Arbeiten zur Optimierung des Umwandlungshärtens mit by Thomas Rudlaff

By Thomas Rudlaff

Derzeit werden zum Laserstrahlharten grosstenteils C0 -Laser im Multikilowattbereich 2 eingesetzt. Die Strahlformung geschieht in der Regel durch Anwendung von Integratoroptiken oder durch Defokussierung von Schneid- oder Schweissoptik: en. Sie ist damit im Vergleich mit den sonstigen Eigenschaften des Lasers, der als sehr flexibles Werkzeug gelten darf, relativ starr. Fur die Bearbeitung unterschiedlicher Bauteilgeometrien werden meist verschiedene Be arbeitungsoptik: en benotigt. Ein Wechsel der Bearbeitungsgeometrie wahrend des Prozesses ist deshalb oft nicht moglich. Die Bearbeitung geschieht in der Regel unter senkrechtem Einfall, wodurch die Anwendung von absorbierenden Schichten notig wird, die vor der Bearbeitung aufgebracht und meist auch danach wieder entfernt werden mussen. Diese Schichten verur sachen zusatzliche Arbeitsgange, die schwer zu automatisieren sind. Sie liefern allerdings hohe Absorptionswerte. Oft werden solche Schichten manuell auf die Werkstuckoberflache aufgebracht, wodurch eine gleichmassige Schichtdicke nur bedingt gewahrleistet werden kann. Dies fuhrt zu Unregelmassigkeiten in der Absorption und im Harteergebnis. Andere Storungen der Hartung entstehen durch Warmestaus bei Anderungen in der Werkstuckgeometrie wie z. B. bei Kanten, Materialstarkenanderungen und Durchbruchen. Bei solchen Gegebenheiten muss die Laserleistung im Prozess verandert werden, um eine Hartung ohne Ober: flachenanschmel zung zu gewahrleisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Verfahren aufgezeigt und untersucht, mit denen die Moglichkeiten des Laserhartens besser ausgenutzt werden konnen bzw. das Laserharten als Verfahren flexibler und sicherer einsetzba

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Aus diesem Grund kann eine Variation der Schichtdicke über der Tiefe durchgeführt werden. )·~z der Mittelebenenzweier (31) 2 Bei dieser Schichtdickenänderung im Rechennetz muß beachtet werden, daß bei der Berechnung nicht mehr von dem allgemeinen PD-Ansatz ausgegangen werden kann, da der Abstand zweier aufeinanderfolgender Netzpunkte und die Höhe der dazugehörenden Volumenelemente nicht mehr gleich sind. Statt dessen muß die zeitliche Änderung der Temperatur aus dem Fouriergesetz der WänDeleitung und der Definition der WänDekapazität hergeleitet werden.

Ein charakteristischer Unterschied zu konventionellen Wärmebehandlungsverfahren sind dabei die hohen Temperaturgradieten (ca. 10" K/s), die bei denAufheiz-und Abkühlraten im Material auftreten. Generell können alle Werkstoffe lasergehärtet werden, die auch mit herkömmlichen Verfahren härtbar sind. Die erforderlichen Umwandlungstemperaturen des Eisenwerkstoffes können dem Eisen-Kohlenstoff Diagranm (Bild 20) entnommen wetden und sind von der Zusammensetzung des verwendeten Materials abhängig [50].

Dort wurde durch eine Simulationsrechnung ein optimales Strahlprofil zum effizienten Laserhärten ermittelt, bei dem die Oberflächentemperatur im bestrahlten Bereich nahezu konstant knapp unter Schmelztemperatur gehalten wird. B. bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 10 nun/sec wie in Bild 26 dargestellt aus. 2 Optimierungsvorschläge 59 Intensitätsverteilung ist ein Maximum, das die Oberflächentemperatur sehr schnell auf einen hohen Wert ansteigen läßt. Anschließend muß dieser Wert gehalten werden; dazu wird eine geringere Intensität benötigt.

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