Hochleistungs-Diodenlaser zum Härten selektiver Oberflächen

Hochleistungs-Diodenlaser eignen sich zum selektiven Randschichthärten. Das gilt vor allem bei komplex geformten Bauteilen mit besonderen Funktionsflächen, bei denen man mit konventionellen Verfahren...

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Hochleistungs-Diodenlaser eignen sich zum selektiven Randschichthärten. Das gilt vor allem bei komplex geformten Bauteilen mit besonderen Funktionsflächen, bei denen man mit konventionellen Verfahren kein optimales Ergebnis erzielt. Vorteilhaft ist auch der Einbau in bestehende Fertigungsanlagen. Aufgrund der flexiblen Temperaturregelung und Strahlformung sind die Laser für Kleinserien prädestiniert.Ergänzend zu den traditionellen Härteverfahren wie Flamm-, Induktions- und Ofenhärten bietet das Laserstrahlhärten Anwendungsmöglichkeiten, die beim Randschichthärten über die bisherigen Anwendungen hinausgehen. Dabei kommt dem Verfahren das Prinzip der lokal begrenzten Oberflächenerwärmung zugute.Das Prinzip der Laserstrahlhärtung beruht auf dem Energieeintrag durch direkt gerichtete Strahlung auf die Bauteiloberfläche. Der Laserstrahl erwärmt kurzzeitig eine lokal begrenzte dünne Oberflächenschicht mit einem Temperaturgradienten von mehr als 1000 K pro Sekunde. Während der kurzen Haltezeit zur Energieeintragung homogenisiert die Kohlenstoffverteilung im Werkstoff. Eine Austenitisierungsfront breitet sich unter der Werkstückoberfläche aus. Aufgrund der schnellen Wärmeableitung in das Bauteilinnere kommt es zur Selbstabschreckung, sobald der Wärmeeintrag beendet ist. Deshalb sind keine zusätzlichen Medien wie Wasser, Öl oder Druckluft zur Abschreckung des Bauteils notwendig. Die Laserstrahlhärtung kann für alle härtbaren Bauteilwerkstoffe angewandt werden.Die spurweise Härtung ist der wesentliche Unterschied der Laserstrahlhärtung gegenüber traditionellen Härteverfahren. Nebeneinander liegende Spuren benötigen einen minimal notwendigen Härtezonenabstand von 1,0 bis 1,5 mm. Überlappen sich die Spuren, erfolgt ein Anlassen der jeweils vorherigen Härtespur. Die Einhärtetiefe ist bei Werkstücken aus Kohlenstoffstählen in der Regel auf maximal 1,5 mm beschränkt. Zwischen dem Laserkopf und der zu härtenden Werkstückoberfläche ist ein freier Arbeitsraum für die direkte Einstrahlung notwendig, damit ausreichend Energie in die Randschicht gelangt.Die technische Entwicklung des Hochleistungs-Diodenlasers (HLDL) mit derzeit bis zu 6 kW Ausgangsleistung ermöglicht heute eine Anwendung beim Randschichthärten. Diesbezüglich hat diese Variante eine Reihe von gerätetechnischen Vorteilen gegenüber anderen Laserbauarten:- Die Baugröße ist gering. Grund dafür ist unter anderem die kompakte Versorgungseinheit.- Der technische Aufbau ist vergleichsweise einfach.- Der laseroptische Wirkungsgrad ist mit etwa 50% deutlich höher als bei einem CO2-Laser (rund 10%) und einem Nd:YAG-Laser (etwa 3%).- Die Strahlabsorption auf spanend bearbeiteten Stahloberflächen beträgt etwa 40 bis 85% und ist damit gegenüber der von einem CO2-Laser (etwa 8 bis 15%) höher. Damit kann im Gegensatz zum CO2-Laser auf eine absorptionserhöhende Oberflächenbeschichtung verzichtet werden.Geringer Werkstückabstand ist generell nicht hinderlichIn manchen Anwendungsfällen ist der geringe Arbeitsabstand vom Laserkopf zur Werkstückoberfläche von etwa 40 bis 80 mm nachteilig. Generell schränkt der geringe Arbeitsabstand jedoch die Anwendung des Hochleistungs-Diodenlasers beim Randschichthärten nicht wesentlich ein:- So können einzelne Werkstückoberflächen selektiv gehärtet werden. Es entsteht eine bereichsweise harte Oberfläche (Härtetiefe 0,1 bis 1,5 mm) mit zähem Kern und unbeeinflussten Bereichen in unmittelbarer Nachbarschaft.- Härtespuren an Schnittkanten, Führungsbahnen, Nuten und Freiformflächen mit kontinuierlichen Geometrieübergängen lassen sich erzeugen.- Schwer zugängliche Bauteiloberflächen, zum Beispiel bei gekröpften Nuten, Rillen und Innenflächen, können gut gehärtet werden.