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EP0462047B1 - Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten auf Werkstücken, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie Werkstück mit nach dem Verfahren hergestellter Oberflächenschicht - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten auf Werkstücken, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie Werkstück mit nach dem Verfahren hergestellter Oberflächenschicht Download PDF

Info

Publication number
EP0462047B1
EP0462047B1 EP91810343A EP91810343A EP0462047B1 EP 0462047 B1 EP0462047 B1 EP 0462047B1 EP 91810343 A EP91810343 A EP 91810343A EP 91810343 A EP91810343 A EP 91810343A EP 0462047 B1 EP0462047 B1 EP 0462047B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
surface layer
accordance
temperature
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP91810343A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0462047A1 (de
Inventor
Roger Guilloud
Roger Dr. Dekumbis
Denis Gonseth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amysa Yverdon SA
Oerlikon Metco AG
Original Assignee
Amysa Yverdon SA
Sulzer Metco AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amysa Yverdon SA, Sulzer Metco AG filed Critical Amysa Yverdon SA
Publication of EP0462047A1 publication Critical patent/EP0462047A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0462047B1 publication Critical patent/EP0462047B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for producing surface layers on workpieces, to a device for performing the method, and to a workpiece with a surface layer produced by the method.
  • EP-A-0.190.378 describes a method for surface alloying a base metal with a high-energy beam, such as a laser or electron beam.
  • the base metal is preferably preheated, for example by inductive heating.
  • the surface of the base metal is melted locally.
  • defects are prevented by using a deoxidant and an alloy metal with a melting point lower than that of the base.
  • the melted surface layer of the base metal is alloyed with the alloy metal.
  • the alloy is formed from the base material, ie the material of the workpiece and the alloy metal.
  • FR 2.263.381 describes the application of alloyed layers to metallic substrates using laser beams.
  • Metallic powder made of alloyed layer material is first applied to the part of the substrate to be coated and then melted into a layer at the operating point of the laser. An additional heating device is not provided for in the device.
  • Surface layers are, however, also created by applying actual surface layers, such as by melting or by galvanic surface treatment.
  • coated workpieces e.g. thermal alternating loads
  • the invention provides a method for applying layers of better quality materials on surfaces of workpieces, and an apparatus for performing this method.
  • the method and the device are characterized by the characteristics of claim 1 and claim 7, respectively.
  • the dependent claims relate to particularly advantageous embodiments of the invention.
  • the inductive high-frequency / medium-frequency generator it is possible to heat the workpiece on which the surface layer is to be applied to a well-defined temperature and - which is important for the quality of the surface layer - this temperature even during the production of the surface layer maintain.
  • the inductive preheating temperature can easily be maintained to within ⁇ 10 ° C.
  • the improved quality can be attributed, among other things, to the fact that the temperature difference between the workpiece and the melting area, i.e. the area where the surface layer is continuously generated with the laser beam, can be selected firstly, secondly kept relatively low and thirdly also maintained well during the production of the surface layer can be.
  • the quality of the surface layer in particular its thickness, surface structure, crystalline structure, ductility, hardness, etc., becomes more uniform and the surface layer is therefore generally better.
  • the method according to the invention can also be used to produce thinner surface layers.
  • Surface layers according to the invention are produced by melting a layer made of a material which is different from that of the workpiece, the surface layer and workpiece only connecting in a thin melting region.
  • the cooling process during the production of the surface layers has an influence on their properties.
  • the coefficient of thermal expansion of the layer material can be chosen to be smaller than that of the material of the workpiece. Due to the possible, precise temperature selection during the coating process, the temperature of the workpiece during the coating can be higher than that provided for the workpiece Operating temperature can be selected in such a way that at operating temperature the surface layer experiences a defined compressive force during operation, which is exerted and transferred from the workpiece to the surface layer. Such compressive residual stresses in the surface layer counteract the formation of cracks, material fatigue and also the corrosion of the part and in particular the surface layer. The service life and quality of the part and in particular the surface layer are thus improved. This is the case, for example, with a stellite 6 layer on a workpiece made of stainless steel X2 CrNiMo 18 12 (chrome-nickel-molybdenum).
