用于制造构件元件的方法与流程

本发明涉及一种用于制造构件元件、尤其用于燃料喷射系统的构件元件的方法，并且还涉及一种适合用于实施这种方法的装置。

背景技术：

一些构件元件共同构成结构组件并且在这些构件元件中至少一个构件元件可运动地构造，在这些构件元件中，由于构件元件相互间的运动接触而会在构件元件的对应接触区域上造成磨损。例如在电磁喷射器中，设置用于密封电磁喷射器的内室且为此被接收在孔中的销构造成可在确定的路段内自由运动，其中，该销在电磁喷射器的切换过程中由于在所述孔中形成的燃料压力而撞向金属板，这在随着时间而周期性地或者非周期性地重复切换过程的情况下导致销的端部上的以及金属板上的磨蚀性磨损。但所述销由于其可自由运动的构造并不是仅具有唯一的运动自由度，而是在切换过程期间除了轴向运动之外同时也可实施旋转运动，这不仅导致销上的更严重的磨损而且也导致金属板上的更严重的磨损。

在已知的制造方法中不满意的是，依此生产的构件元件典型地具有均一的材料特性，从而经受更高应力的区域或者说区段被更快地磨损，由此降低这种构件元件的使用寿命。

技术实现要素：

具有权利要求1的特征的方法具有这样的优点：能够限定以及以可重复的方式改性构件元件在确定区域范围内的显微组织，由此可能的是：将这种区域内的材料特性这样适配于在之后的运行中在与其它的构件元件或者说部件的相互配合中预期会产生的机械应力，使得那里的磨损相对于常规地生产的构件元件而言显著地降低。为此，选择性地使所述区域经受辐射，以便实现该区域的组织结构改变，紧接着在测量技术上感测该区域的过程状态，其方式是，以经调制的辐射照射该区域并且相位灵敏地探测因此从该区域发出的热辐射，其中，求取所射入的经调制的辐射和探测到的热辐射之间的相位关系作为所述区域的过程状态的尺度。原则上，从该区域发出的并且然后被探测到的辐射以及由此求取的相位关系表明该区域关于射入的经调制的辐射的响应特性，因为这种响应特性取决于在所述区域中之前所达到的显微组织改变的程度。有利地，可以由此在过程测量技术上监测或控制在所述区域中已经实现的组织改变的过程状态或者说进展。因此，根据本发明的方法也适用于品质控制。

由在从属权利要求中所列举的措施可得到本发明的其他的有利扩展方案和构型。

为了产生经调制的辐射，使用至少一种调制频率。在特定的前提条件下可能的是，仅仅使用唯一的调制频率。

根据本发明的一种优选扩展方案，以离散的步骤在预先确定的调制频率范围内改变调制频率。在此，分别针对所设定或者说所选择的调制频率(通过所述调制频率对用于在过程测量技术上进行方法控制的辐射在其强度上进行调制)求取相应地所属的相位关系。即，在预先确定的调制频率范围内改变经调制的辐射，其方式是，先后以各一个调制频率调制所述辐射的强度，以便在每个调制频率的情况下根据相应地设定的调制频率求取射入的经调制的辐射和从所述区域发出的热辐射之间的相位差。各个相位关系的总的变化曲线用作制造过程的进展的尺度或用作在所述区域中已经实现的组织改变的尺度。

当预先确定的调制频率范围选择成或者说设定成该调制频率范围约处于1Hz至40kHz之间时，可以实现在测量技术上特别良好的性能并从而实现在过程测量技术上特别良好的控制。

本发明的一种扩展方案在于，将用于使组织结构改变的辐射维持一个预先确定的时长并且紧接着进行冷却阶段，该冷却阶段持续一个预先确定的时长。在此，根据本发明的一种有利的构型，在冷却阶段期间可以缓慢地降低用于使组织结构改变的辐射的功率，以避免被照射的区域的不希望的激冷。当冷却阶段的预先确定的时长处于约2至5分钟之间的范围内时，可以实现最佳结果。在冷却阶段结束之后，则实施对组织结构改变的在测量技术上的感测。根据一种实施变型，可以在起改变组织结构作用的辐射的作用持续时间期间实施对组织结构改变的在测量技术上的感测。有利地，由此可以“online”地感测所述区域的组织结构改变并从而感测过程进展。

通过使用激光辐射作为起改变组织结构作用的辐射以及作为经调制的辐射的方式，可以在成本上特别有利地实现根据本发明的方法，因为可以取消在以除该方式之外的其他方式实施所述方法时所必需的用于射束准直的器件。通过根据本发明的以下有利构型可以实现简单的射束校正：使用在可见的波长范围内的激光辐射。

