Lasertechnik Bauteile selektiv mit dem Diodenlaser härten

Beim Laserstrahlhärten mit Hochleistungsdiodenlasern wird der Laserstrahl durch ein optisches System gebündelt und kann gezielt die zukünftigen Verschleißzonen am Bauteil abfahren. Wegen des geringen Wärmemengeneintrags und der hohen Prozessgeschwindigkeit benötigt der Prozess keine zusätzlichen Medien zur Abschreckung.

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Richtet man die Strahlung von Hochleistungsdiodenlasern direkt auf die Bauteiloberfläche, so erhitzt der Laserstrahl die dünne Oberflächenschicht des Bauteils kurzzeitig bis zur Austenitisierungstemperatur des Stahls (werkstoffabhängig, zwischen 900 und 1400 °C). Dabei ist die Schmelztemperatur eine kritische Größe, weil die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit weit über 1000 °C pro Sekunde beträgt.

Laserhärten benötigt nur kurze Haltezeit des Laserstrahls auf dem Werkstoff

Im Verfahren wird der Laserstrahl mittels eines optischen Systems gebündelt und beispielsweise zukünftige Verschleißzonen werden am Bauteil damit abgefahren. Die wechselbaren Optikeinstellungen ermöglichen es, den Laserstrahl so einzustellen, dass die erzeugte Härtespur genau der Werkstückgeometrie angepasst werden kann. Weil der Härtungsprozess nur dort stattfindet, wo der Laserstrahl auf das Material trifft, ist eine exakte Begrenzung auf die Verschleißbereiche möglich.

Das Verfahren benötigt nur eine sehr kurze Haltezeit des Laserstrahls auf dem Werkstoff. Infolge des geringen Wärmemengeneintrags, der hohen Prozessgeschwindigkeit und der raschen Wärmeableitung in das Bauteilinnere kommt es zur Selbstabschreckung der behandelten Fläche, sobald der Wärmeeintrag beendet ist. Dies führt zum Einfrieren des Härtegefüges, im Ergebnis liegt die Härte um den Faktor zwei bis drei über der des unbehandelten Werkstoffes.

Die Einhärtetiefe hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der Beschaffenheit des Bauteils und der damit verbundenen Selbstabschreckung. Die Laserstrahlhärtung ist für alle flamm- und induktivhärtbaren Werkstoffe einsetzbar. Sowohl Stahl als auch Stahlguss können mit diesem Verfahren gehärtet werden. Stahl kann mehr als 2 mm, Gusswerkstoffe können mehr als 1 mm tief eingehärtet werden. Die Voraussetzung für den Härtevorgang ist ein Mindestkohlenstoffgehalt im Gefüge von 0,25%. Zur Gewährleistung einer konstanten Randschichthärte muss der Werkstoff ein vergütetes Gefüge aufweisen. Beispiele für gut härtbare Werkstoffe sind C45, Cf53, 100Cr6, 42CrMo4, X155CrVMo12-1 oder GGG60.

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