DE102006050799A1

DE102006050799A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile

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Publication number: DE102006050799A1
Application number: DE102006050799A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof. Brenner; Steffen Bonss; Frank Tietz; Marko Dipl.-Ing. Seifert; Jan Dipl.-Ing. Hannweber; Stefan Kühn; Udo Karsunke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-05-08
Also published as: JP5717341B2; CN101605914A; US9187794B2; PL2087141T3; EP2087141A1; US20100126642A1; EP2087141B1; CN101605914B; WO2008049513A1; WO2008049513A8; JP2010507726A; HUE047935T2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Randschichthärtung von Maschinen-, Anlagen- und Vorrichtungsteilen sowie Werkzeugen. Objekte, bei denen die Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind stark ermüdungs- oder verschleißbeanspruchte Bauteile aus härtbaren Stählen, die eine komplizierte Form aufweisen und deren Oberfläche selektiv an den Funktionsflächen gehärtet werden muss oder bei denen die Funktionsfläche eine mehrdimensionale Form hat. Das Verfahren zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile wird mittels mehrerer Energieeinwirkzonen durchgeführt. Es ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinwirkungszonen auf unterschiedlichen räumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven und mittels kooperierend arbeitender Bewegungssysteme so geführt werden, dass durch die Überlagerung der Einzeltemperaturfelder ein einheitliches, die Funktionsfläche des Bauteils vollständig umfassendes Temperaturfeld entsteht, innerhalb dessen jedes Oberflächenelement der späteren Härtungszone des Bauteils mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperaturintervall DeltaTa erreicht und der zeitliche Abstand Deltat zwischen den Maximaltemperaturen Tmaxn der Einzeltemperaturfelder 3.1 bis 3.n kleiner ist als die Zeit DeltatmS, die benötigt wird, um während deren Abkühlphase die Martensitstarttemperatur MS zu unterschreiten. Die Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Randschichthärtung von Maschinen-, Anlagen- und Vorrichtungsteilen sowie Werkzeugen. Objekte, bei denen ihre Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind stark ermüdungs- oder verschleißbeanspruchte Bauteile aus härtbaren Stählen, die eine komplizierte Form aufweisen und deren Oberfläche selektiv an den Funktionsflächen gehärtet werden muss oder bei denen die Funktionsfläche eine mehrdimensionale Form hat. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für solche Bauteile einzusetzen, bei denen sich die Geometrie der Funktionsfläche entlang des Bauteils dreidimensional ändert. Solche Bauteile sind z.B. Großwerkzeuge, Schneid- und Besäumwerkzeuge sowie Pressformen für die Automobil-Karosseriefertigung, Turbinenschaufeln für den Niederdruckteil von Dampfturbinen, Kurvenscheiben, Maschinenbetten von Werkzeugen u.s.w.. Weitere Einsatzfälle sind lokale Wärmebehandlungen wie z.B. Randschichtlösungsglühen, Randschichtanlassen oder -vergüten von geometrisch komplizierten Bauteilen.
Stand der Technik
Die Randschichthärtung ist ein in der Technik weit verbreitetes Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und Dauerschwingfestigkeit von Bauteilen aus härtbaren Stählen. Als Energiequellen werden – geordnet nach steigender Leistungsdichte und 3D-Fähigkeit – die Flamme, induktive Energie, der Elektronen- und der Laserstrahl eingesetzt.
Vielfach umfasst die zu härtende Funktionsfläche zwei unter einem bestimmten Winkel aneinander stoßende Flächen, wie z.B. bei Schnittwerkzeugen oder Umformwerkzeugen. In solchen Fällen müssen optimalerweise beide Flächen gleichzeitig gehärtet werden, um sogenannte Anlasszonen zu verhindern. Die Anlasszonen entstehen durch erneute Temperaturbeaufschlagung bis zur Höhe des Beginns der Austenitumwandlung der zuvor erzeugten Härtespur durch das Temperaturfeld der nachfolgenden Spur. Das hat ein Kurzzeitanlassen von Bereichen der zuvor erzeugten Spur in einem Ausmaß zur Folge, das die Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit bei einer Vielzahl von Belastungsfällen drastisch verschlechtert.
Zur Vermeidung dieser Anlasszonen werden im Fall der Induktionshärtung entsprechend geformte Induktoren, sogenannte Zweiflächen-Induktoren, eingesetzt, die in ihrer Kontur etwa dem Negativ der Geometrie der aneinander stoßenden Flächen entsprechen. Für ebene 2D-Bauteile ist auch ein mehrteiliger segmentierter Induktor bekannt geworden (siehe M. Botts "Leichtere Automobile durch Laserstrahlschweißen", in: Informationsdienst Wissenschaft, 28.09.2006), der es gestattet, auf zweidimensionalen Bauteilen gekrümmte Spuren von Anlasszonen zu erzeugen. Prinzipiell wären damit auch gekrümmte Härtespuren auf ebenen Bauteilen möglich. Der Induktor wird hierbei mechanisch mit Hilfe einer Matrize über das Bauteil geführt.