- Punkthärtungen an Noppen und in Sacklochbohrungen sind möglich.- Das Härten dünner verzugsgefährdeter Bauteile wie Kolben- und Dichtringe bereitet aufgrund des punktuellen schnellen Temperatureintrags bei extrem kurzer Verweildauer keine Schwierigkeiten.Aufgrund des kleinen Laserkopfs und der getrennt von der Maschine aufgestellten Steuerung und Kühlung lässt sich eine sehr einfache Strahlführung für 3D-Anwendungen bis hin zur Mehrstrahlanwendung realisieren. Als Führungsmaschine für den Hochleistungs-Diodenlaser sind einerseits CNC-gesteuerte Dreh- oder Fräsmaschinen, andererseits Roboter geeignet. Der Hochleistungs-Diodenlaser kann ohne Schwierigkeiten in bestehende Anlagen integriert werden.Für Anwendungen in der Industrie wurde auf der Basis einer 4-Achs-CNC-Fräsmaschine eine Härteanlage mit einem Hochleistungs-Diodenlaser entwickelt, die folgende Merkmale hat: Sie ist eine preiswerte Maschine für das Job-Shop-Randschichthärten. Vorteile ergeben sich vor allem bei Anwendungen in der Klein- und Mittelserienfertigung. Das Anwendungsspektrum ist breit gestreut. So kann die Ausstattung der Diodenlaser-Härteanlage den Wünschen des Kunden angepasst werden. Generell lässt sich die CNC der Anlage einfach bedienen.Kleinflächen komplexer Teile können gehärtet werdenBauteilseitig ist diese Hochleistungs-Anlage besonders gut geeignet zum Härten von kleinen Funktionsflächen an kompliziert geformten größeren Bauteilen, von direkt einstrahlbaren Bauteil-Innenflächen und -Hinterschneidungen, von verzugsgefährdeten Bauteilen und 3D-gekrümmten Oberflächen. Eine bedeutende Verbesserung der Prozessfähigkeit und -flexibilität für das Laserstrahlhärten im Serieneinsatz bringen zusätzliche Optionen:- So kann mit einer Genauigkeit von ± 5 K die Bauteiloberfläche temperaturgeregelt gehärtet werden (Temperaturregeleinheit Lompoc Pro). Dazu sind intern oder extern Pyrometer angeordnet, um Abweichungen von der Bauteilgeometrie und Schwankungen des Oberflächenzustands (Verschmutzung, Öl, Rost) ausgleichen zu können.- Der Härtetiefenbereich von 0,1 bis 1,5 mm lässt sich sicher mit optimierten Parametern für den Austenitisierungsprozess beherrschen.- Einfaches Teachen der Bauteilgeometrie ist möglich.- Die Qualitätskontrolle während des Härteprozesses geschieht durch automatische parallele Dokumentation der Prozessdaten.- Ein CNC-Postprozessor ermöglicht die Erstellung effektiver CNC-Programme- mit Berechnung der Bahnfeinkontur, Optimierung der Vorschubgeschwindigkeit und Berücksichtigung der Wärmeableitung an Kanten und Krümmungen. Das gilt auch für das Härten von Werkstücken in Kleinserien- Der CNC-gesteuerte Laserstrahl wird während des Härteprozess mit Hilfe eines zusätzlichen Zoomobjektivs flexibel geformt. Dabei kann die Spurbreite in Abhängigkeit vom installierten Lasertyp von derzeit 1,2 bis 12 mm stufenlos verstellt werden.- Blankhärten ohne Anlassfarben ist mit einer Sonderdüse möglich.Opimierte Temperaturregelung für reproduzierbare ProzesseBesonders das Regelsystem Lompoc Pro (Laser-Online-Monitoring-Power Control-Program) zur Oberflächentemperierung ist ein unentbehrliches Werkzeug, um optimale und reproduzierbare Härteergebnisse zu erzeugen. Dazu wird mit einem kalibrierten Infrarotstrahlungs-Pyrometer die tatsächliche Oberflächentemperatur gemessen. Ein schneller, PC-integrierter Softwareregler gibt in einer Taktzeit von 30 µs Sollwerte an den Laser weiter. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit der Temperaturregelung im Wesentlichen vom Pyrometer und der Ansprechzeit des Lasers bestimmt.Aufgrund der gesteuerten variablen Messfleckpositionierung können zum Beispiel kritische Oberflächenbereiche wie Werkzeugkanten vor Überhitzung und Anschmelzung bewahrt und somit optimal gehärtet werden. Die anwendungsspezifisch einstellbare automatische Datenablage stellt zudem wichtige Prozessdaten für ein Qualitätssicherungssystem zur Verfügung. An der Diodenlaser-Härteanlage des Herstellers Alotec, Dresden, werden auf der Hannover-Messe (Halle 7, Stand A 12) Vorführungen zum Randschichthärten gezeigt.