  • inductive heating permits a wide variety of temperature profiles over the entire workpiece, which enables the distortion and deformation of the workpiece to be reduced and also allows the hardness curve to be kept more uniform over the surface layer. Furthermore, the tempering, ie the softening of hardened workpiece or surface parts can be prevented or influenced by the choice of the inductive heat profile, possibly in connection with cooling.
  • the laser device is then used to melt the surface layer at a temperature of 1800 ° C. on the surface, which can be heated inductively, for example, to a temperature of 800 ° C.
  • the HF / MF generator which is preferably in the frequency range from 0.5 kHz to 1 MHz in the power range from 5 to several 10 kW of power, has a depth or volume effect as the heating, while the superimposed heating with the laser system primarily has a selective surface effect, namely in the area of the preheated surface, where the actual surface layer is exposed to a further increase in temperature Melting of foreign material or only the top layers of the workpiece to be coated is generated.
  • the layer material in powder form and with protective gas as the conveying medium can be blown into the region of the laser beam that occurs on the surface of the workpiece. There the powder is melted and melted with the thinnest and smallest melted part of the workpiece surface.
  • thin surface layers in the thickness range of 0.2 - 0.4 mm can be produced.
  • individual areas of the workpiece and / or the surface layer can be provided with a cooling device, e.g. works with air, oil, water or another coolant.
  • a cooling device e.g. works with air, oil, water or another coolant.
  • air, oil, water or another coolant With cooling, it is also possible to keep the quality of the surface layer of a workpiece improved and constant.
  • the condition of a surface depends on cooling processes, which can be better and more precisely maintained with a cooling device.
  • the cooling device can both prevent overheating and improve the time course of the cooling process, i.e. adhere more closely.
  • the method makes it possible to place the working area of the laser directly in the center of the HF-heated area or in the vicinity of the center. Furthermore allowed the inductive heating to generate a largely identical temperature, ie a homogeneous temperature field, over relatively large areas of the workpiece, which contributes to the residual stresses occurring during thermal processing remaining extremely low. This in turn means that deformations of the treated workpiece, the so-called warping, are small or practically completely absent.
  • the workpiece to be provided with the surface layer or parts thereof is heated to a first temperature with an inductive HF / MF generator heater. Areas of the surface to be treated are further heated with the laser device and the surface layer is produced on the workpiece.
  • the device comprises the laser device and the HF / MF heating, which allow the workpiece to be influenced simultaneously with both.
  • the workpieces with surface layers produced by the method have an increased, i.e. improved, quality, since the method allows and enables a significantly improved compliance with the temporal temperature profile and also the temperature distribution in the workpiece.
  • HF high frequency
  • MF medium frequency
  • the workpiece 10 can be, for example, a valve of an internal combustion engine.
  • the edge regions 10 ′′ of the valve head 10 ′, which form the annular sealing region in the valve seat, are to be provided with a surface layer 101.
  • the laser beam 30 is focused with deflection mirrors 31 and focusing optics 32 on the working point 30 'of the edge region 10 "of the valve head 10' to be coated.
  • a surface layer 101 is made by applying a layer of another material e.g. Stellite 6 generated; e.g. the stellite 6 in powder form can be blown to the operating point 30 'with the aid of a powder conveyor 4 with a powder nozzle 41 which generates the powder jet 40.
  • the powder can be conveyed with argon, which also acts as a protective gas.
  • the workpiece 10 can be rotated with a rotating device 100. It would also be possible to move the working point 30 ′ of the laser beam 30 together with the powder beam 40 on the surface of the workpiece 10. It would also be conceivable to move all four, workpiece 10, laser 30 'and powder jet 40, as well as coil 20, or individual ones or more of them. This could be advantageous, for example, if complicated surface layer patterns are to be produced on workpieces with complicated contours.
  • the quality of the surface layer is influenced by maintaining precise temperature limits of the workpiece 10 and surface layer 101 in the region of the working point 30 ′ of the laser beam 30.
  • the cooling process for the texture and Properties of the surface layer and the coated workpiece can be decisive.
  • the device can have a control and regulating device 5, with which the HF / MF heating power and also the power of the laser device can be controlled and regulated.
  • the two temperature sensors 51 and 52 are provided as control variables, which determine the temperature of the surface layer 101 in the region of the working point 30 'of the laser 30 or the surface temperature of the valve head 10'.