Im Fall des Laserstrahlhärtens sind Strahlteilereinheiten bekannt geworden, die in ihrer Ausbildungsform mit der größten Flexibilität mit zwei Laserstrahlscannersystemen ausgerüstet sind (siehe M. Seifert, B. Brenner, F. Tietz, E. Beyer: "Pioneering laser scanning system for hardening of turbine blades" in: Conference proceedings "International Congress an Applications of Laser and Electro-Optics", San Diego, California, USA, 15.–18.11.1999, vol. 87f, p. 1–10). Im Einzelnen besteht das System aus einer Strahlteileroptik für den Laserstrahl eines CO₂-Lasers, zwei parabolisch gekrümmten Fokusspiegeln und zwei im Strahlengang danach angeordneten Laserscanningsystemen. Durch eine Verschiebung der Position des Strahlteilerspiegels, der Abstände zwischen Strahlteilerspiegel, Fokussierspiegel, Scanningspiegel sowie die Variation des Scannwinkels können sowohl der Strahlauftreffwinkel wie auch die Strahlabmessungen (Breite, Länge) vorab eingestellt werden. Damit können Bauteile mit zwei unter dem Winkel α aneinander stoßenden Funktionsflächen im Winkelbereich von ca. 10°.α.80° gleichzeitig und ohne die Erzeugung von Anlasszonen gehärtet werden.
Der Mangel sowohl der Anordnung zum Induktionshärten mittels Zweiflächen-Forminduktor oder mehrteiligem segmentiertem Induktor als auch in der Anordnung zum Laserstrahlhärten mit Strahlteiler und einstellbaren Strahlformungssystemen liegt darin, dass damit keine Bauteile gehärtet werden können, bei denen sich der Winkel α oder die Form der zu härtenden Fläche entlang der Stoßkante der beiden Funktionsflächen ändert. Prototypisch sollen als Verkörperung solcher Bauteile Turbinenschaufeln, die im Bereich ihrer Eintrittskante gehärtet werden sollen oder Schnittwerkzeuge genannt werden, deren Schnittkante einen 3D-gekrümmten Verlauf aufweist. Die Ursache dafür liegt darin, dass in beiden Fällen die Geometrie der Energieformungseinheit und damit die Leistungsdichteverteilung auf den beiden Funktionsflächen während der Bearbeitung nicht angepasst werden kann.
Das Ziel der Erfindung ist es, ein neues und flexibles Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die es gestatten, auch die Funktionsflächen von kompliziert geformten Bauteilen beanspruchungsgerecht und ohne das Auftreten von Anlasszonen zu härten. Insbesondere sollen sie auch für die Randschichthärtung von Bauteilen geeignet sein, bei denen die Stoßkante zwischen zwei benachbarten Funktionsflächen einen dreidimensionalen Verlauf aufweist und/oder sich der Winkel α zwischen benachbarten Funktionsflächen entlang ihrer Stoßkanten ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es gestatten, ein gewünschtes Temperaturfeld so flexibel einstellen zu können, dass es während der Bearbeitung entlang der mehrdimensional gekrümmten Stoßkanten der Funktionsflächen den lokalen Wärmeableitungsbedingungen sowie lokalen Verschleiß- und Belastungsbedingungen als auch geometrischen Änderungen angepasst werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren und einer dazugehörigen Vorrichtung zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile wie in den beiden Hauptansprüchen 1 und 9 sowie den zugehörigen Unteransprüchen 2 bis 8 bzw. 10 bis 17 angegeben gelöst.
Wie in Anspruch 1 beschrieben wird, werden zur Erzeugung einer homogen, ohne Anlasszonen gehärteten Randschicht, die sich über die gesamte Funktionsfläche erstreckt, mehrere, mittels geeigneter Energieformungseinheiten erzeugte Energieeinwirkungszonen auf unterschiedlichen, räumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven über die Funktionsfläche geführt. Erfindungsgemäß geschieht dies durch mehrere kooperierend arbeitende Bewegungssysteme. Als Bewegungssysteme können Roboter, CNC-, NC-, mechanisch oder hydraulisch gesteuerte Anlagen oder Kombinationen daraus verwendet werden. Die einzelnen Bahnkurven, die durch die einzelnen Bewegungssysteme angefahren werden, werden dabei so gelegt, dass die durch die einzelnen Energieeinwirkungszonen erzeugten Temperaturfelder sich dergestalt überlagern, dass jedes Oberflächenelement in der zu härtenden Zone mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperaturintervall ΔT_a erreicht. Das braucht erfindungsgemäß für die einzelnen Energieeinwirkungszonen nicht gleichzeitig geschehen, sondern innerhalb einer Zeitdifferenz Δt_ms für das Erreichen der jeweiligen Maximaltemperatur T_maxn benachbarter Energieeinwirkungszonen, die kleiner ist, als die Zeit innerhalb der die Gebiete des zuvor erzeugten Einzeltemperaturfeldes bis auf die Martensitstarttemperatur abgekühlt sind.
Da sowohl die Wärmeableitungsbedingungen als auch die Anforderungen an die Einhärtetiefen und die Breite der gesamten Härtungszone bei kompliziert geformten Bauteilen bzw. Funktionszonen von Ort zu Ort variieren können, wird in Anspruch 2 ausgeführt, dass die Leistungsdichteverteilungen der einzelnen Energieeinwirkungszonen nicht konstant sind, sondern während des Härtungsprozesses entsprechend den lokalen Anforderungen gewählt werden.
Das Erreichen des geforderten einheitlichen Austenitisierungstemperaturintervalles ΔT_a über die gesamte Breite der Härtungszone setzt neben der geeigneten räumlichen und zeitlichen Überlagerung der Einzeltemperaturfelder auch geeignet steuerbare Energiequellen ausreichend hoher Leistungsdichte und einstellbarer Leistungsdichteverteilung innerhalb der einzelnen Energie einwirkungszonen voraus. Vorteilhaft ist es deshalb, wie in den Ansprüchen 3 und 5 dargelegt wird, als Energiequellen Laserstrahlung oder induktive Felder zu verwenden.
