diese Reflexi onsstrahlungsblende ermöglicht einen verlustfreien Durchgang der Hochenergiestrahlung zum Langgut, blendet jedoch die stark divergente Reflexionsstrahlung aus. Der Bearbeitungs kopf und insbesondere dessen Optik werden also thermisch ent lastet und auch die thermische Belastung eines Abstands sensors kann dadurch reduziert werden.An essential feature is that the Processing head a the radiation in the focusing area has surrounding reflection radiation diaphragm. These reflexes Radiation shield enables loss-free passage the high energy radiation to the long goods, but blinds the strongly divergent reflection radiation. The editing head and especially its optics are thermally ent loads and also the thermal load of a distance sensors can be reduced.

Es ist eine zweckmäßige Anpassung der Blendenöffnungen erforderlich. Das wird durch eine Ausgestaltung der Vorrich tung erreicht, bei der die Reflexionsstrahlungsblende eine Blendenöffnung hat, die in Strahlungsrichtung der Hochener giestrahlung länger ist, als der in der Blendenöffnung gele gene maximale Strahlungsdurchmesser der Hochenergiestrahlung. Die Blendenöffnung ist also so klein wie möglich.It is a convenient adjustment of the aperture openings required. This will be done by designing the device device reached, at which the reflection radiation aperture Has aperture that is in the radiation direction of the Hochener radiation is longer than that in the aperture opening gene maximum radiation diameter of the high energy radiation. The aperture is therefore as small as possible.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung ergibt sich dadurch, daß die Blendenöffnung der Reflexions strahlungsblende entgegen der Strahlungsrichtung der Hoch energiestrahlung konisch verjüngt ist. Die Anpassung der Blendenöffnung an die Strahlkaustik ist im Sinne einer Mehr fachreflexion der stark divergenten Reflexionsstrahlung in nerhalb der Blendenöffnung günstig, so daß eine entsprechend starke Ausblendung der unerwünschten Strahlung möglich istAnother advantageous embodiment of the device results from the fact that the aperture of the reflection radiation diaphragm against the radiation direction of the high energy radiation is tapered. The adjustment of the Aperture opening to the beam caustic is more subject reflection of the strongly divergent reflection radiation in cheap within the aperture, so that a corresponding strong suppression of unwanted radiation is possible

Aus der JP 62-151 289 A in: "Patents Abstracts of Japan", 1987, Vol. 11/ No. 380, Sec. M-650 ist bereits eine konische Strahlführungseinrichtung bekannt, die sich in Richtung der Hochenergiestrahlung erweitert. Sie dient der Strahlformung. Thermische Belastungen betreffende Maßnahmen sind nicht ersichtlich.From JP 62-151 289 A in: "Patents Abstracts of Japan", 1987, Vol. 11 / No. 380, sec. M-650 is already a conical one Beam guiding device known in the direction of High energy radiation expanded. It is used for beam shaping. Measures relating to thermal loads are not evident.

Wenn innerhalb des Bearbeitungskopfs der Vorrichtung in Strahlungsrichtung der Hochenergiestrahlung vor der als Fo kussierspiegel ausgebildeten Fokussiereinrichtung eine zweite Reflexionsstrahlungsblende vorhanden ist, kann ein großer Teil derjenigen Reflexionsstrahlung ausgeblendet werden, die die Blendenöffnung der ersten Reflexionsstrahlungsblende pas siert hat. Es wird eine weitere thermische Entlastung des Be arbeitungskopfs erreicht.If within the processing head of the device in Radiation direction of the high-energy radiation before that as Fo kussier mirror trained focusing device a second Reflecting radiation shields can be a big one Part of that reflection radiation are masked out the aperture of the first reflection radiation aperture pas has settled. There is a further thermal relief of the loading working head reached.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The invention is based on a Darge in the drawing presented embodiment explained. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich tung zum Härten vom Langgut unterschiedli cher Querschnittsabmessungen, Fig. 1 is a schematic representation of a processing for hardening the Vorrich Langgut cher differing cross-sectional dimensions,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Aufsicht eines Bearbeitungskopfs, Fig. 2 is a partially cutaway elevation view of the machining head,

