Vorrichtung zum Härten der Innenkontur eines Waffenrohres mit Laserstrahlung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten der Innenkontur eines Waffenrohres (1) mit Laserstrahlung, wobei die Vorrichtung einen Laser (12) und einen entlang der Seelenachse (4) des Waffenrohres (1) verschiebbar anordbaren und eine Strahlumlenkoptik (17) enthaltenden Laserkopf (10) umfaßt, so daß die Laserstrahlung mündungsseitig in das Waffenrohr (1) einkoppelbar und mittels der Strahlumlenkoptik (17) senkrecht auf die innere Oberfläche (5) des Waffenrohres (1) führbar ist.
Um zu erreichen, daß das Waffenrohr (1) sehr genau und homogen gehärtet werden kann und ein gegenüber bekannten Vorrichtungen relativ großer Bearbeitungsraum zur Verfügung steht, schlägt die Erfindung vor, einerseits als Laser (12) einen ND:YAG-Laser zu verwenden, da durch die gegenüber CO₂-Lasern geringere Wellenlänge Glasfasern für die Übertragung des Laserstrahles eingesetzt werden können, und andererseits den Laserkopf (10) an einer in dem Waffenrohr (1) zentrierbaren und in Richtung der Seelenachse (4) des Waffenrohres (1) verschiebbaren Ziehstange (3) zu befestigen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten der Innenkontur eines Waffenrohres mit Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Um die durch die heißen Treibladungsgase verursachte Erosion des jeweiligen Waffenrohres bzw. den durch die Reibung zwischen der Geschosse und dem Waffenrohr verursachten abrasiven Verschleiß gering zu halten und damit deren Lebensdauer zu erhöhen, ist es bekannt, die innere Oberfläche des in der Regel aus Stahl bestehenden Waffenrohres mit einer Hartmetallschicht, z.B. einer Chromschicht oder einer Chrom enthaltenden Legierungsschicht (z.B. einer Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung), zu versehen.

[0003] Nachteilig ist bei derartigen Waffenrohren, daß die Aufbringung der Auftragsschicht prozeßtechnisch relativ aufwendig ist und häufig Abplatzungen und Auswaschungen dieser Schicht auftreten, welche die Lebensdauer der Waffenrohre vermindern.

[0004] Aus der DE 195 44 824 A1 ist es ferner bekannt, die innere Oberfläche des jeweiligen Waffenrohres durch eine thermische Oberflächenbehandlung mittels Laserstrahlen zu härten (Umwandlungshärten). Dabei wird die Laserstrahlung eines CO₂-Lasers mündungsseitig axial in das Waffenrohr eingekoppelt und mit Hilfe eines in dem Waffenrohr verschiebbar angeordneten, eine Strahlenumlenkoptik enthaltenden Laserkopfes senkrecht auf die zu härtende Innenflächen des Waffenrohres geleitet.

[0005] Nachteilig ist bei dieser bekannten Laseranordnung, daß die Verwendung des CO₂-Lasers ein relativ starres Strahlführungssystem erforderlich macht, so daß der Bearbeitungsraum eingegrenzt ist. Außerdem läßt sich dieser Schrift nicht entnehmen, auf welche Weise die zwischen Waffenrohr und Laserkopf erforderliche Relativbewegung realisiert werden könnte.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Umwandlungshärten der Innenkontur eines Waffenrohres anzugeben, mit der das Waffenrohr sehr genau und homogen gehärtet werden kann und mit deren bestimmungsgemäßer Verwendung eine Vergrößerung des Bearbeitungsraumes verbunden ist.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.

[0008] Im wesentlichen liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, einerseits als Laser einen ND:YAG-Laser zu verwenden, da durch die gegenüber CO₂-Lasern geringere Wellenlänge von 1,06 µm Glasfasern für die Übertragung des Laserstrahles eingesetzt werden können. Andererseits wird durch die Befestigung des Laserkopfes an einer in dem Waffenrohr zentrierbaren (und damit an den Rohrwänden abstützbaren) und in Richtung der Seelenachse des Waffenrohres verschiebbaren Ziehstange die Fokuslage des Laserstrahles bei dem Härtungsvorgang sehr genau eingehalten.

