ES2849573T3

ES2849573T3 - Método y sistema para el endurecimiento por láser de una superficie de una pieza de trabajo

Info

Publication number: ES2849573T3
Application number: ES15704516T
Authority: ES
Inventors: Jesús Dominguez; Paula Sancho; Olatz Bilbao
Original assignee: Etxe Tar SA
Current assignee: Etxe Tar SA
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2021-08-19
Anticipated expiration: 2035-02-11
Also published as: EP3117014B1; CA2941898C; RU2682189C2; US20170022584A1; JP2017514990A; KR102396213B1; EP3117014A1; SI3117014T1; CN106133152A; RU2016136401A3; US10648056B2; WO2015135715A1; CN106133152B; JP6687280B2; KR20160132938A; BR112016020870B1; CA2941898A1; RU2016136401A; MX2016011840A

Abstract

Un método de endurecimiento por láser de una superficie de una pieza de trabajo, comprendiendo la pieza de trabajo al menos un área superficial que se va a endurecer, comprendiendo el método: proyectar un haz de láser (2) a partir de una fuente de láser (1) sobre dicha área superficial, con el fin de producir un punto de láser sobre dicha área superficial; generar un movimiento relativo entre la superficie de la pieza de trabajo (1000) y la fuente de láser (1), permitiendo de ese modo que el punto de láser se proyecte posteriormente sobre diferentes porciones de dicha área superficial; durante dicho movimiento relativo, realizar una exploración repetitiva en dos dimensiones con el haz de láser (2) a través de la porción respectiva de dicha área superficial, siguiendo un patrón de exploración con el fin de producir un punto de láser eficaz bidimensional (5) sobre dicha área superficial, teniendo dicho punto de láser eficaz (5) una distribución de energía, en donde, debido al movimiento relativo, dicho punto de láser eficaz se desplaza a lo largo de dicha área superficial; en donde dicho patrón de exploración comprende al menos tres segmentos (a, b, c) y en donde dicha exploración del haz de láser se lleva a cabo de tal modo que dicho haz de láser sigue al menos uno de dichos segmentos (b) con más frecuencia de la que sigue al menos otro de dichos segmentos (a, c).

Description

DESCRIPCIÓN

Método y sistema para el endurecimiento por láser de una superficie de una pieza de trabajo

Campo técnico

La presente invención se refiere al campo del endurecimiento superficial de productos de materiales ferrosos tales como acero, por ejemplo, cigüeñales, por láser.

Estado de la técnica

En la técnica se conoce bien el endurecimiento de materiales ferrosos, tales como acero con contenido medio en carbono, al calentar el material hasta una temperatura alta, por debajo de su temperatura de fusión y, posteriormente, templar este, es decir, enfriarlo lo bastante rápido para formar martensita dura. El calentamiento puede tener lugar en hornos o mediante calentamiento por inducción, y el enfriamiento puede tener lugar mediante la aplicación de un fluido de enfriamiento, tal como agua o agua mezclada con otros componentes.

A menudo, solo es necesario endurecer la superficie. El endurecimiento superficial aumenta la resistencia al desgaste del material y, a veces, también se puede usar para aumentar la resistencia a la fatiga causada por esfuerzos de compresión residuales. El endurecimiento superficial puede ser útil para endurecer superficies que estarán sometidas a un desgaste sustancial cuando se encuentran en uso, por ejemplo, superficies de apoyo, tales como superficies de muñequilla de cigüeñales.

El endurecimiento superficial por láser es un método de tratamiento superficial en el que se emplea luz láser de alta energía como una fuente térmica para endurecer la superficie de un sustrato. Se conoce el uso de luz láser para lograr el endurecimiento superficial, véase, por ejemplo:

- F. Vollertsen, y col., "State of the art of Laser Hardening and Cladding", Proceedings of the Third International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2005 Munich, junio de 2005;

- M. Seifert, y col., "High Power Diode Laser Beam Scanning in Multi-Kilowatt Range", Proceedings of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004;

- S. Safdar, y col., "An Analysis of the Effect of Laser Beam Geometry on Laser Transformation Hardening", Journal of Manufacturing Science and Engineering, agosto de 2006, Vol. 128, páginas 659-667;

- H. Hagino, y col., "Design of a computer-generated hologram for obtaining a uniform hardened profile by laser transformation hardening with a high-power diode laser", Precision Engineering 34 (2010), páginas 446-452;

- el documento US-4313771-A;

- el documento DE-4123577-A1;

- el documento EP-1308525-A2;

- el documento EP-2309126-A1;

- el documento JP-2008-202438-A;

- el documento JP-S61-58950-A;

- el documento US-4797532-A.

El uso de luz láser para el endurecimiento superficial comporta varias ventajas: el haz de láser es esencialmente independiente de la pieza de trabajo, se controla fácilmente, no requiere vacío alguno y no genera producto de combustión alguno. Asimismo, debido a que el haz de láser, en general, solo calienta la pieza de trabajo o producto de metal de forma local, el resto de la pieza de trabajo puede actuar como un disipador de calor, asegurando un enfriamiento rápido, que también se conoce como auto-extinción: la parte interior fría de la pieza de trabajo constituye un disipador de calor lo bastante grande para templar la superficie caliente mediante conducción de calor a la parte interior a una tasa lo bastante alta para permitir que se forme martensita en la superficie. Por lo tanto, se puede obviar la necesidad de medios externos de enfriamiento, tales como fluidos de enfriamiento.

Un problema implicado en el uso de luz láser como la fuente térmica en los procesos de endurecimiento de metal es que la anchura de la zona de endurecimiento está limitada por las dimensiones del punto de láser. Se conoce el uso de óptica para modificar la forma del punto, por ejemplo, para proporcionar un punto sustancialmente rectangular que tiene una distribución de intensidades más o menos uniforme. Como alternativa, se pueden usar unos medios de exploración (tales como un espejo de exploración que está asociado con unos medios de accionamiento) para mover de forma repetitiva el punto a lo largo de la pista, de tal modo que la fuente térmica se pueda considerar una fuente rectangular que se mueve a lo largo de la pista.

A pesar de sus ventajas, a menudo el endurecimiento por láser no se usa debido a que se cree que la tasa de producción no será lo bastante alta para muchas aplicaciones prácticas de esta técnica, y debido a que es difícil lograr que la totalidad de las partes que se van a calentar se calienten en la medida deseada. Un calentamiento correcto es esencial para asegurar que se logre el endurecimiento y el revenido, con las profundidades necesarias, pero sin dar lugar a daño por sobrecalentamiento.

Por ejemplo, un cigüeñal (la parte del motor que convierte el movimiento alternativo lineal del pistón en rotación) es un producto complejo cuyo endurecimiento mediante luz láser se ha considerado difícil a menudo. Un ejemplo de un cigüeñal se muestra en la figura 1. El cigüeñal 1000 es un producto de acero forjado o colado, que tiene dos o más muñequillas cilíndricas coaxiales centralmente ubicadas 1001 (que también se conocen como las "muñequillas principales") y una o más muñequillas de cigüeñal cilíndricas 1002 desplazadas (que también se conocen como "muñequillas de biela"), que están separadas por unos contrapesos y bandas que establecen unas paredes 1005 que se extienden sustancialmente en sentido perpendicular con respecto a las superficies de las muñequillas. La forma compleja del producto puede hacer difícil "explorar" correctamente la superficie con el haz de láser; las pistas o áreas a endurecer pueden tener diferentes anchuras y/o ser asimétricas y/o estas dispuestas en diferentes planos (el cual es el caso con las paredes 1005 y las superficies de las muñequillas 1001 y 1002). Por lo tanto, hoy en día, se usa con frecuencia para el endurecimiento de cigüeñales un calentamiento por inducción de alta frecuencia seguido por un proceso de temple con agua a base de polímero. No obstante, este proceso, a pesar de que ha probado ser útil para lograr el endurecimiento deseado, comporta determinados inconvenientes. Por ejemplo, los inductores para crear un calentamiento por inducción se han de diseñar de acuerdo con el diseño específico del cigüeñal, lo que reduce la flexibilidad: adaptar una máquina de inducción a un nuevo tipo de cigüeñal puede consumir mucho tiempo y ser costoso. Además, el calentamiento por inducción es costoso en términos de la energía que se requiere para calentar el cigüeñal en la medida deseada. Adicionalmente, el proceso de enfriamiento es complejo, costoso y problemático desde un punto de vista medioambiental, debido al uso de grandes cantidades de fluido de enfriamiento que se necesitan. Además, parámetros tales como el flujo y la temperatura del fluido de enfriamiento se han de controlar de forma cuidadosa para asegurar un proceso de endurecimiento correcto.

Por lo tanto, el endurecimiento usando luz láser como la fuente térmica puede ser una alternativa atrayente en términos de la flexibilidad, el respeto al medio ambiente, el consumo de energía y los costes.

El documento DE-102005005 141-B3 divulga un método para el endurecimiento por láser de las superficies de las muñequillas de un cigüeñal. De acuerdo con este método, un robot industrial de seis ejes se usa para sujetar el cigüeñal y para rotar posteriormente el mismo alrededor del eje de las muñequillas principales y alrededor de los ejes de las muñequillas de biela, durante el calentamiento de las muñequillas respectivas con luz láser. Por lo tanto, mediante el uso de las capacidades de movimiento del robot industrial, la distancia entre la fuente de láser y la superficie sobre la cual se proyecta el haz de láser se puede mantener constante.

Asimismo, el documento US-2004/0244529-A1 enseña el uso de láser para endurecer una región pequeña de un cigüeñal. En este caso, se usa luz láser para endurecer una pluralidad de porciones separadas, en las que la extensión de las porciones varía a lo largo de la región que se va a endurecer. Debido a que solo una porción minoritaria del cigüeñal se endurece con estas porciones separadas, no existe necesidad alguna de preocuparse acerca del sobrecalentamiento de otras porciones más sensibles al calor.

El documento DE-3905551-A1 enseña un sistema para el endurecimiento de una superficie de un cigüeñal, en el que un haz de láser se proyecta sobre un cigüeñal y en el que hay un movimiento relativo entre el haz y el cigüeñal de tal modo que el haz se proyectará posteriormente sobre diferentes porciones del cigüeñal. La potencia o la distribución de potencia en el haz se adapta dependiendo de la geometría de la porción respectiva del cigüeñal y dependiendo de la profundidad deseada de penetración del haz de láser. Un problema con el enfoque enseñado por el documento DE-3905551-A1 es que puede que este no prevea una tasa de producción alta. Para lograr una profundidad suficiente de la capa endurecida (en la industria del motor, por lo general se requieren unas profundidades de endurecimiento de al menos 800, 1000, 1500, 2000 o incluso 3000 pm en términos de la profundidad de cementación eficaz, y a menudo se desea tener martensita transformada al 100 % hasta unas profundidades de 200 pm o más), no es suficiente elevar la temperatura de una determinada porción de la superficie, sino que se ha de aplicar energía durante un tiempo lo bastante prolongado para calentar no solo la superficie, sino también el material por debajo de la superficie, hasta una profundidad suficiente. Debido a que no se desea un calentamiento excesivo de la superficie, la mejor solución para lograr la penetración deseada no es simplemente aumentar la cantidad de potencia del haz de láser sino, más bien, el tiempo durante el cual se aplica el calentamiento por láser al área relevante. En el sistema que se divulga en el documento DE-3905551-A1, en el que el haz de láser se mantiene estacionario y se aplica a un área específica, parece ser que la obtención de un adecuado calentamiento y penetración a lo largo de las porciones principales de las muñequillas principales o las muñequillas de biela requiere unas cantidades sustanciales de tiempo. Por lo tanto, el documento DE-3905551-A1 puede describir un método apropiado para endurecer porciones muy específicas de la superficie de un cigüeñal, pero no para endurecer las superficies generales de las muñequillas.

Asimismo, el documento EP-1972694-A2 se centra en el endurecimiento de porciones específicas de un cigüeñal, en concreto, de las porciones de ángulos interiores redondeados, usando uno o más láseres. La luz láser se dirige sobre la porción que se va a endurecer y el cigüeñal se rota. El método divulgado puede incluir una etapa de pre calentamiento, una etapa de calentamiento principal y una etapa de post-calentamiento. Parece que la irradiación de láser se mantiene constante mientras que tiene lugar la rotación del cigüeñal. El documento EP-1972694-A2 no hace mención del riesgo de sobrecalentamiento de porciones más sensibles al calor de la superficie del cigüeñal.

El documento US-2004/0108306-A1 admite que los fabricantes de automóviles usan el proceso de calentamiento por inducción para endurecer los cojinetes de un cigüeñal, es decir, las superficies de las muñequillas principales y las muñequillas de biela, al tiempo que se utiliza un proceso de laminación mecánica para laminar los ángulos interiores redondeados para mejorar los esfuerzos de compresión. No obstante, de acuerdo con el documento US-2004/0108306-A1, se dice que estos procesos requieren mucho capital, requieren mucho tiempo, conducen a faltas de uniformidad y son propensos a grietas en los orificios de lubricación de aceite que requieren un proceso de revenido. El documento US-2004/0108306-A1 enseña un tratamiento térmico de ángulos interiores redondeados por láser que tiene como objetivo la eliminación de la necesidad del proceso de laminación mecánica. Se propone un control de temperatura de lazo cerrado mediante el uso de un pirómetro óptico. Se propone el uso de un mecanismo de tipo x, y controlable para mantener una distancia de calentamiento fija entre el láser y los ángulos interiores redondeados.

S. M. Shariff, y col., "Laser Surface Hardening of a Crankshaft", SAE 2009-28-0053 (SAE International), analiza el endurecimiento superficial por láser de un cigüeñal que tiene como objetivo una profundidad de cementación de más de 200 |jm con una dureza de 500-600 HV en diferentes ubicaciones mencionadas. El documento menciona el problema de la fusión en la periferia de orificios debido al reducido efecto de disipación de calor y a la acumulación de calor en el borde. Se expone que el problema se puede abordar mediante la reducción del efecto de pre calentamiento en el borde del orificio al elegir una ubicación de puesta en marcha apropiada y al variar parámetros de proceso dentro del intervalo admisible.

