EP0511274B1

EP0511274B1 - Vorrichtung zur oberflächenbehandlung von werkstücken mittels lichtstrahlen

Info

Publication number: EP0511274B1
Application number: EP91902949A
Authority: EP
Inventors: Clemens Meyer-Kobbe
Original assignee: MEYER KOBBE CLEMENS
Current assignee: MEYER KOBBE CLEMENS
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1991-01-15
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2011-01-15
Also published as: CA2074265A1; DE4001280A1; ES2061233T3; ATE109210T1; EP0511274A1; JPH05505213A; DE4001280C2; WO1991010751A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum großflächigen Oberflächenbehandeln, z.B. Härten, Umschmelzen, Beschichten, Legieren, von Werkstücken, insbesondere Metallen, mittels Lichtstrahlen. Nachfolgend wird aus Vereinfachungsgründen Härten, Umschmelzen, Beschichten, Legieren und Dispergieren von Werkstücken Oberflächenbehandlung von Werkstücken genannt.
Zur Oberflächenbehandlung (Härten, Umschmelzen, Legieren, Beschichten etc.) von Metallen werden derzeit bereits vereinzelt Strahlverfahren angewandt. Zum Einsatz kommen Elektronenstrahlanlagen und zunehmend Laser. Nachteilig wirken sich der hohe Kostenaufwand und insbesondere beim Laser die begrenzte Strahlleistung aus.
Durch die GB 20 83 728 ist ein Glühofen mit einer Langbogenlampe bekannt. Die Langbogenlampe befindet sich in einem geschlossenen Raum. Es ist ein statischer Betrieb vorgesehen. Die bekannte Vorrichtung arbeitet bei relativ niedrigen Temperaturen, nämlich Glühtemperaturen, um Gitterversetzungen auszuheilen und damit innere Spannungen abzubauen. Es wird ein asphärischer Reflektor verwendet, und die Lampe wird im Pulsbetrieb betrieben, um kurzfristig eine hohe Energie zu erzielen zum Ausheilen der Gitterversetzungen. Es ist eine gleichmäßige Energieverteilung vorgesehen, wobei die bestrahlte Fläche das Zwölffache der Licht emittierenden Fläche der Lampe nicht übersteigen soll. Die Lampe und/oder das Werkstück sind bei der Entgegenhaltung außerhalb des Strahlzentrums des Reflektors angeordnet, um die gleichmäßige Ausleuchtung des Werkstückes zu erhalten. Die Abbildung der einzelnen Strahlen erfolgt in unterschiedlichen Punkten, so daß keine Bündelung, also keine Fokussierung der Lampenstrahlen, vorliegt.
Durch die DE-AS 22 57 739 ist eine Vorrichtung zum Schweißen, Schmelzen oder Erhitzen eines Werkstückes mit Lichtenergie bekannt. Die Vorrichtumg umfaßt einen ellyptischen Spiegel, in oder nahe dessen einem spiegelnahen Brennpunkt eine Bogenlampe als praktisch punktförmige Strahlungsquelle für eine Hochtemperaturstrahlung und in oder nahe dessen anderem spiegelfernen Brennpunkt das Werkstück angeordnet ist. Durch eine solche Vorrichtung ist praktisch nur eine punktförmige Behandlung der Oberfläche des Werkstückes erreichbar, so daß großflächige Behandlungen nur mühsam und unvollkommen durchführbar sind.
Durch die JP-A-59 181 528 und JP-A-56 80 138 ist die Verwendung einer Langbogenlampe geringer Leistung zur Glühbehandlung von Silizium-Einkristallen bekannt. Lampe und Silizium-Einkristall sind relativ zueinander 2-dimensional bewegbar ausgebildet. Solche Silizium-Einkristalle weisen Wandstärken unter 1 mm und relativ schlechte Temperaturleitbedingungen auf. Durch die Glühbehandlung sollen Gitterdefekte beseitigt werden, aber die Gitterstruktur soll voll erhalten bleiben. Um dies zu erreichen muß die eingesetzte Temperatur niedrig und die Behandlungsdauer kurzzeitig sein. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung von Silizium-Einkristallen sind zum Härten und Umschmelzen, also zur Fest- und Flüssigphasenumwandlung, und ferner zur Beschichtung von Werkstücken mittels Lichtstrahlen nicht geeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine großflächige Behandlung von Werkstückoberflächen 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 Oberflächenbehandlung mit Hochleistungslampen durchzuführen.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigt:

