[发明专利]用于形状复杂的部件的表层硬化的方法和装置

说明书

本发明涉及机器零件，设备零件和装置零件以及工具(Werkzeugen) 的表层硬化(Randschichthaertung)。对于这样的对象而言，其应用是可 能的且是适宜的，即，该对象为由可硬化的钢制成的、强烈地受到疲 劳应力或磨损应力的部件，该部件具有复杂的形状且其表面必须有选 择地在功能面(Funktionsflaechen)处被加以硬化，或者，在该部件中， 功能面具有多维的形状。尤其有利的是，本发明针对这种部件被加以 利用，在这种部件上，功能面的几何形状沿着部件以三维的方式变化。 这种部件例如为大型工具，切割工具和修边工具以及用于汽车车身加 工的压模，用于蒸汽透平的低压部分的透平叶片，凸轮盘，工具的机 架等等。其它的利用情况为诸如几何形状复杂的部件的表层扩散退 火，表层回火或表层调制等的局部的热处理。

现有技术

表层硬化是一种用以提高由可硬化的钢制成的部件的耐磨性和 疲劳极限的、在技术上广泛传播的方法，作为能量源(Energiequellen) 可采用——按照功率密度和3D能力升序排序——火焰，感应能，电子 射束和激光光束(Laserstrahl)。

很多时候，待硬化的功能面包括在一定角度下彼此对接的两个 面，就如在切割工具或在成形工具中那样。在这种情况下，两个面必 须以优化的方式同时被硬化，以防止所谓的回火区(Anlasszonen)。所 述回火区通过在前产生的硬化轨迹的、达奥氏体转变的开始的高度的 再次的温度加载(由于在后的轨迹的温度场所致)而形成。这造成的后 果是之前所产生的轨迹的区域的一定程度的短时间回火，其使得在多 种载荷情况下的耐磨性和疲劳强度急剧恶化。

为避免这种回火区，在感应淬火(induktionshaertung)情况下，采用 相应地成形的感应器，即所谓的二面-感应器，该感应器在其轮廓中大 致相应于该彼此对接的面的几何形状的阴模(Negativ)。针对平面的2D 部件，也已知了多件式分段式的感应器(参看M Bott所著的、发表于 Informationsdienst Wissenschaft，2006，09，28中的文章“Leichtere Automobile durch Laserstrahlschweissen”)，所述感应器允许在两维的部 件上产生弯曲的回火区的轨迹。原则上，由此，在平面的部件上，弯 曲的硬化轨迹也是可能的。此处，该感应器以机械的方式借助于型模 (Matrize)而在部件上被引导。

在激光光束硬化情况下，已知了射束分裂单元，所述射束分裂单 元在其设计形式中，以最高的灵活性而被装备以两个激光射束扫描器 系统(见“International Congress on Applications of Laser and Electro-Optics”会议论文集，圣地亚哥，加利福尼亚，美国，15-18 1 1 1999，第87f卷，第1-10页中的、由D M Seifert，B Brenner，F Tietz，E Beyer所著的“Pioneering laser sanning system for hardening of turbine blades”)。具体地，该系统包括用于CO₂激光的激光光束的光束分裂光 学系统，两个抛物线状弯曲的聚焦镜和两个在光路中布置在其后的激 光扫描系统。通过光束分裂镜的位置的移动，光束分裂镜，聚焦镜， 扫描镜之间的间距，以及扫描角度的变化，可事先调节射束冲击角以 及射束尺寸(宽度，长度)。由此，带有以角度α(该角度在约为10°.α.80° 的角度范围中)而彼此对接的两个功能面的部件可同时地且以不产生 回火区的方式进行硬化。

借助于二面-形状感应器(Forminduktor)或借助于多件式分段式感 应器而用于感应淬火的组件的缺点和利用射束分配器及可调节的射 束成形系统来进行激光光束硬化的组件的缺点在于，无法用于这样的 部件的硬化，即，在该部件上，角度α或待硬化的面的形状沿着两个 功能面的对接缘(Stosskante)而变化。典型地，作为这种部件的具体化 形式，需提及透平叶片(该透平叶片应在其进气边缘的区域中被硬化) 或切割工具，(该切割工具的切割边缘具有3D弯曲的形状)。其理由在 于，在这两种情况下，能量成形单元(Energieformungseinheit)的几何形 状无法在加工期间与该两个功能面相匹配(anpassen)且由此功率密度 分布无法在加工期间与该两个功能面相匹配。