Una razón por la cual el endurecimiento por láser no se ha llegado a usar con más frecuencia en el contexto de productos complejos tales como cigüeñales es que se cree puede ser difícil lograr un calentamiento correcto de las partes, es decir, un calentamiento suficiente para asegurar un endurecimiento correcto (en general, la capa endurecida ha de tener una profundidad de cementación eficaz de al menos 800 jm o más, tal como al menos 1000, 1500, 2000 jm o más, y/o presentar martensita transformada al 100 % hasta una profundidad tal como 200 jm o más) al tiempo que se evita el sobrecalentamiento de porciones sensibles. Por ejemplo, en el caso de un cigüeñal tal como el de la figura 1, se ha de tener cuidado en lo que respecta al calentamiento de las muñequillas en correspondencia con los orificios de lubricación de aceite 1003 y, de forma opcional, también en lo que respecta a los ángulos interiores redondeados 1004. Por ejemplo, si un punto de láser grande simplemente se proyecta sobre la superficie de la muñequilla durante la rotación de la muñequilla para calentar la totalidad de la superficie, y si la velocidad de rotación y la potencia del haz de láser se mantienen constantes de tal modo que cada porción de la superficie recibe la misma cantidad de energía, y si esta energía es suficiente para lograr un calentamiento adecuado de la mayor parte de la superficie para producir el endurecimiento deseado, el calentamiento se puede volver excesivo en los bordes de los orificios de lubricación de aceite, dañando de este modo dichos bordes. Lo mismo puede tener lugar en los ángulos interiores redondeados, que por lo general están entallados; por lo tanto, hay bordes que pueden sufrir daños si se sobrecalientan.

Descripción de la invención

Un primer aspecto de la invención se refiere a un método de endurecimiento por láser de una superficie de una pieza de trabajo, comprendiendo la pieza de trabajo al menos un área superficial que se va a endurecer, comprendiendo el método:

proyectar un haz de láser a partir de una fuente de láser sobre dicha área superficial, con el fin de producir un punto de láser (es decir, a lo que se puede hacer referencia como punto de láser efectivo) sobre dicha área superficial;

generar un movimiento relativo entre la superficie de la pieza de trabajo y la fuente de láser (por ejemplo, mediante el desplazamiento de la pieza de trabajo y/o la fuente de láser; en algunas realizaciones de la invención, este desplazamiento puede incluir, por ejemplo, la rotación de la pieza de trabajo), permitiendo de ese modo que el punto de láser se proyecte posteriormente sobre diferentes porciones de dicha área superficial; durante dicho movimiento relativo, realizar una exploración de forma repetitiva con el haz de láser a través de la porción respectiva de dicha área superficial en dos dimensiones, siguiendo un patrón de exploración con el fin de producir un punto de láser bidimensional equivalente o eficaz sobre dicha área superficial, teniendo dicho punto de láser eficaz una distribución de energía. Esta distribución de energía dependerá de parámetros tales como la potencia del punto de láser efectivo, el patrón de exploración, y la velocidad con la que el punto de láser se explora a lo largo de las diferentes porciones o segmentos del patrón de exploración.

Debido al movimiento relativo, dicho punto de láser eficaz se desplaza a lo largo de dicha área superficial, por ejemplo, en una primera dirección, tal como, en el caso del endurecimiento de la muñequilla de un cigüeñal, en una dirección circunferencial de la muñequilla del cigüeñal.

Este tipo de disposición se divulga en la solicitud de patente internacional PCT/EP2013/067949 del mismo solicitante. Esta disposición es ventajosa ya que esta permite, entre otras cosas, que la distribución de energía a lo largo y a lo ancho del punto de láser eficaz se adapte de forma dinámica mientras que el punto de láser eficaz se está desplazando a lo largo del área superficial que se va a endurecer, mediante la adaptación de, por ejemplo, uno o más de los parámetros que se han indicado en lo que antecede, tal como la distribución del patrón de exploración (tal como el número, la orientación y/o la longitud de segmentos del patrón de exploración) y/o la velocidad con la que el punto de láser se desplaza a lo largo del patrón de exploración, tal como a lo largo de diferentes porciones o segmentos del patrón de exploración. Por ejemplo, diferentes velocidades se pueden asignar a diferentes segmentos, y la distribución del patrón de exploración y/o la velocidad que se asigna a uno o más de los segmentos se pueden modificar al tiempo que está teniendo lugar el movimiento relativo del punto de láser eficaz a lo largo del área superficial que se va a endurecer. Por lo tanto, la distribución de energía se puede adaptar para tener en cuenta determinadas subáreas más sensibles al calor. Un ejemplo típico de una subárea más sensible al calor de este tipo es el área adyacente a un orificio de lubricación de aceite de una muñequilla de un cigüeñal.

De acuerdo con este aspecto de la invención, el patrón de exploración comprende al menos tres segmentos, y dicha exploración del haz de láser se lleva a cabo de tal modo que dicho haz de láser o punto de láser efectivo sigue al menos uno de dichos segmentos con más frecuencia que este sigue al menos otro de dichos segmentos. Esta disposición es ventajosa ya que la misma potencia la flexibilidad y la forma en la cual se puede usar el patrón de exploración para proporcionar una distribución de energía adecuada y, siempre que se desee, simétrica o sustancialmente simétrica. Por ejemplo, uno de dichos segmentos se puede usar como una trayectoria o puente seguido por el punto de láser cuando se mueve entre otros dos segmentos, de tal modo que la transferencia del punto de láser entre diferentes porciones (tales como un final y un comienzo) del patrón de exploración se puede llevar a cabo usando segmentos (tales como segmentos intermedios) del patrón de exploración para la transferencia, por lo cual a menudo la transferencia se puede llevar a cabo sin apagar el haz de láser y sin distorsionar la simetría de la distribución de energía bidimensional, cuando se desee tal simetría.

En algunas realizaciones de la invención, el patrón de exploración comprende al menos tres líneas rectas o curvadas sustancialmente paralelas distribuidas una después de la otra en una primera dirección, extendiéndose dichas líneas, en general, en una segunda dirección, en el que dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea, al menos una línea intermedia y una última línea dispuestas una después de cada una las otras en dicha primera dirección, en el que dicha exploración del haz de láser se lleva a cabo de tal modo que dicho haz de láser o punto de láser efectivo sigue dicha línea intermedia con más frecuencia que dicho haz de láser sigue dicha primera línea y/o dicha última línea. Es decir, por ejemplo, el haz de láser puede seguir, como promedio, dicha línea intermedia dos veces tan a menudo como este sigue dicha primera línea y dicha última línea, por ejemplo, el haz de láser se puede desplazar a lo largo de la línea intermedia cada vez que este se mueve desde la primera línea hacia la última línea, y viceversa. Es decir, la línea o líneas intermedias pueden servir como un tipo de puente seguido por el punto de láser efectivo cuando se mueve entre la primera y la última línea.

Se ha hallado que esta disposición es práctica y fácil de implementar, y se ha hallado que, a menudo, se pueden obtener unas distribuciones de energía adecuadas mediante la adaptación de la velocidad de exploración y sin adaptar sustancialmente la potencia del haz de láser. También es posible modificar la potencia del haz de láser durante la exploración con el fin de adecuar la distribución de energía, pero una conmutación rápida de la potencia no es siempre posible o deseable, y tener el haz de láser a un nivel de potencia bajo o apagado durante partes sustanciales del ciclo de exploración puede implicar un uso inferior al óptimo de la capacidad del láser. Por lo tanto, a menudo es deseable operar con el haz de láser completamente en el estado activo, para un pleno aprovechamiento de la potencia disponible.

A menudo, es deseable usar tres o más líneas dispuestas de esta forma, es decir, una después de la otra en una dirección diferente de, tal como en perpendicular con respecto a, la dirección a lo largo de la cual se extienden las líneas, con el fin de lograr una extensión sustancial del punto de láser eficaz no solo en la dirección a lo largo de las líneas, sino también en la otra dirección, con el fin de hacer el punto de láser eficaz adecuado para calentar una porción superficial lo bastante ancha a una temperatura lo bastante alta y para mantener la temperatura al nivel o niveles deseados durante un tiempo suficiente, al tiempo que se permite que el punto de láser eficaz se desplace con una velocidad suficiente, previendo de ese modo una alta productividad. Por lo tanto, una extensión sustancial del punto de láser eficaz en dos dimensiones es a menudo una ventaja.

En algunas realizaciones de la invención, el patrón de exploración comprende al menos tres líneas o segmentos sustancialmente paralelos, distribuidos uno después del otro en una primera dirección, tal como en la dirección a lo largo de la cual el punto de láser eficaz se desplaza durante el proceso de endurecimiento, extendiéndose dichas líneas en una segunda dirección, tal como en una dirección perpendicular con respecto a la primera dirección. En algunas realizaciones de la invención, dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea, al menos una línea intermedia y una última línea, dispuestas una después de otra en dicha primera dirección, y la exploración del haz de láser se lleva a cabo de tal modo que el punto de láser se explore a lo largo de dichas líneas de acuerdo con una secuencia de acuerdo con la cual el punto de láser, después de seguir dicha primera línea, sigue dicha línea intermedia, dicha última línea, dicha línea intermedia y dicha primera línea, en ese orden.

La definición anterior no pretende indicar que la exploración haya de comenzar con la primera línea, sino que solo indica la secuencia de acuerdo con la cual el punto de láser persigue, o sigue, las líneas que se han mencionado en lo que antecede del patrón de exploración. Asimismo, esta no excluye que entremedias (tal como antes o después) de seguir algunas o la totalidad de las líneas que se han indicado en lo que antecede, el punto de láser eficaz pueda seguir otras líneas, tales como unas líneas que interconectan las líneas primera, última e intermedias, y/o líneas intermedias adicionales.

Es decir, en estas realizaciones, después de moverse a lo largo de la primera línea, el punto de láser siempre sigue dicha línea intermedia dos veces antes de moverse de nuevo a lo largo de la primera línea. Mientras que un enfoque más sencillo podría haber sido llevar a cabo la exploración de tal modo que, después de dicha última línea, el punto de láser volviera directamente a dicha primera línea, se ha hallado que la secuencia seguida de acuerdo con estas realizaciones de la invención es conveniente para lograr una distribución de energía simétrica en torno a un eje de simetría que se extiende en dicha primera dirección.

En algunas realizaciones de la invención, el patrón de exploración comprende una pluralidad de dichas líneas intermedias. El número de líneas puede ser elegido por el operario o el diseñador de procesos o el diseñador de equipos dependiendo de, por ejemplo, el tamaño del punto de láser efectivo y la extensión deseada del punto de láser eficaz, por ejemplo, en la primera dirección. Por ejemplo, un número mínimo de líneas pueden ser tres líneas, pero en muchas implementaciones prácticas se puede usar un número más grande de líneas, tal como cuatro, cinco, seis, diez o más líneas, cuando se cuentan las líneas primera, última e intermedias. En algunas realizaciones de la invención, el número de líneas se modifica para modificar la distribución de energía, mientras que el punto de láser eficaz se está desplazando a lo largo del área superficial que se va a endurecer.

En algunas realizaciones de la invención, el punto de láser se desplaza con una velocidad más alta a lo largo de dicha al menos una línea intermedia que a lo largo de dicha primera línea y dicha última línea. A menudo, esto se prefiere con el fin de lograr una distribución de energía adecuada en dicha primera dirección, al menos durante una porción o una porción sustancial del proceso de endurecimiento. La velocidad más alta del punto de láser cuando se mueve a lo largo de las líneas intermedias, o al menos cuando se mueve a lo largo de una o algunas de ellas, compensa el hecho de que el punto de láser se mueve a lo largo de dichas líneas intermedias dos veces tan a menudo como este se mueve a lo largo de la primera y la última líneas. Por ejemplo, la velocidad del punto de láser a lo largo de las líneas intermedias puede, en algunas realizaciones de la invención, ser aproximadamente dos veces la velocidad del punto de láser a lo largo de la primera y/o la última líneas. La velocidad puede ser diferente para diferentes líneas intermedias. La velocidad para cada línea se puede elegir de acuerdo con una distribución de energía deseada en la primera dirección. Ahora, la velocidad con la que el punto de láser eficaz se desplaza a lo largo de diferentes líneas o segmentos del patrón de exploración se puede modificar de forma dinámica mientras que el punto de láser eficaz se está desplazando a lo largo del área superficial que se va a endurecer, por ejemplo, para adaptar la distribución de energía para evitar el sobrecalentamiento de subáreas más sensibles al calor.

En algunas realizaciones de la invención, el patrón de exploración comprende adicionalmente unas líneas que se extienden en dicha primera dirección, entre los extremos de las líneas primera, última e intermedias, por lo cual dicho punto de láser sigue dichas líneas que se extienden en dicha primera dirección cuando se mueve entre dicha primera línea, dichas líneas intermedias y dicha última línea. En algunas realizaciones de la invención, el punto de láser se desplaza con una velocidad más alta a lo largo de dichas líneas que se extienden en la primera dirección, que a lo largo de dicha primera línea y dicha última línea, al menos durante parte del proceso de endurecimiento. En algunas realizaciones de la invención, el punto de láser se desplaza a lo largo de dicho patrón de exploración sin encender ni apagar el haz de láser y/o al tiempo que se mantiene la potencia del haz de láser sustancialmente constante. Esto hace posible llevar a cabo la exploración a una velocidad alta sin tener en cuenta la capacidad del láser para conmutar entre diferentes niveles de potencia, tales como entre encendido y apagado, y ello hace posible el uso de un equipo de láser que puede que no prevea una conmutación muy rápida entre niveles de potencia. Asimismo, este prevé el uso eficiente de la potencia de salida disponible, es decir, de la capacidad del equipo de láser en términos de la potencia.