  • the control and regulating device 5 can set the output of the HF / MF and / or laser heating source to setpoints, which are predefined, for example, at the temperature setpoints 53.
  • a cooling device 6 can be provided, for example, which cools the valve head with a jet of cooling fluid 60 from, for example, air, a protective gas or a liquid such as water, etc. .
  • the temperatures could also be regulated, that is to say influenced, that the rotational speed of the rotating device 100 for the workpiece 10 and / or the cooling fluid jet 60 is changed or switched on and off.
  • the control and regulating device 5 can be programmable within wide limits in order to create different surface coating conditions depending on the surface layer to be produced.
  • the device can also be constructed such that the induction coil, the temperature sensors, for example radiation pyrometers, the laser device move with the laser beam relative to the workpiece and / or against one another, which in turn is also moved.
  • the possible signal flow of the regulating and control system is indicated by arrows in the schematic figure. All of these relative movements can also be determined by the regulating and control device.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten auf Werkstücken, auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, sowie ein Werkstück mit nach dem Verfahren erzeugter Oberflächenschicht.
  • Werkstücke werden aus den verschiedensten Gründen ganz oder teilweise mit Oberflächenschichten versehen. Die Oberflächenschichten werden beispielsweise an thermisch, chemisch oder mechanisch besonders beanspruchen Stellen mit einer besonders thermisch oder mechanisch beanspruchbaren Schicht versehen. Die Schicht kann dabei durch eine Änderung der Struktur der Oberflächenbereiche eines Werkstücks, z.B. durch Härten, wie etwa durch thermische Behandlung, oder durch Einlagern von Fremdstoffen erfolgen. In EP-A-0.190.378 ist ein Verfahren zum Oberflächen-Legieren eines Basis-Metalls mit einem Hochenergiestrahls wie eines Laser- oder Elektronenstrahls beschrieben. Das Basis-Metall wird vorzugsweise vorerwärmt z.B. durch induktives Erwärmen. Die Oberfläche des Basismetalls wird lokal geschmolzen. Beim Legieren werden Defekte verhindert, indem ein Deoxidant und ein Legier-Metall mit einem Schmelzpunkt verwendet wird, der niedriger ist als jener des Basis. Beim Legieren wird die aufgeschmolzene Oberflächenschicht des Basis-Metals mit dem, Legier-Metall legiert. Die Legierung wird aus dem Grundmaterial, d.h. dem Werkstoff des Werkstücks und dem Legier-Metall gebildet.
  • In FR 2.263.381 beschreibt das Aufbringen von legierten Schichten auf metallische Substrate mit Hilfe von Laserstrahlen. Metallisches Pulver aus legiertem Schichtmaterial wird zuerste auf den zu beschichtenden Teil des Substrats aufgebracht und dann im Arbeitspunkt des Lasers zu einer Schicht ausgeschmolzen. Eine zusätzliche Heizeinrichtung ist bei der Einrichtung nicht vorgesehen.
  • Oberflächenschichten werden aber auch durch das Aufbringen von eigentlichen Oberflächenschichten, wie durch Aufschmelzen oder durch galvanische Oberflächenbehandlung, erzeugt. Bei beschichteten Werkstücken, die z.B. thermische wechselbelastet sind, hat man festgestellt, dass die Lebensdauer an sich geeigneter Oberflächenschichten für gewisse Anwendungen ungenügend ist. Die Oberflächenschicht oder Teile davon lösen sich vom Werkstück. In anderen Fällen stellt man fest, dass sich in der Oberflächenschicht Risse bilden, die zum Zerfall der Oberflächenschicht und auch des Werkstücks führen.