Fig. 3 den vereinfachten Schnitt III-III der Fig. 2, Fig. 3 shows the simplified sectional view III-III of Fig. 2,

Fig. 4 eine Stirnansicht des Bearbeitungskopfs der Fig. 4 is an end view of the machining head of the

Fig. 2 in Richtung A, Fig. 2 in the direction A,

Fig. 5 eine Ansicht des Bearbeitungskopfs in Rich tung B der Fig. 4, und Fig. 5 is a view of the machining head in Rich device B of FIG. 4, and

Fig. 6 eine der Fig. 2 entsprechende, jedoch völlig geschnittene Darstellung des Bearbeitungs kopfs. Fig. 6 is a Fig. 2 corresponding, but completely sectioned representation of the processing head.

Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung zum Härten von Langgut 10, auf dem eine Härtspur 13 erzeugt werden soll. Das geschieht mit einem Bearbeitungskopf 12 der Vorrichtung. Mit diesem Bearbeitungskopf 12 wird Hochener giestrahlung 11 in der Strahlungsrichtung 16 am Langgut 10 zur Wirkung gebracht. Das geschieht unter Relativverschiebung senkrecht zur Darstellungsebene. Dazu kann wahlweise das Langgut selbst, dem zur Härtung eingesetzte Bearbeitungskopf 12 oder dieser in Verbindung mit der eingesetzten Energie quelle bewegt werden. Die Bewegung des Langguts erfordert entsprechend großen Bauraum, auskragende Führungselemente und leistungsfähige Antriebseinheiten, so daß die Bewegung des Bearbeitungskopfs zu bevorzugen ist. Bei dieser Konzeption kann auch leichter berücksichtigt werden, daß das Langgut er heblich unterschiedliche Abmessungen aufweist. In Fig. 1 sind beispielsweise Kantenbemessungen für Rechteckprofile angege ben, nämlich für Rechteckrohre. Derartiges Langgut kann lokal gehärtet werden, also z. B. mit Härtspuren, die die sich zwar über die gesamte Länge des Langguts erstrecken, jedoch bei spielsweise nur über einen Teil der Breite der Langgutfläche 10′. Diese Fläche 10′ kann auch mit einer weiteren Härtspur 13′ bearbeitet werden, um beide Kantenbereiche zu härten. Die Härtspurbreiten liegen in der Größenordnung von 6 bis 60 mm. Das Härten von Langgut kann durch mehrfaches Überstreichen einer Härtspur 13, 13′ mit Hochenergiestrahlung 11 erfolgen. Fig. 1 shows the basic arrangement of a device for hardening long goods 10 on which a hardening track 13 is to be generated. This is done with a processing head 12 of the device. With this processing head 12 , high energy radiation 11 is brought into effect in the radiation direction 16 on the long goods 10 . This happens with a relative shift perpendicular to the display plane. For this purpose, the long product itself, the processing head 12 used for hardening or this can be moved in connection with the energy source used. The movement of the long goods requires a correspondingly large installation space, projecting guide elements and powerful drive units, so that the movement of the machining head is preferred. With this concept, it can also be more easily taken into account that the long goods have considerably different dimensions. In Fig. 1, for example, edge dimensions for rectangular profiles are given, namely for rectangular tubes. Such long goods can be hardened locally, e.g. B. with hardness traces that extend over the entire length of the long goods, but for example only over part of the width of the long goods surface 10 '. This surface 10 'can also be processed with a further hardening track 13 ' to harden both edge areas. The hardness gauge ranges from 6 to 60 mm. The hardening of long material can be done by repeatedly painting over a hardening track 13 , 13 'with high-energy radiation 11 .