En algunas realizaciones de la invención, la pieza de trabajo es un cigüeñal.

En algunas realizaciones de la invención, el método se puede aplicar en cigüeñales que tienen al menos una primera muñequilla que tiene una primera anchura y al menos una segunda muñequilla que tiene una segunda anchura, siendo dicha segunda anchura más grande que dicha primera anchura, comprendiendo cada una de dichas muñequillas un área superficial que se va a endurecer, extendiéndose dicha área superficial en una primera dirección que se corresponde con una dirección circunferencial de la muñequilla, y en una segunda dirección paralela con un eje de rotación del cigüeñal. El método comprende, después:

A) durante al menos una fase del método, o una fase de un proceso de endurecimiento de un cigüeñal usando dicho método, proyectar de forma simultánea un haz de láser a partir de una primera fuente de láser y un haz de láser a partir de una segunda fuente de láser sobre dicha área superficial de dicha segunda muñequilla; y B) durante al menos otra fase del método o proceso, proyectar un haz de láser a partir de dicha primera fuente de láser sobre dicha área superficial de dicha primera muñequilla, al tiempo que se proyecta de forma simultánea un haz de láser a partir de dicha segunda fuente de láser sobre otra porción (tal como otra muñequilla, tal como otra primera muñequilla) de un cigüeñal, que puede ser el mismo cigüeñal o uno diferente.

El uso de dos fuentes/haces de láser, de acuerdo con esta realización de la invención, es beneficioso ya que este prevé un aumento en la eficiencia en términos del uso de la potencia de láser disponible durante el proceso de endurecimiento. Si solo se usa un láser, es necesario usar un láser que tenga una potencia adecuada para permitir que este proporcione un punto de láser eficaz con una distribución de energía adecuada para endurecer la superficie de un cigüeñal, y con un tamaño que se extiende a través de la mayor parte también de las muñequillas que tienen la segunda anchura - es decir, las muñequillas lo más anchas que se van a endurecer - al tiempo que, por otro lado, también se extiende lo suficiente en la dirección circunferencial para prever una velocidad de desplazamiento lo bastante alta del punto de láser eficaz en dicha dirección circunferencial - debido al movimiento relativo que se ha analizado en lo que antecede - mientras que, al mismo tiempo, se permite que las partes relevantes de la muñequilla se calienten durante un tiempo lo bastante prolongado, sin unas excesivas fluctuaciones de energía no deseadas. Tales láseres se pueden encontrar disponibles, pero el problema es que puede que un láser que tiene esta capacidad y potencia no se use de forma eficiente cuando este se usa para endurecer las superficies de las muñequillas que tienen la primera anchura, es decir, la anchura más pequeña. Es decir, por ejemplo, en el caso de una muñequilla tal como la de la figura 1, un láser adecuado para endurecer, por sí mismo, las superficies de las muñequillas de biela (que son aproximadamente dos veces tan anchas como las muñequillas principales) de una forma eficiente y a una velocidad que implica una alta productividad, se usará de una forma inferior a la óptima cuando este se use para endurecer una muñequilla principal.

Por lo tanto, el uso de dos fuentes de láser, que se pueden adaptar de tal modo que su capacidad/potencia sea suficiente de tal modo que cada una de ellas se pueda usar para un endurecimiento adecuado y eficiente de las muñequillas que tienen una primera anchura (la más pequeña) con una velocidad deseada en términos de muñequillas acabadas por unidad de tiempo, y que se pueden usar de forma conjunta para endurecer las muñequillas que tienen la segunda anchura (la más grande) con una velocidad deseada, prevé un uso más eficiente de la potencia de láser disponible. Cuando la distribución de energía bidimensional de cada punto de láser eficaz se determina mediante la exploración del punto de láser a lo largo del patrón de exploración, lo mismo puede ser de aplicación al equipo de exploración: dos patrones de exploración más pequeños o más simples se pueden combinar para formar la distribución de energía deseada, de una forma que requeriría un patrón de exploración más grande o más complejo si solo se usaran un láser y unos medios de exploración asociados.

En algunas realizaciones de la invención, el método comprende:

A) durante al menos una fase del método, proyectar un haz de láser a partir de una primera fuente de láser sobre dicha área superficial de dicha segunda muñequilla, con el fin de producir un punto de láser eficaz sobre dicha área superficial, extendiéndose dicho punto de láser eficaz, en dicha segunda dirección, a través de una primera porción del área superficial que se va a endurecer, y

proyectar otro haz de láser a partir de una segunda fuente de láser sobre dicha área superficial de dicha segunda muñequilla, con el fin de producir un punto de láser eficaz sobre dicha área superficial, extendiéndose dicho punto de láser eficaz, en dicha segunda dirección, a través de una segunda porción del área superficial que se va a endurecer,

en el que dicha primera porción y dicha segunda porción se extienden de forma conjunta a través de la mayor parte de dicha área superficial que se va a endurecer;

B) durante al menos otra fase del método, proyectar un haz de láser a partir de dicha primera fuente de láser sobre dicha área superficial de dicha primera muñequilla, con el fin de producir un punto de láser eficaz sobre dicha área superficial, extendiéndose dicho punto de láser eficaz, en dicha primera dirección, a través de la mayor parte del área superficial que se va a endurecer;

durante ambas de dichas fases del método,

generar un movimiento relativo entre la superficie del cigüeñal y la fuente de láser en dicha dirección circunferencial, con el fin de proyectar posteriormente los puntos de láser eficaces sobre diferentes porciones de dichas áreas superficiales en la dirección circunferencial;

presentando dichos puntos de láser eficaces una distribución de energía bidimensional.

Esta distribución de energía bidimensional puede ser fija, o la misma se puede adaptar de forma dinámica, por ejemplo, para dar cabida a unas subáreas más o menos sensibles al calor. Por ejemplo, el punto de láser eficaz se puede establecer mediante la exploración de un punto de láser efectivo a través de la porción respectiva de dicha área superficial en dos dimensiones, siguiendo un patrón de exploración con el fin de producir un punto de láser bidimensional equivalente o eficaz sobre dicha área superficial, teniendo dicho punto de láser eficaz una distribución de energía bidimensional que depende de parámetros tales como la velocidad de exploración (la velocidad con la cual el punto de láser se mueve a lo largo de las diferentes partes o segmentos del patrón de exploración), la potencia del punto de láser y la variación en la potencia a lo largo del patrón de exploración, la distribución del patrón de exploración, el tamaño del punto de láser, etc. Uno o más de estos parámetros se pueden adaptar de forma dinámica mientras que el punto de láser eficaz se está desplazando alrededor de la circunferencia de la muñequilla respectiva, con el fin de adaptar la distribución de energía cuando, por ejemplo, el punto de láser eficaz se aproxima a un área sensible al calor, tal como el área adyacente a un orificio de lubricación de aceite. Este concepto, y otros relacionados, se divulgan en la solicitud de patente internacional PCT/EP2013/067949 del mismo solicitante.

En algunas realizaciones de la invención, la primera porción se coloca sustancialmente adyacente a dicha segunda porción, sin solapamiento sustancial alguno entre las dos porciones. Por ejemplo, el solapamiento puede ser de menos de un 5, un 10, un 20 o un 30 %; en algunas realizaciones, este puede ser cero o casi cero.

En otras realizaciones de la invención, la primera porción y la segunda porción se están solapando sustancialmente entre sí. Por ejemplo, el solapamiento puede ser de más de un 70, un 80 o un 90 %, tal como un 100 %.

Es decir, la primera porción y la segunda porción pueden ser unas porciones separadas sin solapamiento, pero estas también se pueden solapar entre sí. En algunas realizaciones de la invención, la primera y la segunda porciones se están solapando sustancial o totalmente en el espacio. Lo que es importante es que el efecto combinado de los dos haces de láser produce una distribución de energía bidimensional total que tiene una extensión suficiente en la primera y la segunda dirección, y con una densidad de energía suficiente en términos de la potencia aplicada por unidad de área, para permitir que la muñequilla se endurezca de forma eficiente y con calidad (por ejemplo, sin unas excesivas fluctuaciones de energía no deseadas dentro del punto de láser eficaz) y con el punto de láser eficaz desplazándose a una velocidad suficiente en la dirección circunferencial, para lograr una alta productividad en términos de productos por hora.

En algunas realizaciones de la invención, durante al menos una fase del método, el haz de láser a partir de la primera fuente de láser se proyecta sobre una muñequilla de un cigüeñal, y el haz de láser a partir de la segunda fuente de láser se proyecta sobre una muñequilla de otro cigüeñal. En muchos casos, un cigüeñal tendrá un número de muñequillas que será inferior al óptimo en términos de la eficiencia de uso de la potencia de láser disponible. Por ejemplo, cuando dos fuentes de láser se usan para endurecer, de forma conjunta, las muñequillas más anchas, y para endurecer, por separado, las muñequillas menos anchas, cuando el número de muñequillas menos anchas no es par, durante una secuencia o etapa de endurecimiento de muñequillas, una fuente de láser permanecerá inactiva. Por ejemplo, en el caso de un cigüeñal según la figura 1, hay cuatro muñequillas de biela anchas pero puede haber cinco muñequillas principales menos anchas. Las dos fuentes de láser se pueden usar de forma simultánea para endurecer cada una de las muñequillas de biela, y se pueden usar por separado para endurecer las diferentes muñequillas principales, de tal modo que dos muñequillas principales se puedan endurecer de forma simultánea. No obstante, después de endurecer cuatro de las muñequillas principales, quedará la quinta, y una de las fuentes de láser es suficiente para endurecer la misma. Para potenciar la eficiencia, la otra fuente de láser, en lugar de permanecer inactiva, se puede usar entonces para endurecer una muñequilla principal de un segundo cigüeñal. Esto puede servir para potenciar adicionalmente la eficiencia de uso del equipo.

En algunas realizaciones de la invención, durante al menos una fase del proceso, dos muñequillas que tienen la primera anchura se endurecen en una etapa, y una muñequilla que tiene la segunda anchura se endurece en otra etapa, yendo dichas dos etapas una después de la otra, y sin movimiento relativo alguno entre las fuentes de láser y el cigüeñal, en la segunda dirección, entre dichas dos etapas. Esto puede acelerar el proceso, debido a que puede reducir el tiempo entre las dos etapas.

En algunas realizaciones de la invención, dicha área superficial comprende al menos una subárea más sensible al calor y al menos una subárea menos sensible al calor, en donde dicha distribución de energía se adapta de tal modo que esta sea diferente en una subárea más sensible al calor, tal como el área adyacente a un orificio de lubricación de aceite de un cigüeñal, que en una subárea menos sensible al calor, con el fin de evitar el sobrecalentamiento de dicha subárea más sensible al calor.

En algunas realizaciones de la invención aplicadas para endurecer áreas superficiales, tales como áreas superficiales de muñequillas, de al menos dos cigüeñales, el método comprende:

durante al menos una fase del método o proceso, usar de forma simultánea un haz de láser a partir de una primera fuente de láser y un haz de láser a partir de una segunda fuente de láser para endurecer un primer cigüeñal de dichos cigüeñales, por ejemplo, mediante la aplicación de los haces de láser a las mismas o a diferentes muñequillas del cigüeñal; y

durante al menos otra fase del método, usar de forma simultánea un haz de láser a partir de la primera fuente de láser para endurecer dicho primer cigüeñal de dichos cigüeñales y un haz de láser a partir de la segunda fuente de láser para endurecer un segundo cigüeñal de dichos cigüeñales.

Se ha hallado que esto es ventajoso para aumentar la flexibilidad y la eficiencia, reduciendo o evitando todo tiempo de inactividad del equipo de láser. Por lo tanto, una o más fuentes de láser se pueden compartir entre una pluralidad de cigüeñales. Esto es especialmente ventajoso en el caso de un producto que tiene una configuración tal como un cigüeñal, con una distribución compleja que implica una pluralidad de muñequillas, teniendo a menudo diferentes anchuras.

En algunas realizaciones de la invención, el método incluye, durante al menos una fase del método o proceso, usar de forma simultánea un haz de láser a partir de una primera fuente de láser y un haz de láser a partir de una segunda fuente de láser para endurecer el primer cigüeñal de dichos cigüeñales, al tiempo que se usa un haz de láser a partir de una tercera fuente de láser para endurecer dicho segundo cigüeñal de dichos cigüeñales.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un aparato para endurecer un área superficial de una pieza de trabajo, comprendiendo el aparato al menos una fuente de láser que está dispuesta para proyectar un punto de láser eficaz sobre el área superficial, y unos medios para generar un movimiento relativo entre dicha área superficial y el punto de láser eficaz de tal modo que dicho punto de láser eficaz se mueve a lo largo de dicha área superficial con el fin de calentar posteriormente, y de forma progresiva, diferentes porciones de dicha área superficial hasta una temperatura adecuada para el endurecimiento. El aparato se dispone por medio de un sistema de control programado de forma conveniente - para operar con el fin de llevar a cabo uno o más de los métodos que se han descrito en lo que antecede.

En algunas realizaciones de la invención, el aparato comprende al menos dos fuentes de láser y se dispone para endurecer, en una fase de un proceso de endurecimiento de superficies de muñequillas de un cigüeñal, una muñequilla mediante la aplicación de haces de láser a partir de ambas de dichas fuentes de láser a dicha muñequilla, y en otra fase de dicho proceso, dos muñequillas mediante la aplicación de un haz de láser a partir de una primera fuente de dichas fuentes de láser a una de dichas muñequillas, y un haz de láser a partir de la otra de dichas fuentes de láser a otra de dichas muñequillas.