Eine besonders flexible und gut steuerbare Möglichkeit zur ortsabhängigen Einstellung der Leistungsdichteverteilungen stellt dabei für den Fall der Verwendung von Laserstrahlen als Energiequelle die Oszillation geeignet teildefokussierter Laserstrahlen dar, wie das in Anspruch 4 ausgeführt wird. Die Schwingfunktionen können dabei ortsabhängig variiert werden und werden durch die Steuerungen der Bewegungssysteme angesteuert oder erzeugt. Insbesondere umfasst diese Art der Steuerung der Leistungsdichteverteilungen auch die Möglichkeit, durch die Verwendung nicht harmonischer Schwingfunktionen quer zur Vorschubrichtung der Energieeinwirkungszone asymmetrische Leistungsdichteverteilungen einzustellen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Funktionsfläche entlang von Kanten oder Schneiden erstreckt.
Wird die Wärmeenergie durch ein induktives Energiefeld erzeugt, so kann, wie im Anspruch 6 beschrieben, die Anpassung der Leistungsdichteverteilungen durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer, unterschiedlich geformter Induktoren erfolgen, in dem ihr Kopplungsabstand zum Bauteil und/oder ihr gegenseitiger Abstand bzw. ihre gegenseitige Überlappung ortsabhängig eingestellt werden. Das kann einfach und vorteilhaft durch das Abfahren unterschiedlicher Bewegungsprogramme für die einzelnen Induktoren erreicht werden.
Für Bauteile mit formkomplizierten, großen zu härtenden Funktionsflächen eröffnet der Anspruch 7 neue verfahrenstechnische Möglichkeiten, indem im gleichen Härtungsprozess das einheitliche Temperaturfeld durch die gleichzeitige Einwirkung von Laser- und induktiver Energie erzeugt wird. Diese Variante der Verwendung unterschiedlicher Energiequellen ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, bei denen die alleinige Anwendung von Laserstrahlenergie nicht wirtschaftlich wäre oder für konkave Partien innerhalb der Funktionsfläche, die einem Induktor nicht zugänglich sind.
Der Anspruch 8 gestaltet die erfindungsgemäße Lösung für Bauteile aus, in denen die Funktionsfläche teilweise durch Bohrungen, Ausnehmungen, Nuten o.ä. konstruktive Besonderheiten unterbrochen ist oder sich für eine bestimmte Länge in mehrere, getrennt voneinander liegende Funktionsflächen auffächert.
Die erfindungsgemäße verfahrenstechnische Lösung wird in einer Vorrichtung realisiert, wie sie im unabhängigen Vorrichtungsanspruch 9 ausgeführt ist. Sie besteht im wesentlichen aus mehreren kooperierend arbeitenden Bewegungssystemen, an die die Energieformungseinheiten angeflanscht sind. Damit ist gewährleistet, dass die von einer oder mehreren Energiequellen gespeisten Energieformungseinheiten auf unterschiedlichen Bahnkurven bewegt werden können.
Für den Fall, dass wie in Anspruch 10 realisiert, die Energiequellen Laser sind, geben die Ansprüche 11 bis 13 besonders günstige Ausgestaltungen wieder. Besonders flexibel und kostengünstig stellt sich die Lösung dar, als Energiequellen fasergekoppelte Hochleistungsdiodenlaser und als Strahlformungseinheiten Laserstrahlscanner zu verwenden.
Für größere Funktionsflächen oder größere nötige Einhärtetiefen können aber auch, wie in Anspruch 14 erläutert, Induktionsgeneratoren und als Feldformungseinheiten Induktoren verwendet werden.
Eine besonders flexible und kostengünstige Vorrichtungsvariante entsteht, wenn wie in Anspruch 16 dargelegt, als kooperierend arbeitende Bewegungssysteme Roboter eingesetzt werden. In Anspruch 17 ist noch einmal der vorzugsweise Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht nur auf Randschichthärteaufgaben begrenzt. Ebenso können lokale Anlassvorgänge oder Lösungsglühprozesse durchgeführt werden. Ohne Verletzung des Erfindungsgedankens muss dazu für den Verfahrensablauf nur das Austenitisierungstemperaturintervall ΔT_a durch das Temperaturintervall für das Kurzzeitanlassen ΔT_an bzw. das Randschichtlösungsglühen ausscheidungshärtbarer Stähle ΔT_L ersetzt werden. Für das Kurzzeitanlassen ist darüber hinaus die Zeitdifferenz Δt_ms durch ∆t₁₈₀ zu ersetzen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird an den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Sie werden anhand der 1 bis 5 ausführlich beschrieben. In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1: Erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Randschichthärten der dreidimensional verlaufenden Schnittkante eines Schnittwerkzeuges
2: Härteanlage mit zwei kooperierenden Robotern
3: Anordnung der Härtungszone und Ausbildung der Leistungsdichteverteilungen zum Härten der Eintrittskante einer Kompressorschaufel mittels zweier fasergekoppelter Hochleistungsdiodenlaser
4: Anordnung der Härtungszone und der Induktoren für die Härtung einer Werkzeugkante mit wechselndem Winkel α zwischen den beiden aneinander stoßenden Funktionsflächen
5: Vorrichtung zum Härten einer Spindel mit eingearbeiteten Führungsbahnen für Kugeln einer Wälzlagerung
Beispiel 1:
Ein Schnittwerkzeug (siehe 1a) soll beanspruchungsgerecht und mit geringerem Verzug als mit konventionellen Technologien randschichtgehärtet werden. Gleichzeitig soll eine höhere Verschleißbeständigkeit erreicht werden. Das Schnittwerkzeug ist aus dem Stahl X155CrMoV12.1 und weist im normalen vergüteten Zustand eine Härte von 300 HV auf. Der Winkel α zwischen den beiden Funktionsflächen beträgt ca. 85°. Es hat sich gezeigt, dass zu einer beanspruchungsgerechten Härtung beide zur Schnittkante benachbarten Flächen gehärtet werden müssen. Um ein sprödes Ausbrechen der Schnittkante zu vermeiden, darf aber die Kante nicht durchgehärtet werden.