Fig. 1: eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Reflektor und Langbogenlampe zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes,
Fig. 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen 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 Reflektornormale unter einem Winkel zwischen Werkstück und Vorrichtung steht, wobei die Neigung um die Längsachse der Langbogenlampe erfolgt,
Fig. 11: die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zur zwischen Reflektor und Werkstück geneigtem Reflektor, wobei die Neigung quer zur Längsachse erfolgt,
Fig. 12 und 13: die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zusätzlicher Verwendung von Wasserbrausen zur Abkühlung und Strahlabschirmung 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 Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken. Die Vorrichtung umfaßt einen Reflektor 1 mit ellyptischer Zylinderfläche 11 und seitlichen 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 dargestellt) dreidimensional bewegbar angeordnet, was durch das Koordinatenkreuz XYZ und die Bewegungspfeile 5 angedeutet ist. Anstelle des Werkstückes oder zusätzlich kann der Reflektor 1 dreidimensional 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 vorgesehen, 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 Werkstückrandschicht 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 Beeinflussung 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 Rohres 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 Einrichtung als Blende zur Begrenzung des Strahlenganges dienen. 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 Linienfokuslängsachse, vgl. Fig. 12, erreicht wird. Vorteilhaft kann die Kühleinrichtung eine Art Wasserbrause sein, um insbesondere bei langen Strahleinwirkzeiten die Werkstückrandschicht mit Wasser besser abschrecken zu können.
Um ein Verschmutzen des Reflektors durch von der Werkstückoberfläche aufsteigende Gase und Dämpfe zu verhindern, kann ein Bearbeitungsgasstrom 31 quer, vornehmlich entgegen der Vorschubrichtung bei Bewegung des Werkstückes oder in Vorschubrichtung bei Bewegung des Reflektors zwischen 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 Reflektor, die nicht oder nur in geringem Maße zur Strahlungsintensität im Linienfokus beitragen; diese Stellen sind beispielsweise 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 Reflektor verzichtet und wird die Werkstückoberfläche stationär bestrahlt.
Zur Vermeidung der Überhitzung der Werkstückrandschicht 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 Reflektors 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 Abschreckung 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 vorteilhafter mit Wasser, wie dies oben schon erwähnt worden ist. Zum Härten der Oberfläche eines Werkstückes wird die Intensität im Linienfokus, d. h. die Lampenleistung und/oder die Strahleinwirkzeit so klein gewählt, daß die Schmelztemperatur der Werkstückrandschicht nicht erreicht wird.
Zum Lampenumschmelzen, -beschichten, -dispergieren und -legieren wird mit hohen Intensitäten im Linienfokus des Reflektors gearbeitet, d. h. mit hohen Lampenleistungen und/oder langen Strahleinwirkzeiten, um so die Schmelztemperatur des Werkstückes und beim Beschichten und Legieren außerdem des Zusatzwerkstoffes zu erreichen.
Es soll angemerkt werden, daß zur Energieeinkoppelung 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 Lampenstrahlbehandlung oder nach der Lampenstrahlbehandlung einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden.

Claims

Vorrichtung zum großflächigen Oberflächenbehandeln, z.B. Härten, Umschmelzen, Beschichten, Legieren, von Werkstücken, insbesondere Metallen, mittels Lichtstrahlen, mit einem Reflektor, der durch eine zylindrische Fläche oder eine elliptische Zylinderfläche (11) gebildet wird und mit einer im Reflektor angeordneten, kontinuierlich betriebenen Hochleistungslangbogenlampe (2), die im wesentlichen im Fokus des Reflektors (1) angeordnet ist, der das Licht der Hochleistungslangbogenlampe auf einen reflektorfernen Linienfokus (4) fokussiert, in oder nahe dem das zu behandelnde Werkstück (3) angeordnet ist, wobei der Reflektor (1) und das Werkstück (3) relativ zueinander dreidimensional bewegbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (1) zur Einstellung der Erwärmungsspurbreite verschwenkbar ist, derart, daß die Längsachse des Linienfokus (4) unter einem Winkel orthogonal zur Relativbewegung (5) zwischen 0° und 90° einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Erwärmungs- und Abkühlprozesse der Werkstückrandschicht der Reflektor so einstellbar ist, daß die Werkstückoberflächennormale und die Reflektornormale unter einem Winkel zueinander stehen, wobei die Kippung um die Längsachse der Langbogenlampe erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur gezielten Beeinflussung der Erwärmung und der Abkühlung des Werkstückes (3) der Reflektor (1) relativ zum Werkstück quer zur Längsachse neigbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkleinerung der Bestrahlungsfläche Blenden (7, 7') und Spiegel (8, 8', 18, 18', 28) zur Strahlbegrenzung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel keilförmig oder kegelförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden und/oder Spiegel kühlbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur raschen Abkühlung der erwärmten Randschicht des Werkstückes (3) Kühleinrichtungen (25) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtungen Wasserbrausen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtungen gleichzeitig als Blenden zur Begrenzung des Strahlenganges ausgebildet sind.
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 Bearbeitungsgasstrom 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.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsgasdüsen (29) in die Reflektorfläche des Reflektors integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsgasdüsen (29) im Zenit des Reflektors oder in den Seitenwänden des Reflektors angeordnet sind.