En algunas realizaciones de la invención, la máquina, aparato o sistema puede comprender dos o más fuentes de láser dispuestas para operar sobre al menos dos cigüeñales durante al menos una fase del proceso de endurecimiento. Por ejemplo, la máquina puede comprender al menos tres fuentes de láser, dispuestas de tal modo que durante al menos una fase del proceso de endurecimiento, unos haces de láser a partir de dos de estas tres fuentes de láser se usan para endurecer un primer cigüeñal de los cigüeñales y un haz de láser a partir de una de dichas fuentes de láser se usa para endurecer un segundo cigüeñal de dichos cigüeñales, mientras que durante al menos otra fase del proceso de endurecimiento, un haz de láser a partir de una de estas tres fuentes de láser se usa para endurecer el primero de los cigüeñales y unos haces de láser a partir de dos de dichas fuentes de láser se usan para endurecer el segundo cigüeñal de dichos cigüeñales.

En algunas realizaciones de la invención, durante una parte sustancial (tal como al menos un 50 %, un 75 %, un 90 %, un 95 % o más) del tiempo de aplicación del punto de láser eficaz sobre el área superficial, el punto de láser eficaz tiene una anchura (o extensión lineal, a lo largo de la curvatura de la superficie de la muñequilla) en la dirección circunferencial de al menos 5 mm, preferiblemente al menos 7 mm, más preferiblemente al menos 10 mm, e incluso más preferiblemente al menos 15 mm, 20 mm, 30 mm o más, tal como al menos 50 mm. El uso de una extensión suficiente en la dirección circunferencial, es decir, en la dirección del movimiento relativo que se produce entre la fuente de láser y la superficie de la muñequilla, hace posible calentar cada porción del área superficial que se va a endurecer durante un tiempo suficiente, al tiempo que se completa el proceso de endurecimiento dentro de un tiempo razonablemente corto. Es decir, una extensión suficiente del punto de láser eficaz en la dirección circunferencial hace posible llevar a cabo el movimiento relativo a una velocidad relativamente alta al tiempo que se logra una suficiente penetración o profundidad de endurecimiento, sin usar unas temperaturas excesivamente altas. Por esta razón, se puede preferir una anchura sustancial del punto de láser eficaz en la dirección circunferencial. Por supuesto, se ha de alcanzar un equilibrio entre la capacidad en términos de la potencia del láser que se usa, y el área superficial que es cubierta por el punto de láser eficaz, debido a que la potencia disponible ha de ser suficiente para proporcionar un calentamiento suficiente del área. Se ha hallado que, cuando se trabaja con cigüeñales de automóvil que tienen muñequillas con unas anchuras del orden de uno o unos pocos cm en la primera dirección, y usando unos láseres que tienen una potencia de salida en el intervalo de un par de kW tal como 3-4 kW, el punto eficaz puede, por ejemplo, tener una anchura en la dirección circunferencial del orden de 1 cm mientras que la velocidad lineal relativa entre el láser y la superficie de la muñequilla puede ser del orden de 60 cm/minuto. Para muchos fines industriales, se considera que el haz de láser debería tener una potencia de al menos 3 kW, preferiblemente más, tal como 6 kW.

En algunas realizaciones de la invención, dicho punto de láser eficaz es un punto de láser equivalente o virtual que se obtiene mediante la exploración del haz de láser en la primera dirección y en la segunda dirección, incluyendo direcciones entremedias de estas dos direcciones, es decir, direcciones que son oblicuas con respecto a la primera y la segunda direcciones, por ejemplo, a lo largo de unas líneas o trayectoria rectas o curvadas, siguiendo de forma repetitiva un patrón de exploración a lo largo del cual el punto de láser se desplaza con una velocidad de exploración, de tal modo que la distribución de energía bidimensional durante un ciclo de exploración se determine mediante dicha velocidad de exploración, dicho patrón de exploración, el tamaño del punto de láser, la potencia del haz de láser y la distribución de potencia dentro del haz de láser. Por lo tanto, uno o más de estos parámetros se pueden usar para adaptar de forma dinámica la distribución de energía bidimensional. Esto hace posible adaptar y modificar fácilmente el tamaño y la forma del punto de láser eficaz, así como la distribución de energía bidimensional dentro del punto de láser eficaz, durante el desplazamiento relativo entre la fuente de láser y la superficie de la pieza de trabajo, es decir, por ejemplo, durante la rotación del cigüeñal alrededor de su eje longitudinal, adaptando de ese modo la distribución de energía bidimensional con el fin de evitar el sobrecalentamiento de las subáreas más sensibles al calor tales como las áreas adyacentes a los orificios de lubricación de aceite. En algunas realizaciones de la invención, la adaptación de la distribución de energía se lleva a cabo mediante la adaptación de al menos uno de dicha velocidad de exploración, el patrón de exploración, el tamaño del punto de láser, la potencia del haz de láser y la distribución de potencia dentro del haz de láser, de tal modo que dicha distribución de energía sea diferente cuando se calienta dicha subárea menos sensible al calor que cuando se calienta dicha subárea más sensible al calor incluyendo el área adyacente a un orificio de lubricación de aceite, con el fin de evitar el sobrecalentamiento de dicha área adyacente a un orificio de lubricación de aceite. En algunas realizaciones de la invención, la adaptación de la distribución de energía se lleva a cabo mediante la adaptación de la potencia del haz de láser, por ejemplo, al encender y apagar el haz de láser durante la exploración del punto de láser a lo largo del patrón de exploración. Por ejemplo, cuando se usa un láser tal como un láser de fibra, el haz de láser se puede encender y apagar muy rápidamente, haciendo posible de este modo obtener una distribución de energía deseada al encender y apagar el haz de láser al tiempo que sigue el patrón de exploración. Por lo tanto, se puede lograr un calentamiento al encender el haz de láser durante determinadas líneas o partes de líneas del patrón de exploración.

En algunas realizaciones de la invención, la adaptación de la distribución de energía se puede llevar a cabo (adicionalmente) mediante la adaptación de la velocidad de exploración durante la exploración del punto de láser a lo largo del patrón de exploración. Para una potencia de haz de láser fija, una velocidad más alta implica que se aplica menos energía, y viceversa.

En algunas realizaciones de la invención, la exploración se lleva a cabo a una velocidad de exploración lo bastante alta de tal modo que las oscilaciones de temperatura en puntos dentro de dicho punto de láser eficaz tengan una amplitud de menos de 200 °C, preferiblemente de menos de 150 °C, más preferiblemente de menos de 100 °C, e incluso más preferiblemente de menos de 50 °C, entre un máximo local y el siguiente mínimo local de la temperatura. En el presente contexto, la amplitud de las oscilaciones se refiere a la amplitud de las variaciones repetitivas entre máximos y mínimos locales de la curva de temperaturas, excluyendo el calentamiento sustancial inicial hasta una temperatura máxima en el borde delantero del punto de láser eficaz y el enfriamiento posterior hasta una temperatura baja en el borde trasero del punto de láser eficaz. Para un endurecimiento apropiado, es deseable que el metal alcance rápidamente una temperatura lo bastante alta y que el metal permanezca posteriormente a dicha temperatura lo bastante alta durante una cantidad de tiempo razonable, sin unas fluctuaciones sustanciales en dicha temperatura, debido a que tales fluctuaciones pueden afectar de forma negativa a la calidad del endurecimiento. Unas velocidades de exploración de más de 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 o 300 Hz (es decir, repeticiones del patrón de exploración por segundo) pueden ser apropiadas, para evitar que la temperatura de un punto calentado descienda demasiado antes de que el punto sea recalentado por el haz de láser durante el siguiente ciclo de exploración. Un endurecimiento adecuado requiere determinadas temperaturas mínimas y, si se ha de alcanzar rápidamente una profundidad de endurecimiento deseada, se prefieren unas temperaturas altas. No obstante, unas temperaturas excesivas pueden afectar de forma negativa a la calidad debido a, por ejemplo, el crecimiento del tamaño del grano. Por lo tanto, se ha de hallar una temperatura de compromiso, y las desviaciones con respecto a esta temperatura deberían ser tan pequeñas como fuera posible. Por lo tanto, se puede preferir una alta velocidad de exploración en términos de los ciclos por segundo para reducir la amplitud de las oscilaciones o fluctuaciones de temperatura.

En algunas realizaciones de la invención, dicha distribución de energía presenta una densidad de energía más alta en un borde o porción delantera de dicho punto de láser eficaz que en un borde o porción trasera de dicho punto de láser eficaz, de tal modo que un área barrida por el punto de láser eficaz esté recibiendo, en primer lugar, una irradiación de láser con una potencia promedio más alta y esté recibiendo posteriormente una irradiación de láser con una potencia promedio más baja. Esto aumenta la eficiencia ya que una temperatura apropiada para el endurecimiento se alcanza rápidamente, con el fin de reducir el tiempo durante el cual se ha de aplicar el punto de láser eficaz a una determinada área con el fin de lograr una profundidad de endurecimiento requerida. Por lo tanto, lleva menos tiempo completar el endurecimiento de, por ejemplo, la superficie de una muñequilla.

En algunas realizaciones de la invención, el método comprende la etapa de usar un patrón de exploración diferente para el haz de láser dentro de dicho punto de láser eficaz, en dicha subárea más sensible al calor en comparación con en dicha subárea menos sensible al calor.

En algunas realizaciones de la invención, el método comprende la etapa de adaptar dicha distribución de energía mediante la adaptación de la velocidad de exploración de tal modo que esta sea diferente en al menos parte de dicho punto de láser eficaz, en dicha subárea más sensible al calor en comparación con en dicha subárea menos sensible al calor.

En algunas realizaciones de la invención, dicho punto de láser eficaz comprende una porción delantera con una distribución y una densidad de energía seleccionadas para calentar una porción superficial de la pieza de trabajo hasta una temperatura de endurecimiento, una porción intermedia con una distribución y una densidad de energía (tal como una densidad de energía muy baja, tal como potencia cero o cerca de potencia cero) seleccionadas con el fin de prever el enfriamiento de una porción superficial calentada para su temple, y una porción trasera que tiene una distribución y una densidad de energía seleccionadas para calentar la porción templada con el fin de producir el revenido de la misma. En general, muchas piezas de trabajo tales como los cigüeñales requieren, además del endurecimiento de las mismas, un revenido con el fin de reducir la dureza, potenciar la ductilidad y reducir la acritud. Para el revenido, la pieza de trabajo se ha de calentar hasta una temperatura que es, en general, más baja que la temperatura que se usa para el endurecimiento. Cuando una pieza de trabajo se ha endurecido usando un tratamiento por láser, el revenido puede tener lugar en un horno o estufa, pero también es posible revenir la misma aplicando un tratamiento por láser similar al que se usa para el endurecimiento, pero con una distribución y/o densidad de energía diferente. Por ejemplo, en el caso de un cigüeñal, el revenido puede tener lugar mediante la aplicación de un ciclo de revenido después del ciclo de endurecimiento. Por ejemplo, después de endurecer 360 grados de una muñequilla, el punto de láser eficaz se puede mover una vez más alrededor de o a lo largo de la muñequilla, esta vez para revenir la misma. No obstante, también es posible prever el endurecimiento y el revenido en el mismo ciclo o etapa de proceso, mediante el uso de un punto de láser eficaz que incluye: una porción delantera para calentar la superficie de la pieza de trabajo hasta una temperatura de endurecimiento deseada y para mantener la superficie a dicha temperatura durante un tiempo suficiente con el fin de obtener la profundidad de endurecimiento deseada; una porción intermedia con una densidad de energía baja, tal como una densidad de energía o de potencia de sustancialmente 0 W/cm2, con el fin de permitir que la porción calentada se enfríe con el fin de producir el temple o la auto-extinción de la misma; y una porción trasera que tiene una distribución y una densidad de energía con el fin de volver a calentar la porción templada hasta el grado necesario para el revenido según se desee. De esta forma, para producir tanto temple como revenido, puede ser suficiente dejar que el punto de láser eficaz barra la superficie a ser tratada una vez, por ejemplo, en el caso de una superficie de una muñequilla de un cigüeñal, mediante la rotación del cigüeñal una vez alrededor de su eje de rotación.

En los diferentes aspectos de la invención que se han descrito en lo que antecede, que incluyen la exploración del haz de láser o punto de láser a lo largo de y/o a través de una porción de la pieza de trabajo, esta exploración se puede llevar a cabo de tal modo que el punto de láser sigue de forma repetitiva un patrón de exploración que comprende una pluralidad de segmentos, y en el que al menos un valor de parámetro que influye en dicha distribución de energía bidimensional está asociado con cada uno de dichos segmentos, por ejemplo, almacenado en una memoria de un sistema de control con el fin de usarse para adaptar el funcionamiento en correspondencia con el segmento respectivo cada vez que el punto de láser se mueve a lo largo de dicho segmento. Dicho al menos un valor de parámetro se puede adaptar de forma dinámica durante el funcionamiento de tal modo que dicho al menos un valor de parámetro sea diferente para al menos uno de dichos segmentos cuando el punto de láser eficaz está calentando dicha subárea más sensible al calor que cuando se calienta dicha subárea menos sensible al calor. Por ejemplo, para un segmento dado, diferentes valores de parámetro (o combinaciones de valores de parámetro) se pueden almacenar en diferentes ubicaciones de memoria, y dependiendo de la subárea que se está calentando, el valor de parámetro se puede retirar de una ubicación de memoria o de otra ubicación de memoria. No obstante, esto es solo un ejemplo, y también otras implementaciones se encuentran dentro del alcance de la invención. Se ha hallado que el uso de un patrón de exploración por segmentos hace sencillo hallar e implementar una distribución de energía que se adapte al diseño específico de un cigüeñal. Mediante la adaptación de uno o más parámetros que influyen en la distribución de energía bidimensional, es fácil modificar la distribución de energía con el fin de, por ejemplo, aplicar menos potencia/energía en correspondencia con porciones más sensibles al calor de la pieza de trabajo, tal como el área alrededor de los bordes de un orificio de lubricación de aceite de un cigüeñal. Por lo tanto, un operario puede, mediante la asignación de unos valores diferentes a determinados parámetros en correspondencia con cada segmento, definir diferentes distribuciones de energía, y mediante la conmutación entre diferentes distribuciones de energía durante el endurecimiento de una porción de una pieza de trabajo, tal como la superficie de una muñequilla de un cigüeñal, un endurecimiento adecuado se puede lograr al tiempo que se evita el sobrecalentamiento local de porciones sensibles al calor. El uso de un patrón de exploración por segmentos y la asignación de los valores de parámetro de una forma por segmentos, hace sencillo hallar unos valores apropiados, por ejemplo, con unas pocas pruebas ensayo y error. Por ejemplo, para dar cabida a un orificio de lubricación de aceite, los valores que se asignan a determinados segmentos se pueden seleccionar para reducir la energía que se aplica adyacente a dichos orificios de lubricación de aceite, cuando el punto de láser eficaz llega a las subáreas correspondientes de la pieza de trabajo.