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Aufbringen von Schichten aus Werkstoffen besserer Qualität auf Oberflächen von Werkstücken, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Erfindungsgemäss ist das Verfahren bzw. die Vorrichtung durch die Kennzeichen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 7 gekennzeichnet. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Mit dem induktiven Hochfrequenz/Mittelfrequenz-Generator ist es möglich, das Werkstück, auf welchem die Oberflächenschicht aufzubringen ist, auf eine wohl definierte Temperatur zu erwärmen und - was für die Qualität der Oberflächenschicht von Bedeutung ist - diese Temperatur auch während der Herstellung der Oberflächenschicht präzis beizubehalten. Die induktive Vorwärmtemperatur kann problemlos auf ± 10° C genau eingehalten werden. Die verbesserte Qualität ist u.a. darauf zurückzuführen, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück und dem Aufschmelzbereich, also dem Bereich, wo die Oberflächenschicht mit dem Laserstrahl fortlaufend erzeugt wird, erstens wählbar ist, zweitens relativ gering gehalten und drittens auch während des Herstellens der Oberflächenschicht gut eingehalten werden kann. Dadurch wird die Beschaffenheit der Oberflächenschicht, insbesondere deren Dicke, Oberflächenstruktur, kristallines Gefüge, Duktilität, Härte, u.s.w gleichmässiger und damit die Oberflächenschicht ganz allgemein besser. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren sind auch dünnere Oberflächenschichten herstellbar.
  • Oberflächenschichten nach der Erfindung werden durch Aufschmelzen einer Schicht aus einem Werkstoff, der von jenem des Werkstücks verschieden ist erzeugt, wobei sich Oberflächenschicht und Werkstück nur in einem dünnen Aufschmelzbereich verbinden. Dabei hat der Abkühlvorgang bei der Herstellung der Oberflächenschichten einen Einfluss auf deren Eigenschaften.
  • Bei Oberflächenschichten aus einem von jenem des Werkstücks verschiedenen Werkstoff kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Schichtmaterials kleiner gewählt werden als jener des Materials des Werkstücks. Aufgrund der möglichen, genauen Temperaturwahl beim Beschichtungsvorgang kann die Temperatur des Werkstücks bei der Beschichtung höher als die für das Werkstück vorgesehene Betriebstemperatur gewählt werden und zwar derart, dass bei Betriebstemperatur die Oberflächenschicht im Betrieb eine definierte Druckkraft erfährt, die vom Werkstück auf die Oberflächenschicht ausgeübt und übertragen wird. Derartige Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht wirken der Rissbildung, der Materialermüdung und auch der Korrosion des Teils und insbesondere der Oberflächenschicht entgegen. Es werden also die Lebensdauer und Qualität des TEils und insbesondere der Oberflächenschicht verbessert. Dies ist beispielsweise bei einer Stellit 6 Schicht auf einem Werkstück aus rostfreien Stahl X2 CrNiMo 18 12 (Chrom-Nickel-Molybdän) der Fall.
  • Die Möglichkeit des raschen induktiven Vorwärmens des Werkstücks in einem ersten Temperaturbereich auf eine wählbare erste Temperatur, verringert auch die störenden Oxydationsvorgänge auf der Werkstückoberfläche beim Beschichten oder vermeidet diese ganz, wenn das Erwärmen unter Schutzgas erfolgt.
  • Das induktive Aufheizen lässt durch entsprechendes Anpassen der Induktionsspule des HF/MF-Generators verschiedenste Temperaturprofile über das ganze Werkstückszu, was ermöglicht, den Verzug und die Verformung des Werkstücks zu verringern und auch erlaubt, den Härteverlauf über die Oberflächenschicht gleichmässiger zu halten. Weiterhin kann das Anlassen, d.h. das Wieder-Erweichen von gehärteten Werkstück- oder Oberflächenteilen durch die Wahl des induktiven Wärmeprofils, eventuell in Verbindung mit einer Kühlung, verhindert oder beeinflusst werden. Mit der Laservorrichtung wird dann auf der Oberfläche, die beispielsweise induktiv auf eine Temperatur von 800° C erwärmt sein kann, die Oberflächenschicht bei einer Temperatur von 1800° C aufgeschmolzen. Der HF/MF-Generator, der vorzugsweise im Frequenzbereich von 0.5 kHz bis 1 MHz im Leistungsbereich von 5 bis mehreren 10 kW Leistung arbeitet, hat als Heizung vor allem Tiefen- oder Volumenwirkung, während die dazu überlagerte Heizung mit der Laseranlage vor allem punktuelle Oberflächenwirkung hat, und zwar im Bereich der vorerwärmten Oberfläche, wo die eigentliche Oberflächenschicht bei nochmals erhöhter Temperatur durch Aufschmelzen von Fremdmaterial oder lediglich der obersten Schichten des zu beschichtenden Werkstücks erzeugt wird. Dabei kann beispielsweise das Schichtmaterial in Pulverform und mit Schutzgas als Fördermedium in den Bereich des auf die Oberfläche des Werkstücks auftretenden Laserstrahls geblasen werden. Dort wird das Pulver geschmolzen und mit dem möglichst dünnen und geringen, aufgeschmolzenen Teil der Werkstückoberfläche verschmolzen. Es lassen sich mit den neuen Verfahren beispielsweise dünne Oberflächenschichten im Dickenbereich von 0.2 - 0.4 mm erzeugen.