[0009] Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn es sich bei der Ziehstange um die Ziehstange einer programmgesteuerten Nutenziehmaschine handelt, bei der die Ziehstange sehr genau auf einer definierten Bahn über einen Maschinenschlitten programmgesteuert durch das Waffenrohr gezogen werden kann. Die relative Fokuslage des Laserstrahles bleibt durch die mitgeführten Buchsen im Rohr immer konstant.

[0010] Da der Absorptionsgrad der Laserstrahlen eines ND:YAG-Laser etwa 30 - 35% höher ist als derjenige eines CO₂-Lasers, sind bei Verwendung eines ND:YAG-Lasers keine absorptionserhöhenden Coatingmittel erforderlich, so daß sich gegenüber einem CO₂-Laser homogenere Härteschichten ergeben.

[0011] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden anhand einer Figur erläuterten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt die Figur die Seitenansicht eines zu härtenden Waffenrohres in Verbindung mit einer Laseranlage und einer programmgesteuerten Nutenziehmaschine.

[0012] In der Fig. ist mit 1 das Waffenrohr bezeichnet, welches auf der Nutenziehmaschine 2 ausgerichtet und fixiert ist. Die Ziehstange 3 der Nutenziehmaschine erstreckt sich innerhalb des Waffenrohres 1 entlang deren Seelenachse 4 und stützt sich an der inneren Oberfläche 5 des Waffenrohres 1 über zwei Führungsbuchsen 6 und 7 ab.

[0013] An dem dem mündungsseitigen Ende 8 des Waffenrohres 1 zugewandten Ende 9 der Ziehstange 3 ist ein Laserkopf 10 angeordnet, welcher über eine Lichtleitfaser 11 mit einem Nd:YAG-Laser 12 (z.B. mit 2 kW Ausgangsleistung) verbunden ist. Außerdem ist der Laserkopf 10 über eine erste Schlauchleitung 13 mit einer Kühlvorrichtung 14 und über eine zweite Schlauchleitung 15 mit einer Schutzgasquelle 16 (z.B. mit Argon gefüllte Gasflasche) verbunden.

[0014] Der Laserkopf 10 umfaßt im wesentlichen einen Facettenspiegel 17, der den von der Lichtleitfaser 11 kommenden Laserstrahl auf die zu härtende innere Oberfläche 5 des Waffenrohres 1 fokussiert, und der aufgrund der im Betrieb auftretenden enormen Wärmeentwicklung durch ein Kühlmittel, welches über die Schlauchleitung 13 zugeführt wird, gekühlt werden kann. Der Laserkopf 10 ist ferner mit einer zweiten Rohr- oder Schlauchleitung 15 verbunden, über die ein Schutzgas beim Umwandlungshärten auf die erhitzte Oberfläche des Waffenrohres strömt und eine die Oberflächenqualität verschlechternde Oxidschichtbildung verhindert.

[0015] Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich sowohl gezogene Waffenrohre als auch Waffenrohre mit einem Glattrohrprofil umwandlungshärten. Dabei haben Versuche ergeben, daß sich Stahlrohre bis in eine Tiefe von 0,4 bis 0,8 mm umwandlungshärten lassen, wobei die gehärteten Oberflächenbereiche zwischen 600 und 750 HV aufwiesen.

[0016] Wie der Fig. zu entnehmen ist, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine elektronische Steuervorrichtung 18, mit der die Laserleistung geregelt wird und welche auf eine dem Laser 12 ausgangsseitig nachgeschaltete Verschlußeinheit 19 wirkt und den ordnungsgemäßen Betrieb der Laseranlage ständig überwacht, derart, daß im Falle eines Defektes, z.B. bei einem Faserbruch der Lichtleitfaser oder einer unterbrochenen oder zu geringen Kühlung des Facettenspiegels etc., den Härtungsvorgang des Waffenrohres unterbricht.