根据本发明的方法的一种优选构型是，以恒定的强度发出用于改变组织结构的辐射，以便在高功率的情况下在被照射的区域的表面上产生尽可能高的热量。替代于此，可以脉冲式地或者经调制地发出用于使组织结构改变的辐射，但所选择的脉冲频率确定所述辐射侵入所述区域中的深度。在此，脉冲频率选择得越高，则脉冲式的辐射对构件元件的所述区域的加温或者说加热离表面越近。

本发明的另一种有利的扩展方案可以是，至少在通过起改变组织结构作用的辐射进行处理期间使所述构件元件经受缺氧的气氛，因为在表征缺氧气氛的处于10^-6至10^-3bar之间的范围内的氧气分压的情况下，可以在根据本发明地被照射的区域的表面上构成起减小磨损作用的氧化铁。

确定用于实施根据本发明的方法的装置包括：用于发出起改变组织结构作用的辐射的器件；用于发出经调制的辐射的器件，所述经调制的辐射用于测量；探测器件，用于相位灵敏地探测选择性地从构件元件的区域发出的热辐射，所述热辐射是对经调制地射入的辐射所做出的反应；和分析处理器件，其用于求取经调制地射入的辐射和所探测到的热辐射之间的相位关系来作为所述区域的过程状态的尺度。所述探测器件包括红外敏感的探测器，以便感测由构件元件发出的、在长波的光谱范围内的热辐射，并且还包括连接在红外敏感的探测器之后的锁相放大器，以便以与经调制的辐射相比较的方式相位灵敏地处理和分析红外敏感的探测器的输出信号。所述锁相放大器将经调制的辐射用作基准信号。根据本发明的一种有利的且优选的实施方式，用于发出起改变组织结构作用的辐射的器件和/或用于发出起测量作用的辐射的器件构造为激光器、优选构造为激光二极管。优选设置唯一的激光二极管，所述激光二极管不但用于发出起改变组织结构作用的辐射而且也用于发出起测量作用的经调制的辐射。由此，可以由唯一的辐射源、优选激光二极管承担不同的功能，即，发出起改变组织结构作用的辐射的功能和发出旨在测量技术上的控制的辐射的功能，其方式是，所述激光二极管在第一种情况下以高的功率运行并且在第二种情况下以降低了的功率并且经调制地运行。为此所需的调制器件可以构造为函数发生器，该函数发生器在输出侧电连接到激光二极管上并且调制其辐射强度。根据一种扩展措施，可设置一遮盖件，该遮盖件布置在构件元件和设置用于发出起改变组织结构作用的辐射的辐射源之间并且具有至少一个传送由辐射源发出的辐射的区域和至少一个隔断所述辐射的区域。由此可能的是，当在所述遮盖件中设置相应数量的传送区域时，在构件元件的表面上同时构造多个“软”区域。符合目的地，设置有用于冷却所述构件元件的器件，以便将射入的起改变组织结构作用的辐射的物理作用限制在被照射的区域上。

附图说明

在后面的描述中以及在附图中详细地解释本发明的实施例。附图以示意图示出：

图1根据本发明的装置，其中，构造为销的工件被夹在用作保持部的爪式卡盘中并且以其突出的端部经受以高功率射入的辐射，而探测器用于感测从工件的所述端部发出的热辐射，所述热辐射是对测量辐射做出的反应，

图2具有根据本发明的用于制造构件元件的方法的主要方法步骤的流程图，

图3示意图，该示意图示出在销形工件未被加工的情况下在实施根据本发明的方法之前所述工件的硬度相对于其轴向延伸尺度的变化曲线，

图4示意图，该示意图示出在销形工件的情况下在实施根据本发明的方法之后所述工件的硬度相对于其轴向延伸尺度的变化曲线，

图5示意图，其中，按照三条测量曲线分别将经调制地射入到工件的一个区域上的测量光与对该测量光做出反应地从该区域辐射回的热辐射之间的相位关系描绘为设定用于调制所述测量光的调制频率的函数，其中，测量曲线记录工件的之前被处理了或者说被加热了不同时长的区域的对应的过程状态，