  • Um bestimmte Bereiche von Werkstücken nicht zu überhitzen und/oder in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten, können einzelne Bereiche des Werkstücks und/oder der Oberflächenschicht mit einer Kühleinrichtung, die z.B. mit Luft, Öl, Wasser oder einem anderen Kühlmittel arbeitet, gekühlt werden. Mit Kühlung ist es auch möglich, die Beschaffenheit der Oberflächenschicht eines Werkstücks verbessert konstant zu halten. Die Beschaffenheit einer Oberfläche ist in vielen Fällen von Abkühlvorgängen abhängig, welche mit einer Kühlvorrichtung besser und genauer eingehalten werden können. Mit der Kühlvorrichtung lassen sich sowohl das Überhitzen vermeiden, als auch der zeitliche Verlauf des Abkühlvorgangs verbessern, d.h. genauer einhalten.
  • Das Verfahren ermöglicht es, den Arbeitsbereich des Lasers dirkt ins Zentrum des HF-beheizten Bereichs oder in die Nähe des Zentrums zu legen. Darüberhinaus erlaubt die induktive Heizung, über relativ grosse Bereiche des Werkstücks eine weitgehend gleiche Temperatur, d.h. ein homogenes Temperaturfeld, zu erzeugen, was dazu beiträgt, dass die bei thermischer Bearbeitung auftretenden Eigenspannungen äusserst niedrig bleiben. Dies wiederum hat zur Folge, dass Deformationen des behandelten Werkstücks, das sogenannte Verziehen, klein oder praktisch ganz ausbleiben.
  • Bei dem Verfahren wird das mit der Oberflächenschicht zu versehende Werkstück oder Teile davon mit einer induktiven HF/MF-Generator-Heizung auf eine erste Temperatur erwärmt. Mit der Laservorrichtung werden Bereiche der zu behandelnden Oberfläche weiter erwärmt und die Oberflächenschicht auf dem Werkstück erzeugt. Die Vorrichtung umfasst die Laservorrichtung und die HF/MF-Heizung, die es erlauben, das Werkstück gleichzeitig mit beiden zu beeinflussen. Die Werkstücke mit nach dem Verfahren erzeugten Oberflächenschichten weisen eine erhöhte, d.h. verbesserte, Qualität auf, da das Verfahren ein deutlich verbessertes Einhalten des zeitlichen Temperaturverlaufs und auch der Temperaturverteilung im Werkstück erlaubt und ermöglicht.
  • Die Erfindung wird anhand der Figur, die ein Beispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zeigt, erläutert.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Haltevorrichtung für das Werkstück 10. Weiter umfasst die Vorrichtung einen HF- oder MF-Generator 2 (HF = Hochfrequenz; MF = Mittelfrequenz) mit einer Induktionsspule 20, die zusammen im wesentlichen die induktive Heizung bilden und eine Laserquelle 3 mit Umlenkspiegel 31 und Fokussieroptik 32 für den Laserstrahl 30.
  • Das Werkstück 10 kann, wie hier gezeigt, beispielsweise ein Ventil eines Verbrennungsmotors sein. Die Randbereiche 10'' des Ventilkopfes 10', welche den ringförmigen Dichtbereich im Ventilsitz bilden, sind mit einer Oberflächenschicht 101 zu versehen. Der Laserstrahl 30 wird mit Umlenkspiegeln 31 und Fokussieroptik 32 auf den Arbeitpunkt 30' des zu beschichtenden Randbereichs 10" des Ventilkopfs 10' fokussiert.