[0017] Wie in der Fig. durch die gestrichelte Linie 20 angedeutet ist, wird die elektronische Steuervorrichtung 18 vorzugsweise mit der Steuervorrichtung 21 für die Nutenziehmaschine verbunden. Dadurch wird einerseits die flexible Gestaltung von Bearbeitungszyklen und andererseits die Überwachung von sicherheitstechnischen Verriegelungen gewährleistet.

[0018] Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise zusätzlich zu den Rohr- oder Schlauchleitungen 13 und 15 eine dritte Rohr- oder Schlauchleitung vorgesehen sein, durch die Druckluft oder Stickstoff quer zur Strahlaustrittsöffnung des Laserkopfes geführt wird, um durch diesen gerichteten Gasstrom die Spiegeloptik und den Innenraum des Laserkopfes vor Verschmutzungen zu schützen.

Bezugszeichenliste

[0019] 

1

Waffenrohr

2

Nutenziehmaschine

3

Ziehstange

4

Seelenachse

5

Oberfläche

6,7

Führungsbuchsen

8

mündungsseitige Ende

9

Ende (Ziehstange)

10

Laserkopf

11

Lichtleitfaser

12

Laser

13

erste Schlauchleitung

14

Kühlvorrichtung

15

zweite Schlauchleitung

16

Schutzgasquelle

17

Facettenspiegel, Strahlumlenkoptik

18

elektronische Steuervorrichtung

19

Verschlußeinheit

20

gestrichelte Linie

21

Steuervorrichtung (Nutenziehmaschine)

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Härten der Innenkontur eines Waffenrohres (1) mit Laserstrahlung, wobei die Vorrichtung einen Laser (12) und einen entlang der Seelenachse (4) des Waffenrohres (1) verschiebbar anordbaren und eine Strahlumlenkoptik (17) enthaltenden Laserkopf (10) umfaßt, so daß die Laserstrahlung mündungsseitig in das Waffenrohr (1) einkoppelbar und mittels der Strahlumlenkoptik (17) senkrecht auf die innere Oberfläche (5) des Waffenrohres (1) führbar ist, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) bei dem Laser (12) handelt es sich um einen Nd:YAG-Laser;

b) der Laser (12) ist mit dem Laserkopf (10) über eine Lichtleitfaser (11) verbunden;

c) der Laserkopf (10) ist an dem mündungsseitigen Ende (8) einer im Waffenrohr (1) zentrierbaren und in Richtung der Seelenachse (4) des Waffenrohres (1) verschiebbaren Ziehstange (3) befestigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Strahlumlenkoptik (17) des Laserkopfes (10) um einen Facettenspiegel handelt, der die Laserstrahlung auf die innere Oberfläche (5) des Waffenrohres (1) fokussiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf (10) zur Kühlung der Strahlumlenkoptik (17) über eine mündungsseitig aus dem Waffenrohr (1) führbare Rohr- oder Schlauchleitung (13) mit einer Kühlvorrichtung (14) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf (10) über eine mündungsseitig aus dem Waffenrohr (1) führbare Rohr- oder Schlauchleitung (15) mit einer Schutzgasquelle (16) verbunden ist, und daß der Laserkopf (10) derart ausgebildet ist, daß das Schutzgas bei der Laserbestrahlung der inneren Oberfläche (5) des Waffenrohres (1) auf diese Oberfläche (5) strömt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Rohr- oder Schlauchleitung vorgesehen ist, durch die Druckluft oder Stickstoff führbar ist und deren Austrittsöffnung derart gewählt ist, daß das Gas quer zur Strahlaustrittsöffnung des Laserkopfes (10) austritt, um die Strahlumlenkoptik (17) und den Innenraum des Laserkopfes (10) vor Verschmutzungen zu schützen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuervorrichtung (18) vorgesehen ist, die die Laserleistung regelt und auf eine dem Laser (12) nachgeschaltete Verschlußeinheit (19) wirkt, derart, daß im Falle eines Defektes der Vorrichtung (Faserbruch, keine Kühlung etc) der Härtungsvorgang des Waffenrohres (1) unterbrochen wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Ziehstange (3) um die Ziehstange einer programmgesteuerten Nutenziehmaschine (2) handelt.

Zeichnung