Eine beanspruchungsgerechte Induktions- oder Laserstrahlhärtung dieser Flächen ist nur schwer möglich. Eine Induktionshärtung mit einem Forminduktor würde keine optimale Härtung in Bereichen erlauben, in denen die Krümmung einer oder beider Einzelhärtungszonen 24.1 bzw. 24.2 größer ist. Mit einer konventionellen Laserstrahlhärtung würde man die Funktionsflächen 24.1 und 24.2 nacheinander härten müssen. Das hätte durch das Wiederanlassen der Einzelhärtungszone 24.1 eine Anlasszone 28 zur Folge (siehe 1a), innerhalb derer die Randschichthärte von ca. 800HV auf ca. 420HV abfällt. Die Folge wäre keine ausreichende Verbesserung de Verschleißbeständigkeit.
Eine andere Variante der Laserstrahlhärtung bestünde darin, das Bauteil relativ zum Laserstrahl so zu positionieren, dass der Laserstrahl gerade symmetrisch zu den beiden Funktionsflächen auftrifft, den Laserstrahl entlang der Stoßkante 27 zu bewegen und ihn senkrecht zur Vorschubrichtung scannen zu lassen. Obwohl diese Variante eine viel beanspruchungsgerechtere Härtung gestattet, ist es jedoch auch nur schwer möglich, alle Bereiche der Funktionsflächen optimal zu härten. Probleme bereiten insbesondere solche Zonen, in denen die Stoßkante in einer oder mehreren Ebenen stark gekrümmt ist. Hier ist es sehr schwierig, ohne Anschmelzungen über die gesamte Oberfläche der Härtungszone die gleiche Austenitisierungstemperatur zu garantieren.
Zur erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabenstellung werden zwei Laserstrahlen 17.1 und 17.2 verwendet, die von zwei fasergekoppelten Hochleistungsdiodenlasern 12.1 und 12.2 emittiert werden. Beide Laserstrahlen werden durch je eine Lichtleitfaser 13.1 und 13.2 in je eine Strahlformungseinheit 9.1 und 9.2 geführt. Mit Hilfe von zwei über das Programm der Bewegungsmaschinen ansteuerbaren Laserstrahlscannern 14.1 und 14.2 werden sie senkrecht zur Vorschubrichtung gescannt. Die Schwingspiegel der Scanner 14.1 und 14.2 werden mit ortsabhängigen Schwingfunktionen angesteuert. Dadurch entstehen getrennt für beide Einzelhärtungszonen 24.1 und 24.2 optimiert anpassbare Leistungsdichteverteilungen 16.1 und 16.2. Beide Bewegungssysteme 6.1 und 6.2 werden so programmiert, dass die optischen Achsen 29.1 und 29.2 der beiden gescannten Laserstrahlen 17.1 und 17.2 senkrecht oder nahezu senkrecht auf den Oberflächen der beiden Energieeinwirkungszonen 2.1 und 2.2 stehen und jeweils einen Abstand von ½ b₁ bzw. ½ b₂ zur Stoßkante 27 der beiden Funktionsflächen 21.1 und 21.2 aufweisen. Zur Realisierung dieser unterschiedlichen Bewegungsabläufe realisieren die beiden Bewegungssysteme 6.1 und 6.2 zwei völlig unterschiedliche Bahnkurven. Die Leistungsdichteverteilungen 16.1 und 16.2 werden so eingestellt, dass die geringere Wärmeableitung in der Nähe der Stoßkante und bei Krümmungen der Stoßkante 27 so kompensiert wird, dass sich quer zu den zu härtenden Funktionsflächen 21.1 und 21.2 eine konstante Oberflächenhärte ergibt. Die geforderten Einhärtetiefen t₁ und t₂ werden durch die Energieeinwirkungsdauer bestimmt und durch eine geeignete Länge des Laserstrahlfleckes in Vorschubrichtung eingestellt. Die Oberflächentemperatur wird durch eine Pyrometerregelung der Leistung der beiden Laser 12.1 und 12.2 konstant gehalten.
Aus Temperaturfeldrechnungen, Nomogrammen oder einem Test an einer Werkstoffprobe wird die erforderliche Soll-Vorschubgeschwindigkeit der beiden Laserstrahlen ermittelt. An Positionen, an denen einer der beiden Laserstrahlen 17.1 und 17.2 einen größeren Weg zurückzulegen hat, wird der Fokusabstand vergrößert und die Laserleistung erhöht. Damit wird sichergestellt, dass die zeitliche Differenz Δt_n zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur des Temperaturfeldes 3.1 und des Temperaturfeldes 3.2 kleiner ist, als die Zeitdifferenz Δt_ms zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur und dem Beginn der Martensitstarttemperatur MS. Dadurch werden sicher Anlasszonen verhindert.
Als Ergebnis entsteht eine durchgehende, beanspruchungsgerechte, optimal aufgehärtete Härtungszone 8 ohne Anlasszonen und mit einer konstanten Härte von 800HV.
Beispiel 2:
Zur technischen Realisierung der im Beispiel 1 ausgeführten Lösung zum beanspruchungsgerechten Härten wird eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 9 und 16, wie in 2 dargestellt, verwendet.