Der Bearbeitungskopf 12 besteht gemäß den Fig. 2 bis 6 aus einem mehrteiligen Gehäuse 26, dessen Bestandteile im einzelnen nicht näher beschrieben werden. Das Gehäuse 26 ist so angeordnet, daß Hochenergiestrahlung 11 eines nicht darge stellten Lasers durch eine Durchtrittsöffnung 27 auf einen Umlenkspiegel 28 trifft, von dem die Hochenergiestrahlung 11 zu einem als Ellipsoid ausgebildeten Fokussierspiegel 24 ge langt, der die Hochenergiestrahlung gemäß Fig. 6 auf das Langgut 18 umlenkt. Die Fokussierung durch den Fokussierspie gel 24 erfolgt derart, daß der Brennpunkt bzw. der Fokussie rungsbereich 19 mehr oder weniger im Bereich einer Blenden öffnung 21 einer Reflexionsstrahlungsblende 20 angeordnet ist, so daß die Hochenergiestrahlung 11 einen Strahlfleck bildet, der in der Relativbewegungsrichtung 23 des Bear beitungskopfs 12 die aus Fig. 6 ersichtliche Erstreckung 29 hat, während seine maximale Abmessung senkrecht dazu gleich der Härtspurbreite ist. Der Strahlfleck ist also länglich und wird quer zu seiner Längserstreckung in der Relativbewegungs richtung 23 über das Langgut 10 geführt. Entsprechend der länglichen Gestaltung des Strahlflecks der Hochenergiestrah lung 11 ist auch die Blendenöffnung 21 gemäß Fig. 5 länglich oval.The machining head 12 is shown in FIGS. 2 to 6 of a multi-part housing 26, whose components are not described in detail in detail. The housing 26 is arranged such that high-energy radiation 11 of a laser, not shown, hits a deflection mirror 28 through a passage opening 27 , from which the high-energy radiation 11 reaches a focusing mirror 24 formed as an ellipsoid, which provides the high-energy radiation according to FIG. 6 on the long product 18 redirects. The focussing by the focussing mirror 24 takes place in such a way that the focal point or the focussing area 19 is more or less arranged in the area of an aperture 21 of a reflection radiation aperture 20 , so that the high-energy radiation 11 forms a beam spot which is in the relative movement direction 23 of the bear processing head 12 has the extent 29 shown in FIG. 6, while its maximum dimension perpendicular to it is equal to the hardness track width. The beam spot is thus elongated and is guided transversely to its longitudinal extension in the direction of relative movement 23 over the long product 10 . Corresponding to the elongated design of the beam spot of the high energy radiation 11 , the aperture 21 according to FIG. 5 is elongated oval.

Damit der Fokussierspiegel 24 relativ zum Umlenkspiegel verstellt werden kann, ist er relativ zum Gehäuse 26 ver stellbar, was durch eine Lagerung 30 für ein Spiegelgehäuse 31 angedeutet ist, an dem der Spiegel 24 befestigt ist, und das auch die Reflexionsstrahlungsblende 20 bildet.So that the focusing mirror 24 can be adjusted relative to the deflecting mirror, it is ver adjustable relative to the housing 26 , which is indicated by a bearing 30 for a mirror housing 31 to which the mirror 24 is attached, and which also forms the reflection radiation diaphragm 20 .

Am Spiegelgehäuse 31 ist ein Abstandsschlitten 17 in nicht dargestellter Weise angebracht, der in Strahlungsrich tung 16 verstellt werden kann. Am Abstandsschlitten 17 befin den sich zwei Abstandssensoren 15, 15′ und zwei Gasdüsen 14, 14′. Mit Hilfe des Abstandsschlittens 17 können die Ab standssensoren 15, 15′ und die Gasdüsen 14, 14′ relativ zum Langgut 10 verstellt werden, unabhängig von der Entfernung des Bearbeitungskopfs 12 bzw. dessen Gehäuse 26 vom Langgut 10.On the mirror housing 31 , a spacer slide 17 is attached in a manner not shown, the device 16 can be adjusted in the direction of radiation. On the distance slide 17 are two distance sensors 15 , 15 'and two gas nozzles 14 , 14 '. With the help of the spacer slide 17 , the position sensors 15 , 15 'and the gas nozzles 14 , 14 ' can be adjusted relative to the long product 10 , regardless of the distance of the processing head 12 or its housing 26 from the long product 10 .