Los valores de parámetro pueden ser indicativos de al menos uno de la velocidad de exploración, el tamaño del punto de láser, la potencia del haz de láser, la distribución de potencia dentro del haz de láser, la longitud del segmento correspondiente y la orientación del segmento correspondiente. En muchas realizaciones de la invención, la potencia del haz de láser y/o la velocidad de exploración pueden ser parámetros preferidos.

En algunas realizaciones de los aspectos de la invención que se han descrito en lo que antecede, el método comprende la etapa de reducir la densidad de energía en una porción delantera del punto de láser eficaz cuando el punto de láser eficaz está llegando a una porción previamente endurecida de dicha área superficial, tal como a una porción previamente endurecida de una muñequilla de un cigüeñal que se endurece mediante el desplazamiento del punto de láser eficaz alrededor de la muñequilla en una dirección circunferencial. Por lo tanto, se puede evitar un calentamiento excesivo de una porción ya calentada y endurecida de la muñequilla. En algunas realizaciones de la invención, la densidad de potencia/energía en el borde delantero del punto de láser eficaz meramente se reduce pero el punto de láser eficaz continúa desplazándose, por ejemplo, alrededor de la muñequilla en la dirección circunferencial, con el fin de volver a calentar la porción endurecida hasta un cierto grado, para el fin de revenir la misma. En otras realizaciones de la invención el método comprende la etapa de, cuando el punto de láser eficaz está llegando a una porción previamente endurecida de dicha área superficial, tal como a una porción previamente endurecida de una muñequilla de un cigüeñal que se endurece mediante el desplazamiento del punto de láser eficaz alrededor de la muñequilla en una dirección circunferencial, interrumpir el movimiento de dicho punto de láser eficaz en una porción delantera de dicho punto de láser eficaz, mientras que una porción trasera de dicho punto de láser eficaz continúa moviéndose en dicha dirección circunferencial, reduciendo de forma progresiva, de ese modo, el tamaño de dicho punto de láser eficaz en dicha dirección circunferencial, hasta que se desvanece dicho punto de láser eficaz. Es decir, el punto de láser eficaz sustancialmente se detiene cuando llega a la porción previamente endurecida, es decir, por ejemplo, el borde delantero se detiene y el borde trasero da alcance al borde delantero, completando el ciclo de endurecimiento.

En ambos casos, la implementación del método se puede facilitar sustancialmente si el punto de láser eficaz está compuesto por segmentos, tales como segmentos de un patrón de exploración. La reducción o cancelación del punto de láser eficaz, comenzando en su borde delantero, se puede lograr mediante la adaptación de la densidad de energía en dichos segmentos, tal como mediante la reducción de la potencia del haz y/o el aumento de la velocidad de exploración, y/o simplemente mediante la cancelación o redisposición de segmentos. Por lo tanto, el enfoque por segmentos en combinación, con el uso de una exploración bidimensional del haz de láser para crear el punto de láser eficaz, prevé flexibilidad y hace que resulte sencillo al experto manejar, por ejemplo, en el caso del endurecimiento por láser de muñequillas de cigüeñales en la dirección circunferencial, la llegada del punto de láser eficaz a la porción previamente endurecida de la pista.

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción y con el fin de prever una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integrante de la descripción e ilustran diferentes formas de llevar a cabo la invención, que no se deberían interpretar como restrictivas del alcance de la invención, sino solo como ejemplos de cómo se puede llevar a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de un cigüeñal, tal como se conoce en la técnica.

La figura 2 es una vista en perspectiva esquemática de un sistema de acuerdo con una posible realización de la invención.

La figura 3 es una vista esquemática en alzado frontal de una porción de la fuente de láser 1 y una porción de una pieza de trabajo, de acuerdo con una posible realización de la invención.

Las figuras 4A-4C ilustran de forma esquemática cómo se adapta la distribución de energía de un punto de láser eficaz cuando se endurece el área alrededor de un orificio de lubricación de aceite de un cigüeñal.

Las figuras 5A y 5B son vistas esquemáticas desde arriba de una sección de una pieza de trabajo en dos momentos diferentes del proceso de endurecimiento, con un punto de láser eficaz creado mediante el uso de un patrón de exploración poligonal.

La figura 6 ilustra de forma esquemática un punto de láser eficaz creado mediante un patrón de exploración que comprende una pluralidad de líneas paralelas.

Las figuras 7Ay 7B ilustran un posible patrón de exploración que comprende una pluralidad de líneas paralelas. Las figuras 8A y 8B ilustran un patrón de exploración para crear un punto de láser eficaz de acuerdo con una realización de la invención.

Las figuras 9A y 9B ilustran un patrón de exploración para crear un punto de láser eficaz de acuerdo con otra realización de la invención.

Las figuras 10A-10C ilustran de forma esquemática cómo se pueden usar dos fuentes de láser para endurecer muñequillas de un cigüeñal.

Las figuras 11A y 11B ilustran de forma esquemática cómo unos haces de láser a partir de dos fuentes de láser pueden proporcionar un punto de láser eficaz sobre la superficie de una muñequilla de un cigüeñal.

Las figuras 12A y 12B ilustran de forma esquemática cómo, en una posible realización de la invención, el aparato o sistema puede comprender dos o más láseres, que se pueden compartir entre dos o más cigüeñales.

Descripción de formas de llevar a cabo la invención

La figura 2 ilustra un sistema de acuerdo con una posible realización de la invención. El sistema comprende una estructura de bastidor que da cabida a una fuente de láser 1 que está montada sobre un carro de láser 11 que se puede desplazar en la dirección vertical, en paralelo con un eje Z vertical del sistema, mediante unos primeros medios de accionamiento de carro de láser 12, por ejemplo, mediante un servomotor o cualquier otro medio de accionamiento adecuado. Por otro lado, la fuente de láser 1 también se puede accionar en sentido horizontal, en paralelo con un eje X horizontal del sistema, a lo largo de una pista horizontal 14, accionada mediante unos segundos medios de accionamiento de carro de láser 13, tal como otro servomotor u otro medio de accionamiento adecuado.

Por otro lado, el sistema comprende dos carros de pieza de trabajo 20, siendo capaz cada carro de pieza de trabajo de dar cabida a dos piezas de trabajo 1000 en paralelo (en la presente realización, las piezas de trabajo son cigüeñales), e incluyendo unos medios de accionamiento (que no se muestran) para rotar cada pieza de trabajo a lo largo de un eje central (en la presente realización, el eje central se corresponde con el eje longitudinal que pasa a través de los centros de las muñequillas principales del cigüeñal), encontrándose dicho eje en paralelo con el eje X del sistema. Por otro lado, cada carro de pieza de trabajo 20 está asociado con unos medios de accionamiento de carro de pieza de trabajo 21 (tal como un servomotor o cualquier otro medio de accionamiento adecuado) dispuestos para desplazar el carro de pieza de trabajo en sentido horizontal, en paralelo con un eje Y del sistema, perpendicular con respecto al eje X.

Las referencias a las direcciones horizontal y vertical solo se usan para simplificar la explicación, y cualquier otra orientación de los ejes es obviamente posible y se encuentra dentro del alcance de la invención.

En el presente caso, la fuente de láser 1 se usa en primer lugar para endurecer las partes relevantes de la superficie de una de las piezas de trabajo 1000 en un primer carro de los carros de pieza de trabajo 20, entonces la misma se usa para endurecer las partes relevantes de la superficie de la otra pieza de trabajo 1000 en dicho primer carro de los carros de pieza de trabajo 20 y, entonces, esta se mueve a lo largo de la pista 14 para estar orientada hacia el segundo de los carros de pieza de trabajo 20, para endurecer superficies de las piezas de trabajo 1000 que están dispuestas en el mismo. Mientras que la fuente de láser 1 está operando sobre las piezas de trabajo en el segundo de los carros de pieza de trabajo, las piezas de trabajo en el primero de los carros de pieza de trabajo se pueden descargar y ser sustituidas por nuevas piezas de trabajo a ser tratadas por la fuente de láser, y viceversa.

Obviamente, existen muchas posibilidades alternativas. Por ejemplo, puede haber solo una pieza de trabajo por carro de pieza de trabajo, o puede haber más de dos piezas de trabajo por carro de pieza de trabajo. Puede haber una fuente de láser por carro de pieza de trabajo (es decir, se puede añadir un segundo carro de fuente de láser con su fuente de láser correspondiente a la pista 14). Asimismo, varias disposiciones como la de la figura 2, o variantes de la misma, se pueden colocar en paralelo. Asimismo, cada carro de láser 11 puede estar provisto con más de una fuente de láser 1, de tal modo que varias piezas de trabajo en un carro de pieza de trabajo se puedan someter a un tratamiento de endurecimiento por láser de forma simultánea. La relación entre el número de fuentes de láser, el número de carros de pieza de trabajo, y el número de piezas de trabajo, se puede elegir con el fin de optimizar el uso de las partes más costosas del sistema, y de optimizar la productividad, por ejemplo, al prever la carga y la descarga de piezas de trabajo sin detener el funcionamiento del sistema. En algunas realizaciones de la invención, se puede usar una pluralidad de fuentes de láser para dirigir haces de láser de forma simultánea hacia el mismo cigüeñal, por ejemplo, para actuar de forma simultánea sobre diferentes muñequillas del cigüeñal o sobre la misma muñequilla del cigüeñal.

En algunas realizaciones de la invención, cuando la pieza de trabajo es un cigüeñal 1000 con unas muñequillas principales 1001 y unas muñequillas de biela 1002, durante el tratamiento térmico de las muñequillas principales 1001 del cigüeñal, la fuente de láser no se mueve en la dirección del eje Z y el carro de pieza de trabajo no se mueve en la dirección del eje Y, debido a que la superficie de la muñequilla principal es circular y simétrica alrededor del eje de rotación del cigüeñal. En algunas realizaciones de la invención, puede haber un movimiento de la fuente de láser y/o las piezas de trabajo a lo largo del eje X, si es necesario, para aplicar el tratamiento térmico por láser a lo largo de la plena extensión de la muñequilla principal en la dirección del eje X. Esto depende de la capacidad de potencia de la fuente de láser y de la capacidad de los medios de exploración (que no se muestran) para desplazar el haz de láser en la dirección del eje X. Si el haz de láser se puede explorar a través de la trayectoria de la muñequilla principal 1001 a lo largo de la totalidad de su extensión en la dirección del eje X, puede que no haya necesidad alguna de desplazar la fuente de láser 1 en la dirección del eje X durante el tratamiento térmico de una de, por ejemplo, las muñequillas principales 1001 de un cigüeñal, excepto solo cuando se conmuta del tratamiento de una muñequilla al tratamiento de otra; lo mismo es de aplicación al tratamiento térmico de, por ejemplo, las muñequillas de biela 1002 de un cigüeñal.

No obstante, durante el tratamiento térmico de una muñequilla de biela 1002, el eje central de la cual se desplaza en sentido radial con respecto al eje central de las muñequillas principales, durante la rotación de la pieza de trabajo de cigüeñal 1000 respectiva en el carro de pieza de trabajo 20, la fuente de luz láser 1 se mueve en sentido vertical en paralelo con el eje Z y el carro de pieza de trabajo 2 se mueve en sentido horizontal en paralelo con el eje Y, con el fin de mantener una distancia constante entre la fuente de láser (tal como la salida de los medios de exploración de la fuente de láser, o la superficie de una lente) y la superficie sobre la cual se proyecta el haz de láser. En otras realizaciones de la invención, los cigüeñales se pueden mover en paralelo con los ejes Z e Y. Asimismo, o como alternativa, la fuente de láser se puede disponer para poder moverse en paralelo con los ejes Z e Y.

El funcionamiento de los primeros 12 y los segundos 13 medios de accionamiento de carro de láser, así como el funcionamiento de los medios de accionamiento de carro de pieza de trabajo 21 y de los medios de accionamiento para rotar las piezas de trabajo 1000 en los carros de pieza de trabajo 20, se pueden controlar mediante unos medios de control electrónico tales como un ordenador, un sistema informático o un PLC (que no se muestran en la figura 2).

La fuente de láser 1 incluye un sistema de exploración que está dispuesto para modificar la dirección del haz de láser. Tales sistemas de exploración son bien conocidos en la técnica, y con frecuencia incluyen uno o más espejos de exploración, los ángulos de los cuales se pueden modificar de acuerdo con funciones de exploración, tales como funciones sinusoidales, funciones triangulares, etc., bajo el control de un ordenador. Un sistema de exploración de un eje (por ejemplo, un sistema de exploración con un espejo de exploración pivotante en torno a un eje, o similar) se puede usar para realizar una exploración con el haz de láser en paralelo con el eje X, es decir, en sentido perpendicular con respecto a la dirección de movimiento de la superficie de la pieza de trabajo 1000 en relación con la fuente de láser 1 debido a la rotación de la pieza de trabajo 1000. Por lo tanto, una exploración rápida a través de la porción relevante de la superficie puede crear un punto virtual que tiene una extensión en la dirección X mucho más grande que la extensión del punto sin exploración: por lo tanto, el punto original se convierte en un punto virtual más ancho (con una extensión más grande en la dirección X), pero con una densidad de potencia más pequeña, debido a que la potencia del haz se distribuye a lo largo de un área más grande.