图6销形工件的立体图，在该工件中，根据本发明的方法地通过选择性地起作用的激光辐射构成组织结构改变了的区域，

图7作为工件的金属板的立体图，该金属板具有布置在其上的遮盖件，该遮盖件用于在位置上选择性地传送所射入的激光辐射，和

图8图6的金属板在根据本发明的方法地以激光照射之后的俯视图。

具体实施方式

图1示出装置10，其中，销11作为待加工的工件或者说构件被位置固定地夹紧在保持装置12中，所述保持装置在该实施例中构造为爪式卡盘，并且，从激光源13″发出的激光射束13沿射束方向13′聚焦地射入到销11的从保持装置12突出的端侧端部11′上。通过由激光射束13在那里所产生的辐射热来选择性地加温或者说加热该区域11′，由此实现该区域内的显微组织的改变。在此，保持装置12还具有冷却功能，以便将多余地射入的能量从构件元件导出，从而与待改性区域邻接的未照射区域充分冷却并从而在很大程度上保持不变；因此，多余地产生的热量可以通过爪式卡盘流出。在该实施例中，激光源13″构造为激光二极管并且在选择性地加温或者说加热所述区域11′期间优选以“连续波”模式运行，即激光源发出恒定强度的连续功率。但替代地，激光源也可以脉冲式或经调制地运行。为了在测量技术上感测区域11′的显微组织改变或者说状态，在冷却阶段之后以从此时起明显降低的功率并且仅仅经调制地运行激光源13″，从而经调制的激光射束作为测量光而射入到区域11′上。作为对经调制的测量光的反应而由此从区域11′发出的热辐射17被红外探测器18感测，所述红外探测器典型地与激光源13″和从其所发出的激光辐射13大致同轴地定向或者说布置。锁相放大器19通过信号导线19′接在红外探测器18之后并且相对于基准信号相位灵敏地处理红外探测器的输出信号，其中，激光源的经调制的强度作为基准信号施加到锁相放大器19的一个输入端上。根据从锁相放大器19提供的输出信号可求取从区域11′发出的热辐射与射入到区域11′上的辐射之间的相位关系。这种相位关系可以用作区域11′的过程状态的尺度并从而用作该区域中的组织改变的进展的尺度。未示出的计算单元用于分析处理由锁相放大器所提供的输出信号。此外，装置10包括未示出的函数发生器，所述函数发生器在输出侧电连接到激光源13″上并且用于调制激光源。通过以“Sweep”模式运行函数发生器的方式，可以在预先设定的频率范围内借助于“频率扫描”来调谐激光源的调制或者说其发射强度。在此，在确定的积分时间(该积分时间处于约1至3秒的范围内并且取决于分别设定的调制频率)之后，借助于红外探测器和锁相放大器记录由所述区域发出或者说辐射回的热辐射，所述热辐射典型地处于长波的光谱范围内。

图2示出一流程图，该流程图包括根据本发明的、用于制造构件元件的方法100的主要方法步骤。在此，在第一方法步骤101中，构件元件的区域经受一辐射，以便在被照射的区域中引起显微组织结构改变，所述辐射优选构造为激光辐射并且具有恒定的强度。为此，典型地，以大约30瓦特的高功率聚焦地射入到大约3mm²的表面上，其中，激光辐射强度被调到最高强度。在紧接着的方法步骤102中，进行冷却阶段，对于该冷却阶段典型地选择约2至4分钟的时长。在下一方法步骤103中，用经调制的辐射、优选用经调制的激光辐射，并且——与步骤101不同地——用明显降低的功率照射所述区域并且在紧随其后的方法步骤104中相位灵敏地探测因此由所述区域发射的热辐射。在下一方法步骤105中，根据所述探测来求取向所述区域发射的经调制的辐射和所探测到的热辐射之间的相位关系作为在步骤101中所实现的在区域11′中的组织结构改变的尺度。对此的物理基础是：通过根据步骤101用这种辐射来加热造成的在被照射的区域中的组织显微改变，固体物理特性——如导热能力、比热容和密度——改变，其中，在根据本发明的方法中，大多仅导热能力提供可测量的数值。为了求取针对预先确定的频率范围之内的N个调制频率的相位关系，则针对各一个调制频率ν_M(i)重复步骤103至105，其中，i表示运行指数，该运行指数从1走到N。在此，用于调制辐射强度或者说激光强度的调制频率ν_M(i)处于约1Hz至40kHz的范围之内。如果由所求取的相位关系得出：被照射的区域中的组织改变还未达到所希望的程度，则重复第一方法步骤101并且使所述区域重新经受起改变组织结构作用的激光辐射，为此，所述激光辐射又被调到恒定的强度和高功率。例如为了将销11的所述区域的典型的初始硬度从约780HV(维氏硬度)降低到约325HV，已被证明有利的是，将根据方法步骤101改变组织结构的、持续2至4分钟的照射与分别紧接着的根据方法步骤102的冷却阶段一起重复三次。通过根据方法步骤101地用起改变组织结构作用的辐射在缺氧气氛中(即在表征缺氧气氛的、处于10^-6至10^-3bar之间的范围内的氧气分压的情况下)实施对所述区域的处理，在被加热的所述区域上构成深色的氧化层，所述氧化层附加地起减小磨损的作用。