Die Abstandssensoren 15, 15′ sind bezüglich der Strahlung 11 einander diametral gegenüber angeordnet, wie auch die Gas düsen 14, 14′. Bezüglich der Hochenergiestrahlung 11 sind die Abstandssensoren 15, 15′ in den Abstandsschlitten 17 bzw. in ein Gehäuse eingebaut, von dem aus sie gekühlt werden können. Der Schlitten 17 ist demgemäß mit Meßstrahlöffnungen 32 für jeden Abstandssensor 15, 15′ versehen.The distance sensors 15 , 15 'are arranged diametrically opposite one another with respect to the radiation 11 , as are the gas nozzles 14 , 14 '. With regard to the high-energy radiation 11 , the distance sensors 15 , 15 'are installed in the spacer slide 17 or in a housing from which they can be cooled. The carriage 17 is accordingly provided with measuring beam openings 32 for each distance sensor 15 , 15 '.

Die Gasdüsen 14, 14′ sind gemäß Fig. 4 Röhrchen, die quer zur Härtspur 13 und zur Hochenergiestrahlung 11 ausgerichtet sind. Sie sind an eine nicht näher beschriebene Gasquelle 33 angeschlossen und besitzen Bohrungen 34, die über die Länge der Röhrchen nebeneinander angeordnet sind. Die Bohrungen 34 sind senkrecht zur Rohrachse und in Relativbewegungsrichtung 23 voreilend angeordnet, so daß ihre durch die Rohrachse ver laufende Mittellinie 35 mit der Strahlungsrichtung 16 einen Winkel α einschließt, der die Neigung charakterisiert, mit der eine Flamme 36 von der Strahlung 11 weggerichtet ist, wenn mit der Gasdüse 14 oder 14′ ein Acetylen-Sauerstoff- Gasgemisch verbrannt wird. Die Verbrennung erfolgt unterstö chiometrisch, so daß eine Rußentwicklung stattfindet. Der Ruß setzt sich auf dem Langgut ab und bildet dort eine Rußschicht 37. Die Rußschicht 37 verbessert die Einkopplung der Hoch energiestrahlung 11 in das Langgut 10. Der Absorptionsgrad für die Hochenergiestrahlung beträgt ca. 70%. Da vergleichs weise viel Energie in das Langgut eingekoppelt wird, ist die von der Langgutoberfläche erfolgende gerichtete und diffuse Strahlungsreflexion dementsprechend gering. Sie ist aber immer noch derart erheblich, daß gezielte Maßnahmen zur Küh lung des Bearbeitungskopfs getroffen werden müssen. Hierzu dient die spezielle Ausbildung der Reflexionsstrahlungsblende 20. Die Blende ist zum einen in Strahlungsrichtung 16 sehr dick. Die Blendenöffnung 21 wird in Strahlungsrichtung 16 länger bemessen, als der in der Blendenöffnung 21 gelegene maximale Strahlungsdurchmesser 22, der in Fig. 6 beispielswei se eingezeichnet wurde. Ein solcher Strahlungsdurchmesser 22 ergibt sich dann, wenn die Erstreckung 29 des Strahlflecks sehr klein ist, so daß der Fokussierungsbereich 19 der Hoch energiestrahlung 11 abweichend von der Darstellung in Fig. 6 in Strahlungsrichtung 16 verschoben ist. Infolge dieser Be messung der Reflexionsstrahlungsblende 20 wird ein großer Teil der stark divergenten Reflexionsstrahlung ausgeblendet und kann weggekühlt werden. Die Blende 20 bzw. der Spiegel schlitten 31 können mit geeigneten Kühlungsmitteln versehen werden. FFig. 6 zeigt die von dem Strahlfleck ausgehende Reflexionsstrahlung 38, die an der Blendenwand 39 größten teils absorbiert werden kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Blende ist aufgrund von Mehrfachreflexionen besonders günstig.The gas nozzles 14 , 14 'are according to FIG. 4 tubes which are aligned transversely to the hardness track 13 and to the high-energy radiation 11 . They are connected to a gas source 33 ( not described in more detail) and have bores 34 which are arranged next to one another over the length of the tubes. The bores 34 are arranged perpendicular to the tube axis and in a leading direction in the relative movement direction 23 , so that their center line 35 running through the tube axis includes an angle α with the radiation direction 16 , which characterizes the inclination with which a flame 36 is directed away from the radiation 11 , if an acetylene-oxygen gas mixture is burned with the gas nozzle 14 or 14 '. The combustion is substoichiometric so that soot develops. The soot settles on the long goods and forms a soot layer 37 there . The soot layer 37 improves the coupling of the high energy radiation 11 into the long product 10 . The degree of absorption for high-energy radiation is approx. 70%. Since a comparatively large amount of energy is coupled into the long goods, the directional and diffuse radiation reflection taking place from the long goods surface is correspondingly low. But it is still so significant that targeted measures for cooling the processing head must be taken. The special design of the reflection radiation diaphragm 20 serves this purpose. On the one hand, the diaphragm is very thick in the direction of radiation 16 . The aperture 21 is dimensioned longer in the radiation direction 16 than the maximum radiation diameter 22 located in the aperture 21 , which was drawn in FIG. 6, for example. Such a radiation diameter 22 results when the extent 29 of the beam spot is very small, so that the focusing area 19 of the high-energy radiation 11 is shifted from the illustration in FIG. 6 in the direction of radiation 16 . As a result of this measurement of the reflection radiation diaphragm 20 , a large part of the highly divergent reflection radiation is masked out and can be cooled away. The panel 20 or the mirror slide 31 can be provided with suitable cooling agents. FFig. 6 shows the reflection radiation 38 emanating from the beam spot, which for the most part can be absorbed on the diaphragm wall 39 . The efficiency of such an aperture is particularly favorable due to multiple reflections.