Con un sistema de exploración de dos ejes (por ejemplo, con un sistema de exploración que tiene un espejo biaxial, o dos espejos uniaxiales), el haz de láser se puede mover en dos direcciones, por ejemplo, por un lado en paralelo con el eje X, y por otro lado en paralelo con el eje Y, y combinaciones de las mismas. Por lo tanto, aparte de explorar la superficie en sentido perpendicular con respecto a la dirección de movimiento de la superficie en relación con la fuente de láser, es decir, aparte de explorar la superficie "a lo largo de" la superficie de las muñequillas en la dirección del eje X, el haz de láser también puede explorar la superficie en la dirección de su movimiento, es decir, en paralelo con el eje Y; por lo tanto, la superficie de una muñequilla de un cigüeñal se puede explorar también en la dirección circunferencial de la muñequilla. Asimismo, el haz de láser puede describir unas trayectorias que combinan un movimiento en la dirección X y la dirección Y. Por lo tanto, el haz puede seguir unas trayectorias que tienen unas formas complejas, tales como rectángulos, óvalos, trapezoides, etc. El punto de láser se puede explorar a lo largo de la superficie para formar un rectángulo relleno virtual que tiene una altura sustancial en la dirección Y (o W) (por ejemplo, al seguir un patrón serpenteante dentro de una frontera rectangular o al seguir una pluralidad de líneas separadas dentro de dicha frontera), o para trazar de forma repetitiva los bordes de un rectángulo, o cualquier otra forma geométrica. Por lo tanto, usando la capacidad del sistema de exploración, se puede crear un punto de láser eficaz virtual o equivalente, que tiene una extensión y una forma deseadas, tanto en la dirección X como en la dirección Y o W. En el caso de un así denominado explorador de XYZ, además de la posibilidad de movimiento en las direcciones X e Y, se proporciona una lente de enfoque que se puede desplazar en la dirección Z mediante algún tipo de medio de accionamiento, previendo de ese modo la adaptación dinámica del tamaño del punto de láser. Por lo tanto, tanto la posición del punto como su tamaño se pueden controlar y adaptar para optimizar el proceso de endurecimiento. Asimismo, como alternativa o además del desplazamiento de una lente de enfoque o similar, el tamaño del punto de láser se puede controlar y adaptar mediante el movimiento de la fuente de láser en paralelo con el eje Z, usando los primeros medios de accionamiento de carro de láser. Asimismo, el sistema puede incluir unos medios para variar la distribución de la potencia dentro del punto de láser, tal como se conoce a partir de, por ejemplo, el documento DE-3905551-A1 que se ha mencionado en lo que antecede.

La figura 3 ilustra de forma esquemática la fuente de láser 1 que incluye un sistema de exploración de dos ejes 3 que se ilustra de forma esquemática, basado en un espejo biaxial o dos espejos uniaxiales y que está dispuesto para desviar un haz de láser 2 entrante en el plano vertical paralelo con el eje X y en el plano vertical paralelo con el eje Y; el ángulo a representa el barrido máximo en el plano vertical paralelo con el eje X, y el ángulo p representa el barrido máximo en el plano paralelo con el eje Y. La figura 3 ilustra de forma esquemática la fuente de láser 1 colocada por encima de una pieza de trabajo y, más en concreto, por encima de la muñequilla principal 1001 de un cigüeñal, que incluye un orificio de lubricación de aceite 1003 y que se rota en el carro de pieza de trabajo (no mostrado) en la dirección que es sugerida por la flecha. En la figura 3 se ilustra de forma esquemática una porción o sección 1006 que puede ser barrida por el punto de láser debido a la exploración del haz de láser. Por lo tanto, usando este tipo de fuente de láser, un punto de láser pequeño que se proyecta sobre la parte de arriba de la pieza de trabajo puede ser sustituido por un punto equivalente o virtual más grande, que se obtiene mediante la exploración, de forma repetitiva, a una velocidad alta, de un patrón que tiene cualquier forma deseada, dentro de la sección 1006 que se determina mediante el barrido máximo que es permitido por el sistema de exploración, de acuerdo con los ángulos a y p. Por lo tanto, en lugar de calentar un único punto pequeño con el haz de láser, un área más grande se puede calentar (pero con menos potencia por unidad de área) durante un intervalo de tiempo mediante la exploración de dicha área con el haz de láser. O, dicho de otra forma: en lugar de proporcionar un punto grande (tal como un punto rectangular grande) mediante el uso, por ejemplo, de una óptica fija apropiada, una distribución de potencia correspondiente se puede lograr mediante la exploración de un punto más pequeño y más intensivo en cuanto a la potencia a lo largo de un área más grande. Esto comporta una ventaja importante: este prevé la posibilidad de aplicar de forma dinámica diferentes cantidades de energía a diferentes porciones de la superficie, mediante la adaptación del patrón de exploración, la velocidad del movimiento de exploración, la potencia del haz, y/o el tamaño del punto, de acuerdo con diferentes características de diferentes porciones de la superficie, por ejemplo, dependiendo de la sensibilidad al calor y el riesgo de daño por sobrecalentamiento. Por ejemplo, el patrón de exploración, la velocidad de exploración, la potencia de haz y/o el tamaño del punto de láser se pueden elegir (y adaptarse de forma dinámica durante el proceso de endurecimiento) con el fin de limitar la cantidad de energía de calentamiento que se aplica a la superficie en las proximidades de los orificios de lubricación de aceite o en las proximidades de los ángulos interiores redondeados entallados. Para obtener una adecuada calidad y profundidad de endurecimiento, la exploración se realiza de forma repetitiva y, preferiblemente, con una frecuencia alta, tal como más de 10 Hz o, más preferiblemente, más de 50, 100, 150, 200 o 250 Hz, con el fin de evitar fluctuaciones sustanciales en la temperatura dentro del área calentada.

Las figuras 4A-4C muestran cómo la distribución de energía de un punto de láser eficaz se puede adaptar para dar cabida a un orificio de lubricación de aceite. El orificio de lubricación de aceite 1003 está situado en una superficie de una muñequilla de un cigüeñal, y dicha superficie se extiende en una primera dirección W, en concreto, la dirección circunferencial, y en una segunda dirección paralela con el eje de rotación del cigüeñal. En la figura 4A, se usa un punto de láser eficaz equivalente sustancialmente rectangular 5, que tiene una porción delantera 5A con una densidad de potencia más alta y una porción trasera 5B con una densidad de potencia más baja. No obstante, tal como se muestra en la figura 4B, cuando el orificio de lubricación de aceite 1003 se aproxima al punto de láser eficaz debido al movimiento relativo entre la superficie del cigüeñal y la fuente de láser debido a, por ejemplo, la rotación del cigüeñal alrededor de su eje longitudinal, la distribución de energía se adapta sustancialmente mediante la reducción de la densidad de potencia o de energía hacia el centro de la porción delantera 5A, con el fin de evitar el sobrecalentamiento del área adyacente al orificio de lubricación de aceite 1003. En el presente caso, el punto de láser eficaz tiene sustancialmente forma de U. Posteriormente, una vez que el orificio de lubricación de aceite 1003 ha pasado la porción delantera 5A, la distribución de energía original en la porción delantera se restablece, mientras que la distribución de energía en la porción trasera 5B se adapta para dar cabida al orificio de lubricación de aceite 1003, mediante la reducción de la densidad de energía o de potencia hacia el centro de la porción trasera. En el presente caso, el punto de láser eficaz 5 adopta sustancialmente una forma de U invertida, tal como se muestra en la figura 4C. Es decir, mientras que el orificio de lubricación de aceite está pasando a través del punto de láser eficaz, la distribución de energía se adapta con el fin de aplicar menos energía al área más sensible al calor adyacente al orificio de lubricación de aceite, que la que se aplica a la superficie que se va a endurecer lejos de dicho orificio de lubricación de aceite. El área alrededor del orificio de lubricación de aceite se puede endurecer sin dañar la subárea más sensible al calor adyacente al orificio de lubricación de aceite; las porciones laterales del punto de láser eficaz en forma de U sirven para endurecer las áreas en los lados del orificio de lubricación de aceite. El cambio en la distribución de energía que se ilustra en las figuras 4A-4C se puede obtener, por ejemplo, mediante la adaptación del patrón de exploración, y/o mediante la adaptación de la forma en la cual la potencia de haz se distribuye a lo largo del patrón de exploración (por ejemplo, mediante la adaptación de la forma en la cual el haz de láser se enciende y se apaga durante diferentes segmentos del patrón de exploración), y/o mediante la adaptación de la velocidad de exploración en correspondencia con diferentes segmentos del patrón de exploración, etc.

Un patrón de exploración simple podría comprender un patrón simple o un polígono, tal como se ilustra de forma esquemática en las figuras 5A y 5B, las cuales son vistas superiores de una porción de un cigüeñal, en concreto, de una muñequilla principal 1001 del cigüeñal, durante dos diferentes fases de un proceso de endurecimiento. En las figuras 5A y 5B, el patrón de exploración se extiende casi a lo largo de la totalidad de la anchura de la muñequilla, sustancialmente desde uno de los ángulos interiores redondeados 1004 hasta el otro. El patrón de exploración se diseña para implicar una densidad de potencia más baja en la subárea más sensible al calor alrededor del orificio de lubricación de aceite 1003 (véase la figura 5B), que en la subárea o región menos sensible al calor más lejos del orificio de lubricación de aceite (véase la figura 5A); en este caso, esto se logra mediante una altura más grande del patrón de exploración trapezoidal cuando el área alrededor del orificio de lubricación de aceite 1003 se está explorando. También se considera que el área adyacente a los ángulos interiores redondeados 1004 es un área sensible al calor, por ejemplo, debido al uso de ángulos interiores redondeados entallados. Por lo tanto, el patrón de exploración se dispone para prever una densidad de potencia más baja también en esa área; esto se logra mediante el uso de un patrón de exploración trapezoidal, por lo cual, con una velocidad de exploración sustancialmente constante, se recibirá menos energía en las proximidades de los ángulos interiores redondeados, que si se usara un patrón de exploración rectangular. En lugar de usar un patrón trapezoidal, se pueden usar solo dos líneas paralelas, tales como las líneas de arriba y de debajo del trapezoide que se muestra en las figuras 5A y 5B.

Ahora, con independencia de si se usan solo dos líneas paralelas, o si estas dos líneas están interconectadas para formar un polígono tal como se ilustra en las figuras 5A y 5B, un problema con este enfoque es que el tamaño del punto de láser efectivo limita la altura del polígono, es decir, en un caso tal como el de las figuras 5A y 5B, la altura del polígono en la dirección circunferencial, o la distancia entre las dos líneas paralelas en la dirección circunferencial. Es importante que la temperatura a la cual se calienta el material dentro del punto de láser eficaz sea sustancialmente constante durante una parte sustancial del calentamiento, para evitar fluctuaciones que podrían afectar de forma negativa a la calidad del proceso de endurecimiento. Por lo tanto, la altura del polígono está limitada, en un grado sustancial, por el diámetro del punto de láser efectivo. No obstante, a menudo se desea que el punto de láser eficaz tenga una extensión sustancial en la dirección de desplazamiento, es decir, en el caso que se ilustra en las figuras 5A y 5B, en la dirección circunferencial: esto es así debido a que con el fin de garantizar una suficiente profundidad de endurecimiento, cada punto de la superficie que se va a endurecer debería permanecer durante un tiempo lo bastante prolongado dentro del área que está siendo calentada por el punto de láser eficaz. Por otro lado, con el fin de lograr una alta productividad en términos de unidades por hora, el punto de láser eficaz se debería desplazar tan rápidamente como fuera posible. Por lo tanto, se desea una extensión sustancial del punto de láser eficaz en la dirección de desplazamiento.

Para un tamaño dado del punto de láser efectivo, una extensión sustancial del punto de láser eficaz en la dirección de desplazamiento se puede lograr al proporcionar un patrón de exploración que comprende más de dos líneas dispuestas una después de otra en la dirección de desplazamiento, tal como se ilustra de forma esquemática en la figura 6, en el que el punto de láser eficaz 5 es creado por una pluralidad de líneas paralelas, que se extienden en la segunda dirección perpendicular con respecto a la primera dirección W, es decir, la dirección del movimiento relativo entre el punto de láser eficaz y el área superficial que se está endureciendo.

Un patrón de exploración de este tipo se puede crear mediante la exploración, de forma repetitiva, del punto de láser efectivo en la segunda dirección perpendicular con respecto a la primera dirección en la cual se está desplazando el punto de láser eficaz, desplazando el haz de láser una distancia pequeña en la primera dirección entre cada etapa de exploración, con el fin de trace una pluralidad de líneas paralelas. Una vez que el punto de láser efectivo ha completado el patrón de exploración, este volverá a su posición original y llevará a cabo el patrón de exploración una vez más. Preferiblemente, la frecuencia con la cual tiene lugar esto es alta, con el fin de evitar fluctuaciones de temperatura no deseadas dentro del punto de láser eficaz 5.

El haz de láser se puede apagar al tiempo que este se está desplazando hacia una nueva línea a ser seguida, y/o entre la finalización de la última línea del patrón de exploración y la vuelta a la primera línea del patrón de exploración. No obstante, encender y apagar haces de láser requiere tiempo, y puede ralentizar la frecuencia de exploración. Asimismo, el tiempo durante el cual el haz de láser está apagado es tiempo que se pierde en términos del uso eficiente del láser para el calentamiento.