  • Eine Oberflächenschicht 101 wird durch Aufbringen einer Schicht aus einem anderen Werkstoffs z.B. Stellit 6 erzeugt; z.B. kann der Stellit 6 in Pulverform mit Hilfe eines Pulverförderers 4 mit Pulverdüse 41, die den Pulverstrahl 40 erzeugt, zum Arbeitspunkt 30' geblasen werden. Die Pulverförderung kann mit Argon, das gleichzeitig als Schutzgas wirkt, erfolgen.
  • Zum Beschichten von rotationssymmetrischen Werkstücken 10 und rotationssymmetrischen Oberflächenschichten 101 kann das Werkstück 10 mit einer Drehvorrichtung 100 gedreht werden. Es wäre auch möglich, den Arbeitspunkt 30' des Laserstrahls 30, zusammen mit dem Pulverstrahl 40 auf der Oberfläche des Werkstücks 10 zu bewegen. Weiter wäre es denkbar, alle vier, Werkstück 10, Laser- 30' und Pulverstrahl 40, sowie Spule 20, oder einzelne, oder mehrere davon, zu bewegen. Dies könnte beispielsweise Vorteile bringen, wenn komplizierte Oberflächen-Schichtmuster auf Werkstücken mit komplizierten Konturen zu erzeugen sind.
  • In manchen Anwendungen wird die Qualität der Oberflächenschicht vom Einhalten genauer Temperaturgrenzen von Werkstück 10, und Oberflächenschicht 101 im Bereich des Arbeitspunktes 30' des Laserstrahls 30 beeinflusst. Genauso kann der Abkühlvorgang für die Beschaffenheit und Eigenschaften der Oberflächenschicht und des beschichteten Werkstücks ausschlaggebend sein. Zu diesem Zwecke kann die Vorrichtung eine Steuer- und Regelvorrichtung 5 aufweisen, mit welcher die HF/MF-Heizleistung und auch die Leistung der Laservorrichtung gesteuert und geregelt werden kann. Als Steuergrössen sind im gezeigten Beispiel die beiden Temperatursensoren 51 und 52 vorgesehen, welche die Temperatur der Oberflächenschicht 101 im Bereich des Arbeitspunktes 30' des Lasers 30 bzw. die Oberflächentemperatur des Ventilkopfs 10' bestimmen. Die Steuer- und Regelvorrichtung 5 kann die Leistung von HF/MF-und/oder Laser-Heizquelle auf Sollwerte einstellen, die beispielsweise an den Temperatur-Sollwertgebern 53 vorgegeben sind.
  • Für das Einhalten besonderer Temperaturprofile am Werkstück 10 oder Teilen davon, z.B. am Ventilkopf 10', kann beispielsweise eine Kühlvorrichtung 6 vorgesehen sein, die den Ventilkopf mit einem Kühlfluid-Strahl 60 von z.B. Luft, einem Schutzgas oder einer Flüssigkeit wie Wasser usw., kühlt. Die Temperaturen könnten auch damit geregelt, d.h. beeinflusst werden, dass die Drehgeschwindigkeit der Drehvorrichtung 100 für das Werkstück 10 und/oder der Kühlfluid-Strahl 60 verändert bzw. an- und abgeschaltet wird. Die Steuer- und Regelvorrichtung 5 kann in weiten Grenzen programmierbar sein, um je nach der herzustellenden Oberflächenschicht andere Oberflächen-Beschichtungsbedingungen zu schaffen. Die Vorrichtung kann auch so gebaut sein, dass sich die Induktionsspule, die Temperatursensoren, z.B. Strahlungspyrometer, die Lasereinrichtung mit dem Laserstrahl gegenüber dem Werkstück und/oder gegeneinander bewegen, das seinerseits ebenfalls bewegt wird. Der mögliche Signalfluss des Regel- und Steueranlage ist in der schematischen Figur mit Pfeilen angedeutet mit. Alle diese Relativbewegungen können ebenfalls von der Regel- und Steuereinrichtung bestimmt werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten (101) auf induktiv erwärmbaren Werkstücken (10, 10', 10") bei welchen wenigstens der zu beschichtende Teil (10") des Werkstücks (10) induktiv in einem ersten Temperaturbereich erwärmt wird und die Oberflächenschicht (101) durch weiteres Erwärmen oder Aufschmelzen des induktiv erwärmten und zu beschichtenden Oberflächenbereichs (10") des Werkstücks mit Laserlicht (30, 30') und Laserenergie erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während dem induktiven Erwärmen, das aufzuschmelzende, vom Werkstoff des Werkstücks (10, 10', 10") verschiedene Material (40), für die zu erzeugende Oberflächenschicht (101), zum Arbeitspunkt (30') des Laserstrahls (30) gebracht wird, der ins Zentrum oder in die Nähe des Zentrums des HF/MF-beheizten Bereichs gelegt ist, wobei die Oberflächenschicht (101) durch das vom Werkstoff des Werkstücks verschiedene, zugeführte Material (40) gebildet wird.