Strahlungsanteile 38, die durch die Blende 20 hindurch auf den Spiegel 24 gelangen, werden divergent in das Innere des Gehäuses 26 reflektiert. Die Fig. 3, 6 zeigen eine zweite Reflexionsstrahlungsblende 25, die innerhalb des Ge häuse 26 zwischen dem Umlenkspiegel 28 und dem Fokussier spiegel 24 angeordnet ist. Sie befindet sich in der Ebene der Objektweite des als Ellipsoid ausgebildeten Spiegels 24. In folgedessen vermag die vom Umlenkspiegel 28 zum Fokussier spiegel 24 reflektierte Strahlung 11 die Blendenöffnung 40 behinderungsfrei zu passieren, während die divergent vom Spiegel 24 reflektierte Reflexionstrahlung 38′ zum größten Teil weggefiltert wird. Die Blende 25 kann gekühlt werden, indem sie gemäß Fig. 3 mit einem beidseitig abgedichteten Kühlkanal 41 versehen ist.Radiation components 38 that pass through the diaphragm 20 onto the mirror 24 are reflected divergently into the interior of the housing 26 . FIGS. 3, 6 show a second reflected radiation diaphragm 25, the housing within the Ge 26 between the deflection mirror 28 and the focusing mirror 24 is disposed. It is located in the plane of the object width of the mirror 24 designed as an ellipsoid. As a result, the radiation 11 reflected from the deflecting mirror 28 to the focusing mirror 24 can pass through the aperture 40 without hindrance, while the reflection radiation 38 'divergently reflected by the mirror 24 ' is largely filtered away. The diaphragm 25 can be cooled by being provided with a cooling channel 41 sealed on both sides according to FIG. 3.

Fig. 6 läßt erkennen, daß der Umlenkspiegel 38 fokussie rend ausgebildet ist. Die infolgedessen auftretende Strahl taille kann im Sinne einer mit kleinem Durchmesser ausgebil deten Blendenöffnung 40 ausgenutzt werden, um einen ver gleichsweise großen Anteil der Reflexionsstrahlung 38′ wegzu filtern. Der Fokussierspiegel 24 dient dann in erster Linie der Formung des Strahlflecks auf dem Langgut 10. Fig. 6 reveals that the deflecting mirror 38 is designed to focus. The consequent beam waist can be exploited in the sense of a small diameter ausgebil Deten aperture 40 to filter a ver comparatively large proportion of the reflection radiation 38 '. The focusing mirror 24 then primarily serves to shape the beam spot on the long product 10 .

