Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten der Innenkontur eines Waffenrohres mit Laserstrahlung.
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.
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.
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 Innenfläche des Waffenrohres geleitet.
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.
Aus der EP 0 406 043 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit Hilfe derer defekte Rohre eines Druckwasser-Reaktors repariert werden können. Hierzu wird in den defekten Rohrbereich des jeweiligen Rohres eine Hülse eingebracht und mit der Innenwand mittels Laserlichtes verschweißt. Die bekannte Vorrichtung umfaßt einen Nd:YAG-Laser und einen entlang der Rohrachse verschiebbar anordbaren und eine Strahlumlenkoptik enthaltenden Laserkopf, welcher mit dem Laser über eine Lichtleitfaser verbunden ist. Der Laserkopf ist an einer im Rohr zentrierbaren und in Richtung der Rohrachse verschiebbaren Ziehstange befestigt.
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 bestimmungsgemäßen Verwendung eine Vergrößerung des Bearbeitungsraumes verbunden ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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 einer programmgesteuerten Nutenziehmaschine die Fokuslage des Laserstrahles bei dem Härtungsvorgang sehr genau eingehalten. Mit Hilfe der programmgesteuerten Nutenziehmaschine kann die Ziehstange sehr genau auf einer definierten Bahn über einen Maschinenschlitten programmgesteuert durch das Waffenrohr gezogen werden. Die relative Fokuslage des Laserstrahles bleibt durch die mitgeführten Buchsen im Rohr immer konstant.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.