Sowohl das Bewegungssystem 6.1 als auch das Bewegungssystem 6.2 besteht aus einem Roboter 18.1 und 18.2, die baugleich zueinander sind. Sie arbeiten kooperierend zueinander, d.h. beide Bewegungssysteme sind so miteinander verkoppelt, dass sie exakt geometrisch und zeitlich aufeinander abgestimmt verfahren. Die beiden Werkzeuge bewegen sich quasi synchron und erreichen unabhängig vom Bahnverlauf der einzelnen Roboter immer zur gleichen Zeit den nächsten Endpunkt. Zudem kann die Orientierung zueinander fixiert werden, so dass eine Veränderung der Werkzeugposition des einen Systems im Raum durch das zweite System automatisch ausgeglichen wird, was den Einrichtprozess immens vereinfacht.
Zwischen ihnen befindet sich eine separate Drehachse 30, die dem Roboter 18.1 zugeordnet ist. Am Arm der beiden Roboter sind zwei Strahlformungseinheiten 9.1 und 9.2 befestigt. Sie nehmen die beiden Lichtleitfasern 13.1 und 13.2 auf, die über zwei biegsame CFK-Stangen den Bewegungen der Roboter 18.1 und 18.2 folgen können, ohne den kritischen Biegeradius zu unterschreiten. Die beiden Strahlformungseinheiten 9.1 und 9.2 bestehen aus je einem Kollimations- und einem Fokussiermodul. Hinter dem Fokussiermodul befindet sich je ein Laserstrahlscanner 14.1 bzw. 14.2. Zwischen dem Laserstrahlscanner und dem Fokussiermodul befindet sich ein schräg gestellter halbdurchlässiger Spiegel, der die Laserstrahlung durchlässt. Die vom Bauteil 1 emittierte Wärmestrahlung wird reflektiert und einem Pyrometer zugeführt, das das Eingangssignal für die Temperaturregelung liefert. Das zu härtende Bauteil 1 wird in einer Bauteilspannvorrichtung befestigt, die sich am Dreibackenfutter der Drehachse 30 befindet. Zur Randschichthärtung der Funktionsflächen 21.1 und 21.2 wird das Bauteil günstigerweise so gedreht, dass die Stoßkante 27 nach oben zeigt.
Der Roboter 18.1 wird so programmiert, dass er die Bahn für die Funktionsfläche 21.1 abfährt (im Bauteilkoordinatensystem eine Bewegung in der x- und der y-Ebene). Der Roboter 18.2 fährt die andere Bahnkurve entlang der Funktionsfläche 21.2 ab (im Bauteilkoordinatensystem: x-, y-, z-Achse, sowie die Drehbewegung in der C-Achse). Wenn die Programmierung beider Roboterbahnen mit der Soll-Vorschubgeschwindigkeit ergibt, dass an keiner Stelle der beiden Bahnkurven ihr gleichzeitiger Versatz ΔT₁ größer ist als die Abkühlzeit Δt_ms zwischen Maximaltemperatur T_max1,2 und der Martensitstarttemperatur MS, kann das Bewegungsprogramm so verwendet werden. Wenn dagegen an irgendeiner Bauteilposition Δt_ms > Δt_max1,2 gilt, werden die beiden Vorschubgeschwindigkeiten 22.1 und 22.2 lokal so umprogrammiert, bis die Bedingung Δt_ms < Δt_max1,2 wieder gilt. An den Programmschritten, in denen ein solcher Eingriff erfolgt, wird zur Kompensation die Defokussierung des Laserstrahles und die Laserleistung verändert.
Beispiel 3:
Eine Turbinenschaufel (siehe 3a), die durch erosiven Verschleiß stark verschleißbeansprucht wird, soll einen beanspruchungsangepassten Schutz der Schaufeleintrittskante erhalten. Die Partikel treffen nahezu senkrecht auf die Schaufeleintrittskante auf. Sie besteht aus dem Stahl X20Cr13 und ist auf eine Härte von 230 HV vergütet, um einen sehr zähen Gefügezustand zu realisieren. Dieser hochangelassene Zustand ist aber nicht geeignet, der Tropfenschlagverschleißbeanspruchung zu widerstehen. Bekannt ist, dass eine Laserstrahlhärtung sehr gut geeignet ist, den Widerstand gegenüber Tropfenschlagverschleiß beträchtlich zu erhöhen. Wegen der hohen zyklischen Beanspruchung und der Spannungsrissgefährdung soll die Schaufelspitze aber nicht durchgehärtet werden. Um die Härtungszone 8 beanspruchungsgerecht auszubilden, muss sie eine Kappenform aufweisen, die dem lokalen Schaufelblattprofil angepasst ist.
Entlang der Stoßkante 27 der beiden zu härtenden Funktionsflächen 21.1 und 21.2 ändern sich sowohl die Verwindung des Schaufelblattes, die Schaufelblattdicke (siehe 3b, 3c, 3d), die Geometrie der Schaufeleintrittskante als auch die Sollkontur der zu härtenden kappenförmigen Härtungszone 8. Im Schnitt A-A soll die Kappenform nahezu symmetrisch mit einer relativ großen Breite der Durchhärtung in der Nähe der Stoßkante 27 sein. Im Schnitt C-C ist die relative Sollhärtetiefe geringer und die Härtungszone 8 passt sich mehr dem Verlauf der Oberfläche an.
Um diese Ausbildung und diesen Verlauf der Härtungszonengeometrie zu realisieren, müssen während der Laserstrahlhärtung eine Vielzahl von Parametern geändert werden: Scannbreite der beiden Laserstrahlen 17.1 und 17.2, Leistungsdichteverteilung 16.1 und 16.2, Neigung der beiden Laserstrahlen 17.1 und 17.2 zueinander (Winkel β) und relativ zur Neigung der Schaufeloberfläche, Einwirkungsdauer der Laserstrahlen 17.1 und 17.2, Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeiten 22.1 und 22.2. Wegen der Asymmetrie des Schaufelquerschnittes kann zudem die Bahnkurve des Bewegungssystems 16.2 nicht aus einer Spiegelung der Bahnkurve des Bewegungssystems 16.1 erzeugt werden. Aus diesen Gründen wäre es sehr unvorteilhaft, diese Härtungsaufgabe nach dem Stand der Technik mit einem Bewegungssystem zu realisieren.