Durch die Optimierung der Kühlung von Gehäuse 26, Spie geln 24, 28 und Sensoren 15, 15′ werden thermische Schädigungen oder Zerstörungen vermieden. Das qualifiziert die Vorrichtung für den industriellen Einsatz, insbesondere für solche Pro zesse, die mit entsprechend langen Bearbeitungszeiten verbun den sind.By optimizing the cooling of the housing 26 , mirror gels 24 , 28 and sensors 15 , 15 ', thermal damage or destruction are avoided. This qualifies the device for industrial use, especially for processes that are connected with long processing times.

Während des Härtens bewegt sich der Bearbeitungskopf 12 mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit relativ zum Langgut 10. Die sich während der Bearbeitung ausbildenden thermischen Eigenspannungen führen zu Biege- und Torsionsverzügen. Da durch verändert sich während des Härtprozesses der Arbeitsab stand zwischen Bearbeitungskopf 12 und Langgut 10 und auch der in Fig. 1 beispielsweise angegebene Kantenabstand 49. In folgedessen wird auf dem Langgut eine Härtspur unerwünschter Qualität und unerwünschter Lage hergestellt, denn die auf dem Langgut 10 herzustellende Randschicht ist dicker oder dünner und anderer Qualität und darüber hinaus falsch angeordnet. Um Härtspuren mit konstantem Kantenabstand über die Länge des Langguts und mit konstantem Arbeitsabstand zu erzeugen, wer den die beiden Linearachsen in y- und z-Richtung nachgere gelt. Zur on-line Meßwerterfassung werden mindestens zwei Ab standssensoren benötigt, die im rechten Winkel zueinander und jeweils senkrecht zum Langgut 10 messen müssen. Es ist daher gemäß Fig. 1, 4 und 5 ein weiterer Abstandssensor 18 vorhanden, der in Bezug auf den Bearbeitungskopf 12 fest angeordnet ist und den Abstand zum Langgut 10 mißt. Aus diesem Abstand kann der Kantenabstand 49 eingestellt werden, weil der Abstands sensor 18 seine Lage relativ zum Bearbeitungskopf 12 nicht ändert.During hardening, the processing head 12 moves relative to the long product 10 at a constant feed rate. The thermal residual stresses that develop during processing lead to bending and torsion distortions. Since changes occurred during the hardening process, the working distance between the machining head 12 and the long product 10 and also the edge distance 49, for example given in FIG. 1. As a result, a hardness track of undesirable quality and undesirable position is produced on the long goods, because the edge layer to be produced on the long goods 10 is thicker or thinner and of different quality and, moreover, incorrectly arranged. In order to generate hardness marks with a constant edge distance over the length of the long product and with a constant working distance, whoever adjusts the two linear axes in the y and z direction. For online measurement value acquisition, at least two distance sensors are required, which are at right angles to each other and each have to measure perpendicular to the long product 10 . It is therefore shown in FIG. 1, 4 and 5 another distance sensor 18 is present which is arranged fixedly with respect to the processing head 12 and the distance measures for Langgut 10th From this distance, the edge distance 49 can be set because the distance sensor 18 does not change its position relative to the machining head 12 .