Las figuras 7A y 7B ilustran un posible patrón de exploración que comprende tres líneas principales a-c (que se ilustran como líneas continuas) del patrón de exploración, y unas líneas a rayas que ilustran la trayectoria que sigue el punto de láser entre dichas líneas. En la figura 7B, las flechas ilustran de forma esquemática la forma en la cual el punto de láser efectivo se desplaza a lo largo de la superficie que se va a endurecer al tiempo que sigue el patrón de exploración.

Ahora, este patrón de exploración comporta un problema ya que la distribución de calor no será simétrica. Lo mismo es de aplicación si, al final del patrón, cuando se finaliza la última línea c (es decir, desde la punta de la flecha de la línea c en la figura 7B), el haz de láser vuelve en sentido vertical a la línea a.

Una distribución de energía más simétrica con respecto al eje W se puede obtener con un patrón de exploración según el de las figuras 8A y 8B, que comprende, de forma similar, tres líneas paralelas a-c que están interconectadas por las líneas d seguidas por el punto de láser efectivo cuando se mueve entre estas líneas. Tal como se ilustra en la figura 7B, el haz de láser, desde el comienzo de la primera línea a, se desplaza tal como sigue: a - d1 - b - d2 - c - d3 - b - d4.

Es decir, el punto de láser efectivo se desplaza a lo largo de la línea intermedia b dos veces tan a menudo como este se desplaza a través de la primera línea y la última línea: este se desplaza a lo largo de la línea intermedia b dos veces por cada vez que el mismo se desplaza a lo largo de la primera línea a y la última línea c. Por lo tanto, se puede obtener un patrón de exploración completamente simétrico, en relación con el eje W, es decir, en relación con la dirección circunferencial.

La distribución de energía a lo largo del eje W se puede establecer mediante el ajuste, por ejemplo, de la distancia entre las líneas a-c y la velocidad con la cual el haz de láser se desplaza a lo largo de las líneas. Mediante el ajuste de la velocidad y/o el patrón de exploración, la distribución de energía se puede adaptar de forma dinámica sin encender ni apagar el haz de láser o sin modificar sustancialmente la potencia del haz de láser. Por ejemplo, si la energía se va a distribuir sustancialmente por igual por la totalidad del punto de láser eficaz, el haz de láser se puede desplazar con una velocidad más alta a lo largo de la línea intermedia b que a lo largo de la primera línea a y la última línea c. Por ejemplo, la velocidad del punto de láser efectivo a lo largo de la línea b puede ser dos veces la velocidad del punto de láser efectivo a lo largo de las líneas a y c. En algunas realizaciones de la invención, la velocidad del punto de láser eficaz a lo largo de las líneas d1-d4 también puede ser sustancialmente más alta que la velocidad del punto de láser eficaz a lo largo de las líneas a y c.

Por lo tanto, la adecuación de la distribución de energía se puede lograr mediante la adaptación de la distribución de las líneas, tales como las líneas primera, última e intermedias a-c, y mediante la adaptación de la velocidad del punto de láser a lo largo de los diferentes segmentos a-d (incluyendo d1-d4) del patrón de exploración. La distribución de los segmentos y la velocidad de los segmentos se pueden modificar de forma dinámica mientras que el punto de láser eficaz se está desplazando a lo largo del área superficial que se va a endurecer, tal como alrededor de una muñequilla de un cigüeñal, con el fin de adaptar la distribución de energía para evitar el sobrecalentamiento de subáreas más sensibles al calor, tales como subáreas adyacentes a orificios de lubricación de aceite, ángulos interiores redondeados entallados, o un área previamente endurecida a la que se aproxima el punto de láser eficaz al final de su desplazamiento alrededor de la circunferencia de un área superficial que se va a endurecer, tal como la superficie de una muñequilla de un cigüeñal. Asimismo, el patrón de exploración se puede adaptar mediante la adición o la supresión de segmentos durante el desplazamiento del punto de láser eficaz a lo largo de la superficie que se va a endurecer.

El mismo principio se puede aplicar a otros patrones de exploración, tales como el patrón de exploración de las figuras 9A y 9B, que incluye una línea intermedia adicional b. En el presente caso, la trayectoria seguida por el punto de láser efectivo s: a - d1 - b - d2 - b - d3 - c - d4 - b - d5 - b - d6.

Las figuras 10A-10C ilustran de forma esquemática cómo se pueden usar dos láseres o fuentes de láser 1 y 1A para endurecer las superficies o muñequillas del cigüeñal, lo que puede ser ventajoso, por ejemplo, cuando el cigüeñal tiene unas muñequillas que tienen diferentes anchuras. El cigüeñal 1000 de las figuras 10A-10C incluye unas muñequillas principales 1001 que tienen una primera anchura, y unas muñequillas de biela 1002 que tienen una segunda anchura que es, por ejemplo, aproximadamente dos veces la primera anchura. En la figura 10A, ambos de los haces de láser 2 y 2A a partir de las fuentes de láser 1 y 1A, respectivamente, se aplican a la muñequilla de biela, de tal modo que la capacidad combinada de potencia y de exploración de estas fuentes de láser se puede usar para proporcionar, sobre el área superficial que se va a endurecer, un punto de láser eficaz combinado adecuado para un endurecimiento eficiente y rápido de la muñequilla de biela. En otra fase del proceso de endurecimiento, dos muñequillas principales se están endureciendo de forma simultánea, cada una de ellas mediante una única fuente de láser, tal como se ilustra en las figuras 10B y 10C. Las figuras 11A y 11B muestran cómo las porciones P y PA que son calentadas por el primer haz de láser 2 y el segundo haz de láser 2A, respectivamente, se pueden solapar más o menos. Se pueden preferir unas porciones que sustancialmente se solapen para optimizar la uniformidad del endurecimiento y evitar todo riesgo de efectos de frontera en donde se encuentran las dos porciones. No obstante, tal como es sugerido por la figura 10A, a veces puede ser de interés dejar que cada uno de los haces de láser endurezca solo una parte del área que se va a endurecer, en lo que respecta a la extensión de dicha área en la segunda dirección, es decir, a lo largo del eje del cigüeñal. Aveces, esto puede ser de ayuda con el fin de poder endurecer posteriormente varias muñequillas del cigüeñal, sin desplazar la fuente de láser o el cigüeñal en dicha segunda dirección, al tiempo que se supera el problema de que los contrapesos y otras partes radialmente salientes del cigüeñal puedan interferir con el haz de láser. Esto se entiende fácilmente cuando se ven las figuras 10A-10C: en la figura 10A, el primer haz de láser 2 se aplica a una porción P y el segundo haz de láser 2A se aplica a una porción PA de la muñequilla de biela 1002, que están colocadas sustancialmente una junto a otra y que no se solapen sustancialmente entre sí, de acuerdo con la figura 11A. En las figuras 10B y 10C, los haces de láser se han reorientado para impactar sobre las dos muñequillas principales 1001, sin desplazar las fuentes de láser o el cigüeñal en paralelo con el eje de rotación del cigüeñal.

En algunas realizaciones de la invención, se pueden compartir dos o más fuentes de láser entre dos o más cigüeñales, potenciando de ese modo la flexibilidad y el uso eficiente de las fuentes de láser y la potencia de láser disponible. Por ejemplo, las figuras 12A y 12B ilustran una posible disposición, en la que la máquina o sistema está dispuesto para endurecer, de forma simultánea, dos o más cigüeñales. En la disposición que se ilustra, la máquina comprende tres fuentes de láser 1, 1A y 1B, que están asociadas con los medios de exploración 3 respectivos. Durante al menos una fase (la figura 12A) del proceso de endurecimiento, unos haces de láser 2, 2A a partir de dos (1, 1A) de estas tres fuentes de láser se usan para endurecer un primer cigüeñal de los cigüeñales (la figura 12A ilustra cómo se usan estas fuentes de láser 1, 1A, para endurecer de forma conjunta una muñequilla de biela 1002 del cigüeñal) y un haz de láser 2B a partir de una de dichas fuentes de láser 1B se usa para endurecer otro de dichos cigüeñales (la figura 12A ilustra cómo se usa el haz de láser 2B para endurecer una muñequilla principal 1001), mientras que durante al menos otra fase del proceso de endurecimiento (la figura 12B), un haz de láser 2 a partir de una de estas tres fuentes de láser 1 se usa para endurecer el primero de los cigüeñales (en concreto, en la figura 12B, una muñequilla principal 1001 del mismo) y los haces de láser 2A, 2B a partir de dos de dichas fuentes de láser 1A, 1B se usan para endurecer otro de dichos cigüeñales (en la fase que se ilustra en la figura 12B, una muñequilla de biela del mismo). Es decir, la compartición de una o más fuentes de láser entre una pluralidad de cigüeñales se puede usar para optimizar el uso del equipo y reducir el tiempo de inactividad del costoso equipo de láser, potenciando la eficiencia y la productividad.

Números de referencia usados en la presente descripción:

1, 1A, 1B fuente de láser

2, 2A, 2B haz de láser

3 sistema de exploración

5 punto de láser eficaz

5A porción delantera del punto de láser eficaz

5B porción trasera del punto de láser eficaz

11 carro de láser

12 primeros medios de accionamiento de carro de láser para un movimiento vertical de la fuente de láser

13 segundos medios de accionamiento de carro de láser para un movimiento horizontal de la fuente de láser 14 pista horizontal para el movimiento de la fuente de láser

20 carro de pieza de trabajo

21 medios de accionamiento de carro de pieza de trabajo

1000 cigüeñal

1001 muñequilla principal

1002 muñequilla de biela

1003 orificios de lubricación de aceite

1004 ángulos interiores redondeados

1005 superficie perpendicular con respecto a las muñequillas

1006 área o sección que puede ser explorada por el haz de láser

a, b, c, d1, d2, d3, d4, d5, d6 segmentos del patrón de exploración

X, Y, Z direcciones en el espacio

W la dirección circunferencial

P, PA porciones de una muñequilla de un cigüeñal

En el presente documento, la expresión "punto de láser eficaz" se refiere a un área sobre la cual se proyecta eficazmente un haz de láser con el fin de iluminar y calentar el área. El punto de láser eficaz puede ser un punto de láser que se obtiene mediante la transformación de un haz de láser original usando óptica con el fin de conformar el punto de láser y con el fin de distribuir la potencia a lo largo del punto de láser eficaz de una forma deseada, o un punto de láser virtual o equivalente que se obtiene mediante la exploración, rápidamente y de forma repetitiva, del haz de láser siguiendo un patrón de exploración con el fin de aplicar de forma repetitiva el haz de láser a la misma área o a sustancialmente la misma área, de tal modo que el efecto de calentamiento del haz de láser es sustancialmente el mismo que hubiera sido si se hubiera usado un haz de láser estacionario que tuviera una distribución de potencia que se correspondiese con la distribución de potencia a través del punto de láser virtual o equivalente durante un ciclo de exploración. En el presente caso, la expresión "rápidamente" quiere decir que la velocidad de exploración es mucho más grande que la velocidad del movimiento relativo entre la fuente de láser y la superficie del cigüeñal, por ejemplo, en la dirección circunferencial, de tal modo que unas porciones del área superficial que se va a endurecer son calentadas de forma repetitiva por el punto de láser. Por ejemplo, por lo general, la velocidad de exploración se puede seleccionar de tal modo que se logren, por ejemplo, al menos 10, 50 o 100 ciclos de exploración por segundo. Preferiblemente, cuando el punto de láser eficaz es un punto de láser virtual o equivalente que se obtiene mediante la exploración repetitiva de un punto de láser efectivo o real a lo largo del área superficial que se va a endurecer, preferiblemente esta exploración tiene lugar en dos dimensiones, y el tamaño del punto de láser virtual en cualquiera de dichas dimensiones es preferiblemente al menos 2, 3, 4, 5, 10, 20 o más veces el tamaño del punto de láser efectivo o real en dicha dimensión, por ejemplo, en la dirección paralela con un eje de rotación de un cigüeñal y en la dirección circunferencial de una muñequilla del cigüeñal. Por ejemplo, se puede preferir que, durante al menos un 50 % del tiempo de aplicación del punto de láser eficaz sobre el área superficial, el punto de láser eficaz tenga una anchura en la dirección circunferencial de al menos 5 mm, preferiblemente al menos 7 mm, más preferiblemente al menos 10 mm, e incluso más preferiblemente al menos 15 mm, 20 mm, 30 mm o más, tal como al menos 50 mm. Una extensión sustancial de este tipo puede prever una alta productividad en combinación con una suficiente profundidad de endurecimiento.

Preferiblemente, la expresión exploración tiene por objeto implicar un movimiento del haz de láser y, preferiblemente, el patrón de exploración tiene por objeto referirse al patrón que el haz seguiría sobre una superficie estacionaria, es decir, sin tener en cuenta el movimiento relativo entre la fuente de láser y la superficie de la pieza de trabajo.

En general, el crecimiento del área o segmento tratado se logra mediante un movimiento relativo entre el punto de láser eficaz y la superficie que se va a endurecer, mediante el movimiento del punto de láser eficaz y dicha superficie el uno en relación con la otra, por ejemplo, en el caso de un cigüeñal, mediante la rotación del cigüeñal. Con el fin de lograr una suficiente profundidad de endurecimiento, por ejemplo, una profundidad de cementación de 1000 pm o más, se prefiere que sustancialmente cada porción del área superficial que se va a endurecer permanezca dentro del área del punto de láser eficaz durante una cantidad suficiente de tiempo, tal como por lo general por ejemplo, en el caso de las muñequillas de cigüeñal, 0,5-5 segundos, tal como 1-3 segundos, de tal modo que no solo la temperatura superficial sea lo bastante alta, sino de tal modo que la pieza de trabajo se caliente lo suficiente hasta la profundidad requerida. Aumentar la densidad de potencia del haz de láser no es un sustituto de un tiempo de calentamiento suficiente, debido a que el área superficial no se debería sobrecalentar, debido a que esto podría dar lugar a daño a la pieza de trabajo. Por lo tanto, la temperatura superficial se debería encontrar dentro de un intervalo adecuado durante un tiempo suficiente. Por lo tanto, se desea un tamaño sustancial del punto de láser eficaz, en una dimensión con el fin de prever una anchura suficiente de la pista de endurecimiento (por ejemplo, con el fin de cubrir sustancialmente la totalidad de la anchura de una muñequilla de un cigüeñal), y en otra dimensión con el fin de prever una velocidad relativa alta entre el punto de láser eficaz y la superficie a ser tratada (previendo de este modo una tasa de producción alta), al tiempo que se permite que las porciones que se van a endurecer permanezcan durante un tiempo suficiente dentro del punto de láser eficaz con el fin de lograr la profundidad de endurecimiento deseada o requerida.