Zur Erzeugung einer optimalen Härtungszonengeometrie werden deshalb erfindungsgemäß zwei getrennt einstellbare aber kooperierend arbeitende Bewegungssysteme 6.1 und 6.2 eingesetzt. Eine vorteilhafte Verkörperung ist in Beispiel 2 beschrieben, deren Anordnung auch sehr gut für die Härtung der Eintrittskanten von Turbinenschaufeln eingesetzt werden kann.
Da die Härtungsaufgabe sehr komplex ist und viele Freiheitsgrade für die Parametereinstellung existieren, werden günstige Leistungsdichteverteilungen für eine ausreichende Anzahl von Schaufelblattgeometrien über eine FEM-Temperaturfeldsimulation berechnet. Über ein separates Programm werden aus gewünschten Leistungsdichteverteilungen dazu notwendige Schwingfunktionen des Laserstrahles für ausgewählte Verhältnisse von Oszillationsamplitude und Strahldurchmesser ermittelt.
Über eine teach-in-Programmierung wird der Neigungswinkel zwischen den beiden Laserstrahlen 17.1 und 17.2 und der Schaufelblattmittellinie und damit auch der Winkel β zwischen den optischen Achsen der beiden Laserstrahlen eingegeben. Anschließend werden daraus die Bewegungsprogramme für die beiden Roboter 18.1 und 18.2 erarbeitet. Über eine Probehärtung an einer Werkstoffprobe werden die notwendigen Laserleistungen bei den gegebenen Parametersätzen ermittelt.
Nach Eingabe aller Parameter und der Eichung des Temperaturregelsystems wird der Härtungsprozess gestartet. Das Ergebnis ist eine entlang der Schaufeleintrittskante beanspruchungsgerecht ausgebildete Härtungszone 8 in Kappenform, die ein optimales Verhältnis von Verschleißschutz und Schwingfestigkeit der Turbinenschaufel ermöglicht. Die Härtungszone 8 weist eine konstante Oberflächenhärte über die gesamte Spurbreite innerhalb der Funktionsflächen 21.1 und 21.2 auf. Zudem wird durch die optimal eingestellte Austenitisierungstemperatur und die große Abkühlgeschwindigkeit infolge des Verzichtes des Durchhärtens der Schaufeleintrittskante das Härtungsvermögen des Stahles vollständig genutzt.
Beispiel 4:
Ein Umformwerkzeug, das eine Stoßkante 27 aufweist, deren Winkel α sich längs der Stoßkante ändert (siehe 4a, sowie 4b–d) soll induktiv gehärtet werden. Mit einem Forminduktor und einem einzigen Bewegungssystem ist das nicht möglich.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, einen Induktor 15.1 mit dem Bewegungssystem 6.1 und einen zweiten Induktor 15.2 mit dem Bewegungssystem 6.2 zu verbinden. Die Induktoren 15.1 und 15.2 sind entsprechend der unterschiedlichen Einhärtebreiten b₁ und b₂ sowie unterschiedlicher Einhärtetiefen t₁ und t₂ unterschiedlich ausgebildet.
Mit Annäherung an die Stoßkante 27 nimmt die Wärmeableitung ab und direkt an der Stoßkante 27 kann sich während der Erwärmung eine Überhitzung ergeben. Dem wird dadurch begegnet, dass die Induktorunterseiten nicht parallel zur Oberfläche der Funktionsfläche angeordnet, sondern so geneigt sind, dass sie in Richtung Stoßkante 27 einen größeren Kopplungsabstand aufweisen. Darüber hinaus wird ein durch Vorversuche einzustellender Abstand zwischen Induktorende und Stoßkante 27 eingestellt. Beides geschieht gleichermaßen für beide Induktoren. Entlang der Härtungsbahn (siehe Schnitt A-A, Schnitt B-B, Schnitt C-C in 4b, c, d) werden mit zunehmendem Winkel α zwischen den beiden Funktionsflächen sowohl die Neigung der Induktorunterseiten zur Oberfläche der Funktionsflächen als auch der Abstand zwischen Induktorende und Stoßkanten 27 verringert. Diese beiden Korrekturbewegungen werden den aus den CAD-Daten des Bauteils generierten Bewegungsprogrammen überlagert. Mit einer Anlagenkonfiguration, wie in Beispiel 2 erläutert, werden mit zwei getrennten Bewegungssystemen die nötigen Bewegungsabläufe erzeugt. Dem zeitlichen Abstand zwischen den beiden Induktoren kommt eine wichtige Rolle zu. Einerseits dürfen die Induktoren nicht zu eng beieinander stehen, damit sich die beiden induktiven Felder nicht gegenseitig beeinflussen; andererseits darf zur Vermeidung der Bildung von Anlasszonen der Abstand nicht zu groß sein. Deshalb wird an der Position mit der besten Wärmeableitung (dem größten Winkel α) die Abkühlgeschwindigkeit gemessen und danach der Abstand zwischen beiden Induktoren bestimmt. Als weitere Bedingung ist für den Fall einer nötigen Fremdabschreckung zu beachten, dass die Wasserbrause noch vor Unterschreiten der Martensitstarttemperatur MS einsetzt.
Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass damit

• eine Vielzahl kompliziert geformter Bauteile dem sehr preiswerten Induktionshärten ohne Anlasszonen zugänglich werden,
• die Flexibilität von Induktionshärteanlagen zunimmt,
• kompliziert geformte Bauteile beanspruchungsgerechter gehärtet werden können,
• variable Härtungszonengeometrien, Härtungszonen, -breiten und -tiefen durch die Verstellung der Relativpositionen zwischen den Induktoren flexibel auf einem Bauteil erzeugt werden können.

Beispiel 5:
Eine Führungsspindel 31 mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer Längsführung 33 und schräg auf der Zylindermantelfläche 32 angeordneten Kugellaufbahnen 34 soll, wie in 5 dargestellt, komplett randschichtgehärtet werden. Sie ist aus dem Kugellagerstahl 100Cr6 gefertigt. Die Kugellaufbahnen 34 haben zur Vergrößerung des Kontaktwinkels zwischen Kugel und Kugellaufbahn einen kreisförmigen Querschnitt. Zur Verringerung der Rissanfälligkeit und zur Vermeidung von weichen Anlasszonen ist die nacheinander getrennt erfolgende Härtung von Zylindermantelfläche 32, Längsführung 33 und Kugellaufbahnen 34 nicht gestattet. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die gesamte zu härtende Bauteiloberfläche mit einem einheitlichen Temperaturfeld 4 im Vorschub gehärtet wird. Das einheitliche Temperaturfeld 4 entsteht durch die erfindungsgemäß zeitlich und räumlich koordinierte Überlagerung von zwei Einzeltemperaturfeldern 3.1 und 3.2, die in diesem Beispiel entsprechend Anspruch 15 sowohl durch einen Laser 12.1 als Energiequelle 10.1 als auch einen Induktionsgenerator 26.1 als Energiequelle 10.2 erzeugt werden.
Der Induktor 15.1 härtet dabei die Zylindermantelfläche 32 und die Längsführung 33, während der Laserstrahl 17.1 die Kugellaufbahnen 34 härtet. Dazu ist der Induktor 15.1 als Forminduktor ausgelegt, der die Zylindermantelfläche 32 und die beiden Seitenflächen der Längsführung 33 umfasst. Der Laserstrahl 17.1 wird dagegen zur Härtung der Kugellaufbahnen 34 verwendet. Dazu wird wiederum ein Laserstrahlscanner 14.1 verwendet, der den Laserstrahl senkrecht zu seiner Vorschubrichtung scannt.
Das Bewegungssystem 6.1 besteht aus einer einfachen hydraulischen Achse, die die sehr lange Führungsspindel 31 mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit durch den Induktor 15.1 hindurch bewegt. Das Bewegungssystem 6.2 ist eine einfache NC- oder CNC-Achse, die die Strahlformungseinheit 9.2 auf einer kreisbahnförmigen Bahnkurve 5.2 bewegt. Manuelle Zustellelemente dienen zur Einstellung der Relativposition zwischen Laserstrahl 17.1 und Induktor 15.1.
Die Bewegungsgeschwindigkeit 22.2 und Bewegungsrichtung der Strahlformungseinheit 9.2 im Bewegungssystem 6.2 werden so auf die Bewegungsgeschwindigkeit 22.1 des Bauteils 1 durch das Bewegungssystem 6.1 gegenüber dem Induktor 15.1 eingestellt, dass ihre Komponenten in Vorschubrichtung des Bauteils 1 gleich groß sind. Zur effektiven Durchführung der Laserstrahlerwärmung erfolgt die Laserstrahlhärtung im Nachlauf zur induktiven Erwärmung. Aus energetischen Gründen wird hier der zeitliche Abstand Δt_1,2 zwischen dem Erreichen der maximalen Austenitisierungstemperatur T_max1 unter dem Induktor 15.1 und dem Erreichen der maximalen Austenitisierungstemperatur unter dem Laserstrahl 17.1 hier viel kürzer gewählt, als die Zeitspanne Δt_ms bevor die Martensitbildung einsetzt. Der Laserstrahl 17.1 ist direkt hinter dem Induktor 15.1 positioniert. Die Temperatur ist hier noch größer als 800°C. Das hat den Vorteil, dass durch die energetische Arbeitsteilung nur ein Bruchteil der sonst üblichen Laserstrahlleistung benötigt wird. Hinter der Position der Laserstrahleinwirkung ist noch eine Wasserbrause angeordnet.
Durch die koordinierte Bewegung der beiden Bewegungssysteme 6.1 und 6.2 und die Überlagerung der beiden Einzeltemperaturfelder 3.1 und 3.2 zweier verschiedener Energiequellen 10.1 und 10.2 zu einem einheitlichen, die gesamte Funktionsfläche 21 des Bauteils 1 umfassenden Temperaturfeldes 4 wird eine optimale, anlasszonenfreie Härtung des Bauteils möglich.