图3示出在实施根据本发明的方法之前销11的示意图20，其中，相对于该销的位于轴向上的纵向延伸尺度x描绘销11的硬度H，其方式是，在横坐标上示出销11的轴向位置x。根据H测量曲线的沿着销11的轴向位置恒定的走向可知，未经加工的销11具有恒定的硬度。

图4示出经激光加工的根据图1的销11的示意图30作为根据本发明的方法的结果，在该示意图中，相对于销的位于轴向上的纵向延伸尺度x描绘硬度H。在经激光加工的端部11′的区域中——与在图2中针对未经加工的销所示出的走向不同地——硬度H由于起作用的激光辐射而相对于在销11的未被激光辐射影响的区域中的硬度的除此之外恒定的走向陡降。

图5示出示意图40，其中，按照三条测量曲线41，42，43描绘各个相位关系或者说各个相位角与对应地设定用于调制测量光的调制频率ν_M的函数关系，所述相位关系或者说相位角是经调制地射入到工件的区域11′上的测量光与作为对该测量光做出的反应从区域11′辐射回的热辐射之间的相位关系或者说相位角，其中，在所述区域上在起改变组织结构作用的辐射的以不同时长作用于该区域的过程阶段之后借助于红外探测器18和接在之后的锁相放大器19记录测量曲线41，42，43。测量曲线41是在该区域上在一过程阶段101之后记录的，该过程阶段的起改变组织结构作用的辐射的作用持续时间最短；中间的测量曲线42是在该区域上在一过程阶段101之后记录的，该过程阶段的起改变组织结构作用的辐射与前者相比较长；而在最后，测量曲线43是在具有最长的作用持续时间的过程阶段101之后记录的。作用时间的时长确定所述区域中显微组织改变的程度并从而确定其硬度，即起改变组织结构作用的辐射的作用时间越长，则经改性的区域越软。这在测量曲线41，42，43中反映出来，因为它们视所探测到的过程状态而定通过不同的相位角偏移与彼此区别开来。因此，测量曲线42与测量曲线41相比在所设定的调制频率ν_M的整个走向上具有总体上较大的相位角。与测量曲线42相比——进而也与测量曲线41相比——测量曲线43在所设定的所有调制频率ν_M上具有总体较大的相位角。因此得出在所述区域中通过使初始硬度“变软”所实现的组织改变和所测量的相位曲线之间的关联，所述相位曲线表征该区域的状态。根据一个实施例，可以根据对具有限定硬度的基准试样的测量来校准相位曲线。因此，可以根据借助于“频率扫描”所得到的相位曲线来判断：在构件元件的表面上的经处理的区域中是否达到所希望的硬度。

图6以立体图示出构造为销的、在通过作用于不同的部位或者说区域11″′上的激光辐射进行热处理之后的构件元件或者说工件。通过将激光辐射聚焦在销11的不同的区域上的方式，在那里基于组织改变来构成与未经处理的区域11″′相比硬度较低的区域。

图7示出构造为金属板15的结构元件或者说工件和直接布置在其上的遮盖件16。遮盖件16具有区域16′，以便使射向工件15的激光辐射选择性地通过，而在这些区域16′之外的区段阻断射入的激光辐射。

图8示出在用穿过遮盖件16的区域16′射入的激光辐射处理之后金属板15的俯视图，由此，在金属板15中构成相应于区域16′的几何布置地被照射的区域15′，所述区域具有经改性的组织结构，所述组织结构与相邻的未被照射的区域15″相比具有较低的硬度。由此可能的是，在唯一的方法步骤中，在构件元件的表面上同时构造多个“软”区域。

根据本发明的方法100涉及一种光热方法并且该方法用于制造构件元件，概括地，在该方法中，对构件元件11的至少一个区域11′进行改性，其方式是根据步骤101选择性地使区域11′经受辐射，以便引起区域11′的组织结构改变，并且在测量技术上感测该区域的过程状态，其方式是，根据步骤103和104用经调制的辐射照射区域11′并且紧接着相位灵敏地探测从该区域发出的热辐射17，其中，根据步骤105求取所射入的经调制的辐射和探测到的热辐射之间的相位关系作为区域11′的组织结构改变的尺度。在此，将用于使组织结构改变的辐射维持一个预先确定的时长，接着进行长达预先确定时长的冷却阶段，在该冷却阶段结束之后典型地实施对组织结构改变的在测量技术上的感测。然而，替代地也可能的是，在冷却阶段期间就已实施在测量技术上的感测。通过根据本发明的方法，具有经受不同负荷的摩擦区域的构件元件的磨损能通过符合目的地并且局部地适配这种区域中的显微组织来有利地降低。有利地，根据本发明的方法使得能对构件元件的根据本发明地进行处理的区域进行“in-situ”的表征，因为起加工作用的过程步骤和过程测量技术上的过程步骤可以连贯地进行。