En el presente documento, la expresión "cigüeñal" se refiere preferiblemente a la parte de un motor que convierte el movimiento alternativo lineal del pistón en rotación, por ejemplo, en el tipo de cigüeñal que se usa en los motores de combustión interna, tales como los que se usan en muchos tipos de vehículos a motor, tales como camiones, automóviles y motocicletas.

En el presente documento, la profundidad de endurecimiento se refiere preferiblemente a la profundidad de cementación eficaz, que se refiere preferiblemente a la distancia en sentido perpendicular desde la superficie de la cementación hasta el punto más lejano en el que se mantiene un nivel especificado de dureza. Dicho nivel se puede encontrar en el intervalo de, por ejemplo, 40-55 HRC, preferiblemente 45 HRC. En el campo de los cigüeñales, los niveles deseados de dureza se deciden, en general, teniendo en cuenta el contenido de carbono del acero, pero un nivel típico es 45 HRC. En el contexto del presente documento y en lo que respecta al endurecimiento de muñequillas de un cigüeñal, se prefiere una profundidad de endurecimiento de al menos 1000, 2000 o 3000 pm.

Otro aspecto de interés puede ser el nivel o profundidad hasta el cual se puede observar martensita transformada al 100 %. En el contexto del presente documento y en lo que respecta al endurecimiento de muñequillas de un cigüeñal, preferiblemente esta profundidad puede ser al menos 200, 300, 500, 800, 1000 pm o más.

Cuando se usa un patrón de exploración por segmentos, se puede preferir una velocidad de exploración de al menos 300 segmentos por segundo, mientras que unas velocidades de, por ejemplo, al menos 600, 1000, 5000 y 10000 segmentos por segundo pueden ser más preferidas, preferiblemente en combinación con unas frecuencias de repetición de patrón de exploración de al menos 10 Hz, más preferiblemente al menos 50 Hz, incluso más preferiblemente al menos 100 Hz o 200 Hz.

A pesar de que la presente invención se ha descrito con varias referencias al endurecimiento superficial de cigüeñales, el alcance de la invención no se limita, en modo alguno, al tratamiento superficial de cigüeñales.

En el presente texto, la expresión "comprende" y sus derivaciones (tales como "comprendiendo/que comprende", etc.) no se deberían entender en un sentido excluyente, es decir, estas expresiones no se deberían interpretar como que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y se define pueda incluir elementos, etapas, etc., adicionales. Por otro lado, obviamente la invención no se limita a la realización o realizaciones específicas que se describen en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda ser considerada por cualquier experto en la materia (por ejemplo, en lo que respecta a la elección de materiales, las dimensiones, los componentes, la configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención tal como se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de endurecimiento por láser de una superficie de una pieza de trabajo, comprendiendo la pieza de trabajo al menos un área superficial que se va a endurecer, comprendiendo el método:

proyectar un haz de láser (2) a partir de una fuente de láser (1) sobre dicha área superficial, con el fin de producir un punto de láser sobre dicha área superficial;

generar un movimiento relativo entre la superficie de la pieza de trabajo (1000) y la fuente de láser (1), permitiendo de ese modo que el punto de láser se proyecte posteriormente sobre diferentes porciones de dicha área superficial;

durante dicho movimiento relativo, realizar una exploración repetitiva en dos dimensiones con el haz de láser (2) a través de la porción respectiva de dicha área superficial, siguiendo un patrón de exploración con el fin de producir un punto de láser eficaz bidimensional (5) sobre dicha área superficial, teniendo dicho punto de láser eficaz (5) una distribución de energía,

en donde, debido al movimiento relativo, dicho punto de láser eficaz se desplaza a lo largo de dicha área superficial;

en donde dicho patrón de exploración comprende al menos tres segmentos (a, b, c) y en donde dicha exploración del haz de láser se lleva a cabo de tal modo que dicho haz de láser sigue al menos uno de dichos segmentos (b) con más frecuencia de la que sigue al menos otro de dichos segmentos (a, c).

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el patrón de exploración comprende al menos tres líneas paralelas (a, b, c) distribuidas una después de la otra en una primera dirección, extendiéndose dichas líneas en una segunda dirección,

en donde dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea (a), al menos una línea intermedia (b) y una última línea (c) dispuestas una después de la otra en dicha primera dirección,

en donde dicha exploración del haz de láser se lleva a cabo de tal modo que dichos haz de láser o punto de láser efectivo siguen dicha línea intermedia (b) con más frecuencia de la que dicho haz de láser sigue dicha primera línea (a) y/o dicha última línea (c).

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el patrón de exploración comprende al menos tres líneas paralelas (a, b, c) distribuidas una después de la otra en una primera dirección, extendiéndose dichas líneas en una segunda dirección,

en donde dichas al menos tres líneas comprenden una primera línea (a), al menos una línea intermedia (b) y una última línea (c) dispuestas una después de otra en dicha primera dirección,

y en donde la exploración del haz de láser se lleva a cabo de tal modo que el punto de láser explore a lo largo de dichas líneas de acuerdo con una secuencia de acuerdo con la cual el punto de láser, después de seguir dicha primera línea (a), sigue dicha línea intermedia (b), dicha última línea (c), dicha línea intermedia (b) y dicha primera línea (a), en ese orden.

4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, en el que dicho patrón de exploración comprende una pluralidad de dichas líneas intermedias (b).

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-4, en el que el punto de láser se desplaza con una velocidad más alta a lo largo de dicha al menos una línea intermedia (b) que a lo largo de dicha primera línea (a) y dicha última línea (c).

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-5, en el que el patrón de exploración comprende adicionalmente unas líneas (d1-d6) que se extienden en dicha primera dirección, entre los extremos de las líneas primera, última e intermedias, por lo cual dicho punto de láser sigue dichas líneas (d1-d6) que se extienden en dicha primera dirección cuando se mueve entre dicha primera línea (a), dichas líneas intermedias (b) y dicha última línea (c).

7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el punto de láser se desplaza con una velocidad más alta a lo largo de dichas líneas (d1-d6) que se extienden en la primera dirección, que a lo largo de dicha primera línea (a) y dicha última línea (c).

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el punto de láser se desplaza a lo largo de dicho patrón de exploración al tiempo que se mantiene constante la potencia del haz de láser.

9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha pieza de trabajo es un cigüeñal (1000).

10. El método de acuerdo con la reivindicación 9 para el endurecimiento por láser de superficies de unas muñequillas (1001, 1002) del cigüeñal (1000), teniendo dicho cigüeñal al menos una primera muñequilla (1001) que tiene una primera anchura y al menos una segunda muñequilla (1002) que tiene una segunda anchura, siendo dicha segunda anchura mayor que dicha primera anchura, comprendiendo cada una de dichas muñequillas un área superficial que se va a endurecer, extendiéndose dicha área superficial en una primera dirección que se corresponde con una dirección circunferencial (W) de la muñequilla, y en una segunda dirección paralela a un eje de rotación (X) del cigüeñal, en donde la fuente de láser (1) es una primera fuente de láser (1), comprendiendo el método:

A) durante al menos una fase del método, proyectar de forma simultánea un haz de láser (2) a partir de la primera fuente de láser (1) y un haz de láser (2A) a partir de una segunda fuente de láser (1A) sobre dicha área superficial de dicha segunda muñequilla (1002); y

B) durante al menos otra fase del método, proyectar un haz de láser (2) a partir de dicha primera fuente de láser (1) sobre dicha área superficial de dicha primera muñequilla (1001), al tiempo que se proyecta de forma simultánea un haz de láser (2A) a partir de dicha segunda fuente de láser (1A) sobre otra porción de un cigüeñal.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende:

A) durante al menos una fase del método:

proyectar un haz de láser (2) a partir de la primera fuente de láser (1) sobre dicha área superficial de dicha segunda muñequilla (1002), con el fin de producir el punto de láser eficaz (5) sobre dicha área superficial, extendiéndose dicho punto de láser eficaz (5), en dicha segunda dirección, a través de una primera porción (P) del área superficial que se va a endurecer, y

proyectar otro haz de láser (2A) a partir de la segunda fuente de láser (1A) sobre dicha área superficial de dicha segunda muñequilla (1002), con el fin de producir un punto de láser eficaz (5) sobre dicha área superficial, extendiéndose dicho punto de láser eficaz (5), en dicha segunda dirección, a través de una segunda porción (PA) del área superficial que se va a endurecer,

en donde dicha primera porción (P) y dicha segunda porción (PA) se extienden de forma conjunta a través de la mayor parte de dicha área superficial que se va a endurecer;

B) durante al menos otra fase del método:

proyectar un haz de láser (2) a partir de dicha primera fuente de láser (1) sobre dicha área superficial de dicha primera muñequilla (1001), con el fin de producir el punto de láser eficaz (5) sobre dicha área superficial, extendiéndose dicho punto de láser eficaz (5), en dicha primera dirección, a través de la mayor parte del área superficial que se va a endurecer;

durante dichas dos fases del método,

generar un movimiento relativo entre la superficie del cigüeñal (1000) y la fuente de láser (1) en dicha dirección circunferencial, con el fin de proyectar posteriormente los puntos de láser eficaces (5) sobre diferentes porciones de dichas áreas superficiales en la dirección circunferencial;

presentando dichos puntos de láser eficaces (5) una distribución de energía bidimensional.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 9 para endurecer áreas de superficie de al menos dos cigüeñales (1000), en donde la fuente de láser (1) es una primera fuente de láser (1), comprendiendo el método:

durante al menos una fase del método, usar de forma simultánea un haz de láser (2) a partir de la primera fuente de láser (1) y un haz de láser (2A) a partir de una segunda fuente de láser (1A) para endurecer un primer cigüeñal de dichos cigüeñales; y

durante al menos otra fase del método, usar de forma simultánea un haz de láser (2) a partir de la primera fuente de láser (1) para endurecer dicho primer cigüeñal de dichos cigüeñales y un haz de láser (2A) a partir de la segunda fuente de láser (1A) para endurecer un segundo cigüeñal de dichos cigüeñales.

13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende, durante al menos una fase del método, usar de forma simultánea un haz de láser (2) a partir de la primera fuente de láser (1) y un haz de láser (2A) a partir de la segunda fuente de láser (1A) para endurecer el primer cigüeñal de dichos cigüeñales, al tiempo que se usa un haz de láser (2B) a partir de una tercera fuente de láser (1B) para endurecer el segundo cigüeñal de dichos cigüeñales.

14. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en el que dicha área superficial comprende al menos una subárea más sensible al calor y al menos una subárea menos sensible al calor, y en donde dicha distribución de energía se adapta de tal modo que sea diferente en una subárea más sensible al calor que en una subárea menos sensible al calor, con el fin de evitar el sobrecalentamiento de dicha subárea más sensible al calor.

15. Un aparato para endurecer un área superficial de una pieza de trabajo (1000), comprendiendo el aparato al menos una fuente de láser (1) que está dispuesta para proyectar un punto de láser eficaz sobre el área superficial y unos medios (12, 13, 21) para generar un movimiento relativo entre dicha área superficial y el punto de láser eficaz de tal modo que dicho punto de láser eficaz se mueve a lo largo de dicha área superficial con el fin de calentar posteriormente, y de forma progresiva, diferentes porciones de dicha área superficial hasta una temperatura adecuada para el endurecimiento, estando programado el aparato, por medio de un sistema de control programado adecuadamente, para llevar a cabo un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9.

16. El aparato de acuerdo con la reivindicación 15, para el endurecimiento por láser de las superficies de muñequillas de un cigüeñal (1000), comprendiendo el aparato dos fuentes de láser (1, 1A), dispuestas, cada una, para proyectar un punto de láser eficaz sobre un área superficial de una muñequilla, y comprendiendo además medios adicionales (12, 13, 21) para generar un movimiento relativo entre dicha área superficial y el punto de láser eficaz, de tal modo que dicho punto de láser eficaz se mueve a lo largo de dicha área superficial con el fin de calentar posteriormente, y de forma progresiva, diferentes porciones de dicha área superficial hasta una temperatura adecuada para el endurecimiento, en donde el aparato está programado para endurecer, en una fase de un proceso de endurecimiento de superficies de muñequillas del cigüeñal, una muñequilla (1002) mediante la aplicación de haces de láser a partir de ambas de dichas fuentes de láser a dicha muñequilla (1002), y en otra fase de dicho proceso, dos muñequillas mediante la aplicación de un haz de láser a partir de una primera fuente de dichas fuentes de láser (1) a una de dichas muñequillas (1001), y un haz de láser a partir de la otra (1A) de dichas fuentes de láser a la otra de dichas muñequillas (1001).

17. El aparato de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el aparato comprende tres fuentes de láser (1, 1A, 1B), dispuestas, cada una, para proyectar un punto de láser eficaz sobre un área superficial de una muñequilla, y comprende, además, unos medios (12, 13, 21) para generar el movimiento relativo entre dicha área superficial y el punto de láser eficaz, de tal modo que dicho punto de láser eficaz se mueve a lo largo de dicha área superficial con el fin de calentar posteriormente, y de forma progresiva, diferentes porciones de dicha área superficial hasta una temperatura adecuada para el endurecimiento, estando programado aparato para llevar a cabo el método de las reivindicaciones 12 o 13.