  2. Verfahren einem Anspruch 1, bei welchem der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs des Werkstücks (10, 10', 10") grösser ist als jener des Materials der Oberflächenschicht (101).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs der Oberflächenschicht (101) kleiner ist als jener des Werkstücks (10, 10', 10'') und der erste Temperaturbereich höher liegt als die für das Werkstück (10, 10', 10'') vorgesehene Betriebstemperatur.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem das Erzeugen der Oberfächenschicht (101) unter Schutzgas (40) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das induktive Erwärmen des Werkstücks (10, 10'. 10'') mit dem HF/MF-Generator (2, 20) nach einem wählbaren Wärmeprofil erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das induktive Wärmeprofil des Werkstücks (10, 10', 10'') zusätzlich mit einer Kühlung beeinflusst wird.
  7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem HF/MF-Generator (2) und Übertragungsmitteln (20) zum induktiven Erwärmen des mit der Oberflächenschicht (101) zu beschichtenden Werkstücks (10, 10', 10") in einen ersten Temperaturbereich, sowie mit einer Lasereinrichtung (3, 30, 30', 31, 32) zum weiteren Erwärmen des zu beschichtenden Oberflächenbereichs (10") des Werkstücks (10, 10', 10"), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (4,41) für das Zuführen von puiverförmigem oder drahtförmigem, vom Werkstoff des Werkstücks verschiedenes Material (40) für die Oberflächenschicht (101), zum Arbeitspunkt (30') des Laserstrahls (30), der ins Zentrum oder in die Nähe des Zentrums des mittels des HF/MF-Generators (2) induktiv beheizbaren Bereichs gelegt ist, wobei die Oberflächenschicht (101) durch ein vom Werkstoff des Werkstücks verschiedenes zugeführtes Material (40) gebildet wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, mit Mitteln (100) zum Bewegen des Werkstücks (10, 10', 10") und/oder Mitteln (51, 52) zum Bestimmen der Temperatur des Werkstücks (10, 10', 10'') und/oder der Temperatur im lasererwärmten Bereich (30', 10'') der Oberflächenschicht (101) und/oder Mitteln (4, 41) zur Zufuhr von Schutzgas und/oder Mitteln (6, 60) zum Kühlen von Bereichen des Werkstücks (10, 10', 10").
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 mit einer Regel- und Steuereinrichtung (5, 53) zum Steuern und/oder Regeln des HF/MF-Generators (2, 20) und/oder der Lasereinrichtung (3, 30, 30', 31, 32) und/oder der Kühlvorrichtung (6, 60) und/oder deren Bewegung und/oder der Bewegung des zu beschichtenden Werkstücks (10, 10', 10'') und/oder der Lasereinrichtung (3, 30, 30', 31, 32), und/oder der Mittel (51, 52) zum Bestimmen der Temperatur und/oder der Bewegung von Teilen davon.
EP91810343A 1990-06-13 1991-05-03 Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten auf Werkstücken, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie Werkstück mit nach dem Verfahren hergestellter Oberflächenschicht Expired - Lifetime EP0462047B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH1992/90 1990-06-13
CH199290 1990-06-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0462047A1 EP0462047A1 (de) 1991-12-18
EP0462047B1 true EP0462047B1 (de) 1997-11-26

Family

ID=4223380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP91810343A Expired - Lifetime EP0462047B1 (de) 1990-06-13 1991-05-03 Verfahren zum Herstellen von Oberflächenschichten auf Werkstücken, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie Werkstück mit nach dem Verfahren hergestellter Oberflächenschicht

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