本发明的一种实施方式可以是，在起改变组织结构作用的辐射的作用持续时间期间也实施在测量技术上的感测，其方式是，例如对于两种辐射类型、即对于起改变组织结构作用的辐射以及对于用于在测量技术上的感测的辐射使用唯一的激光二极管，但是所述激光二极管这样运行，使得其针对组织结构改变发出具有恒定的并且高的光强的光，而针对测量，较低强度的调制叠加在所述光上，从而锁相放大器可以记录信号的改变并从而记录相移，以便“online”地感测组织结构改变。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于制造构件元件、尤其是用于燃料喷射系统的构件元件的方法，其中，改性所述构件元件(11)的至少一个区域(11′)，其方式是，选择性地使所述区域经受辐射(101)，以便实现该区域(11′)的组织结构改变，其特征在于，在测量技术上感测该区域(11′)的过程状态，其方式是，以经调制的辐射照射该区域(11′)并且相位灵敏地探测(104)因此从该区域(11′)发出的热辐射(17)，其中，求取(105)所射入的经调制的辐射与探测到的热辐射之间的相位关系作为所述区域的过程状态的尺度，并且在预先确定的调制频率范围内改变所述经调制的辐射，其中，先后以各一个调制频率来调制所述辐射的强度，以便在每个调制频率根据相应的调制频率来求取射入的经调制的辐射与从所述区域发出的热辐射之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以离散的步骤在所述预先确定的调制频率范围内改变所述调制频率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预先确定的调制频率范围大致处于1Hz至40kHz之间。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将用于所述组织结构改变的辐射维持预先确定的时长并且紧接着进行长达预先确定的时长的冷却阶段。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述冷却阶段结束之后，实施对所述组织结构改变的在测量技术上的感测。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在确定用于使组织结构改变的所述辐射的作用持续时间期间实施对所述组织结构改变的在测量技术上的感测。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述冷却阶段期间，缓慢地降低用于使组织结构改变的所述辐射的功率。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却阶段的所述预先确定的时长处于约2至5分钟之间的范围内。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以恒定的强度发出用于使组织结构改变的所述辐射。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲式地发出用于使组织结构改变的所述辐射。

11.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使所述构件元件至少在通过起改变组织结构作用的所述辐射来进行处理期间经受缺氧的气氛。

12.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对起改变组织结构作用的所述辐射以及对所述经调制的辐射而言采用激光辐射。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用可见的波长范围内的激光辐射。

14.用于实施根据以上权利要求中任一项所述的方法的装置，其具有：

-用于发出起改变组织结构作用的辐射的器件，

-用于发出用于测量的经调制的辐射的器件，

-探测器件(18，19)，以便相位灵敏地探测选择性地从所述构件元件的一个区域发出的热辐射，所述热辐射是对经调制地射入的辐射所做出的反应，

-分析处理器件，所述分析处理器件用于求取经调制地射入的辐射与探测到的热辐射之间的相位关系来作为所述区域的过程状态的尺度，

-用于在预先确定的调制频率范围内改变所述经调制的辐射的器件，其中，先后以各一个调制频率调制所述辐射的强度，以便在每个调制频率的情况下根据对应的调制频率来求取射入的经调制的辐射与从所述区域射出的热辐射之间的相位差。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，用于发出起改变组织结构作用的辐射的器件和/或用于发出用于测量的经调制的辐射的器件构造为激光器(13″)、优选构造为激光二极管。

16.根据权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述探测器件包括红外敏感的探测器(18)，以便感测由所述构件元件(11)发出的热辐射(17)。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述探测器件包括锁相放大器(19)，该锁相放大器连接在所述红外敏感的探测器(18)之后，以便相位灵敏地、与所述经调制的辐射相比较地处理所述红外敏感的探测器的输出信号。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的装置，其特征在于，设置有用于冷却所述构件元件(11)的器件(12)。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的装置，其特征在于，设置有遮盖件(16)，该遮盖件布置在构件元件和设置用于发出起改变组织结构作用的辐射的辐射源(13″)之间并且具有至少一个起传送由所述辐射源发出的辐射的作用的区域(16′)和至少一个隔断所述辐射的区域。