1: zu härtendes Bauteil
2: Energieeinwirkungszonen 1 bis n
3: Einzeltemperaturfelder 1 bis n
4: einheitliches Temperaturfeld
5: Bahnkurven 1 bis n
6: Bewegungssysteme 1 bis n
7: Oberflächenelement
8: Härtungszone
9: Energieformungseinheiten 1 bis n, Strahlformungseinheiten 1 bis n, Feldformungseinheiten 1 bis n
10: Energiequellen 1 bis n
11: Bauteileinspannungen 1 bis n
12: Laser 1 bis n
13: Lichtleitfaser 1 bis n
14: Laserstrahlscanner 1 bis n
15: Induktoren 1 bis n
16: Leistungsdichteverteilung 1 bis n
17: Laserstrahlen 1 bis n
18: Roboter 1 bis n
19: Einhärtebreite 1 bis n
20: Einhärtetiefe 1 bis n
21: zu härtende Funktionsflächen 1 bis n
22: Vorschubgeschwindigkeiten 1 bis n
23: Fokussieroptik 1 bis n
24: Einzelhärtungszonen 1 bis n
25: Steuerungseinheit der Bewegungssysteme 1 bis n
26: Induktionsgeneratoren 1 bis n
27: Stoßkante zwischen den Funktionsflächen
28: Anlasszone
29: optische Achsen der Laserstrahlen 1 bis n
30: Drehachse
31: Führungsspindel
32: Zylindermantelfläche
33: Längsführung
34: Kugellaufbahn

ΔT_a – Austenitisierungstemperaturintervall
MS – Martensitstarttemperatur
T_maxn – Maximaltemperatur des Einzeltemperaturfeldes 3.n
Δt_n – zeitlicher Abstand zwischen den Maximaltemperaturen T_maxn der Temperaturfelder 3.n und 3.n + 1
Δt_ms – zeitlicher Abstand zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur T_maxn und dem Beginn der Martensitstarttemperatur MS
Δt₁₈₀ – zeitlicher Abstand zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur T_maxn und der Temperatur der ersten Anlassstufe in härtbaren Stählen 180°C
α – Winkel zwischen den Oberflächen zweier aneinander stoßender Funktionsflächen
ΔT_an – Anlasstemperaturintervall
ΔT₁ – Lösungsglühtemperaturintervall
b_n – Einhärtebreite der Einzelhärtungszone n
t_n – Einhärtetiefe der Einzelhärtungszone n
b – Einhärtebreite der gesamten Härtungszone
t – Einhärtetiefe der gesamten Härtungszone
β – Winkel zwischen der optischen Achse zweier Laserstrahlen
A, B – Positionen auf den zu härtenden Funktionsflächen

Claims

Verfahren zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile mittels mehrerer Energieeinwirkungszonen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinwirkungszonen (2) auf unterschiedlichen räumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven (5) und mittels kooperierend arbeitender Bewegungssysteme (6) so geführt werden, dass durch die Überlagerung der Einzeltemperaturfelder (3) ein einheitliches, die Funktionsfläche (21) des Bauteils (1) vollständig umfassendes Temperaturfeld (4) entsteht, innerhalb dessen jedes Oberflächenelement (7) der späteren Härtungszone (8) des Bauteils (1) mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperaturintervall ΔT_a erreicht und der zeitliche Abstand Δt zwischen den Maximaltemperaturen T_maxn der Einzeltemperaturfelder 3.1 bis 3.n (3) kleiner ist, als die Zeit Δt_ms, die benötigt wird, um während deren Abkühlphase die Martensitstarttemperatur MS zu unterschreiten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (16) der einzelnen Energieeinwirkungszonen (2) jeweils separat den lokalen Wärmeableitungsbedingungen und den gewünschten Einhärtebreiten (19) und Einhärtetiefen (20) angepasst werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Einzeltemperaturfelder (3) Laserstrahlung verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Leistungsdichteverteilungen (16) an die lokalen Wärmeableitungsbedingungen und gewünschten Einhärtebreiten (19) und Einhärtetiefen (20) durch geeignete Oszillationen der teildefokussierten Laserstrahlen (17) erfolgt und die Schwingfunktionen für die Laserstrahloszillationen ortsabhängig durch die Steuerungen der Bewegungssysteme (6) angesteuert bzw. erzeugt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Einzeltemperaturfelder (3) induktive Energie verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Leistungsdichteverteilungen (16) an die lokalen Wärmeableitungsbedingungen und gewünschten Einhärtebreiten (19) und Einhärtetiefen (20) durch die Einstellung des Abstandes bzw. der Überlappung zwischen den einzelnen Induktoren (15) oder/und die Einstellung des Kopplungsabstandes der einzelnen Induktoren (15) zum Bauteil (1) vorgenommen wird und durch die Bewegungsprogramme der Bewegungssysteme (6) realisiert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das einheitliche Temperaturfeld (4) durch die gleichzeitige Einwirkung von sowohl durch Laserstrahlung als auch induktiv erzeugten Leistungsdichteverteilungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall teilweise räumlich getrennt angeordneter oder sich verzweigender Funktionsflächen (21) die Leistungsdichteverteilungen (16) so eingestellt werden, dass sie getrennt die jeweiligen Teilflächen der Funktionsflächen umfassen und bei unterschiedlichen Weglängen der Teilflächen die einzelnen Vorschubgeschwindigkeiten (22) so eingestellt werden, dass die Einzeltemperaturfelder (3) der getrennten Funktionsflächen beim Erreichen ihres Vereinigungspunktes einen zeitlichen Abstand Δt_n < Δt_ms aufweisen.
Vorrichtung zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile mittels mehrerer Energieformungseinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieformungseinheiten (9) mit einem oder mehreren Energiequellen (10) für optische oder elektromagnetische Strahlung verbunden sind und jeweils einzeln an getrennt, aber kooperierend arbeitenden Bewegungssystemen (11) befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) für optische Strahlung Laser (12) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser (12) mittels Lichtleitfaser (13) jeweils mit einer oder mehreren Strahlformungseinheiten (9) verbunden sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) fasergekoppelte Hochleistungsdiodenlaser sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheiten (9) Laserstrahlscanner (24) enthalten und diese mit den Steuerungseinheiten (25) der Bewegungssysteme verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) für elektromagnetische Strahlung Induktionsgeneratoren (26) und die Feldformungseinheiten (9) Induktoren (15) sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9, 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) sowohl Laser (12) als auch Induktionsgeneratoren (15) sein können.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als kooperierend arbeitende Bewegungssysteme (11) Roboter (18) eingesetzt werden.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 8 eingesetzt wird.