Die Verstellbarkeit der Abstandssensoren 15, 15′, 18 rela tiv zum Langgut 10 ist erforderlich, weil letzteres gemäß Fig. 1 erhebliche Abmessungsunterschiede aufweisen kann. Die Vorrichtung soll also beispielsweise zum Härten eines Recht eckrohrs mit den Abmessungen 160 x 160 mm geeignet sein, das in Fig. 1 mit ausgezogenen Strichen dargestellt wurde, wie aber auch zum Härten eines Rechteckrohrs mit den Abmessungen 60 × 60 mm, das in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Um dabei dieselben Abstandssensoren 15, 15′, 18 einsetzen zu können, die aus Meßgenauigkeitsgründen nur einen vergleichbar geringen Meßbereich parallel zur Strahlungsrich tung 16 haben, müssen die Abstandssensoren 15, 15′ beispiels weise im Bereich von 115 bis 200 mm verstellbar sein, während der Abstandssensor 18 im Bereich von 50 bis 130 mm für die in Fig. 1 beispielsweise angegebenen Rohrabmessungen verstellbar sein muß.The adjustability of the distance sensors 15 , 15 ', 18 rela tively to the long product 10 is required because the latter can have considerable dimensional differences according to FIG. 1. The device should therefore, for example, be suitable for hardening a rectangular tube with the dimensions 160 x 160 mm, which was shown in FIG. 1 with solid lines, but also for hardening a rectangular tube with the dimensions 60 × 60 mm, which is shown in FIG. 1 is shown in dashed lines. In order to be able to use the same distance sensors 15 , 15 ', 18 which, for reasons of measurement accuracy, have only a comparably small measuring range parallel to the radiation direction 16 , the distance sensors 15 , 15 ', for example, must be adjustable in the range from 115 to 200 mm, during the Distance sensor 18 must be adjustable in the range from 50 to 130 mm for the tube dimensions given, for example, in FIG. 1.

Bei Einhaltung der vorbeschriebenen Bedingungen können beispielsweise konventionelle optische Sensoren eingesetzt werden.In compliance with the conditions described above For example, conventional optical sensors are used will.

Der Abstandssensor 18 ist gemäß Fig. 4, 5 an einem auskra genden Tragarm 47 angebracht. Sofern sich die Querschnitts form des Langguts 10 ändert, beispielsweise von quadratisch in sechseckig, muß auch durch die Anordnung des Abstandssen sors 18 auf diese Querschnittsänderung Rücksicht genommen werden. Das ist durch konstruktive Maßnahmen am Tragarm 47 ohne weiteres möglich, z. B. durch eine Schwenkverstellbarkeit des Abstandssensors.The distance sensor 18 is attached to a cantilever arm 47 as shown in FIGS . 4, 5. If the cross-sectional shape of the long goods 10 changes, for example from square to hexagonal, this cross-sectional change must also be taken into account by the arrangement of the distance sensor 18 . This is easily possible by constructive measures on the support arm 47 , for. B. by a swivel adjustability of the distance sensor.

Claims

1. Device for hardening long material ( 10 ) with high energy radiation ( 11 ), in particular laser radiation, with a relatively long object to the long material ( 10 ), the Hochenergiestrah treatment ( 11 ) emitting processing head ( 12 ), which has a Fo kussiereinrichtung that the high energy beam ( 11 ) above the long goods surface in a focussing area ( 19 ), and on which there is a nozzle upstream of the high-energy radiation ( 11 ) in the direction of movement ( 23 ) of the processing head ( 12 ) for coating the hardness track ( 13 ) with graphite, characterized in that the processing head ( 12 ) surrounds the high-energy radiation ( 11 ) in the focusing area ( 19 ) reflection radiation diaphragm ( 20 ) for the high-energy radiation reflected from the long goods surface ( 11 ) and one of the high-energy radiation ( 11 ) in the direction of movement ( 23 ) of the Machining head ( 12 ) downstream distance sensor ( 15 , 15 ').

2. Device according to claim 1, characterized in that the reflection radiation diaphragm ( 20 ) has an aperture ( 21 ) which is longer in the radiation direction ( 16 ) of the high energy radiation ( 11 ) than the opening in the aperture ( 21 ) located maximum radiation diameter ( 22 ) of high energy radiation ( 11 ).

13. The apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the diaphragm opening ( 21 ) of the reflective radiation treatment aperture ( 20 ) against the radiation direction ( 16 ) of the high-energy radiation ( 11 ) is tapered.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the radiation direction ( 16 ) of the high-energy radiation ( 11 ) in front of the focusing device designed as a focusing mirror ( 24 ), a second reflection radiation beam ( 25 ) is provided.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the reflection radiation diaphragm ( 20 ) is cooled and / or that the second reflection radiation diaphragm ( 25 ) is cooled.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance sensor ( 15 , 15 ', 18 ) is cooled GE.