DE102007056502B4

DE102007056502B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufbau von Eigenspannungen in einem metallischen Werkstück

Info

Publication number: DE102007056502B4
Application number: DE200710056502
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Lang; Eggert Dr. Reese; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2027-11-23
Also published as: US9096913B2; EP2065477A1; DE102007056502A1; EP2065477B1; US20090134130A1

Abstract

Verfahren zum Aufbau von Eigenspannungen in einem metallischen Werkstück durch Laser-Shock-Peening, enthaltend die Schritte:
– Aufbringen eines ersten Laserpulses an einem Behandlungsort des mit einer Oberflächenschicht bedeckten Werkstücks, wobei die Energie des ersten Laserpulses so angepasst ist, dass er zur Verdampfung der absorbierenden Oberflächenschicht und zum Ausbilden eines schwach ionisierten Vorplasmas führt;
– Vorsehen einer zeitlichen Pause ohne Laserpulsbeaufschlagung;
– Aufbringen eines zweiten Laserpulses an dem Behandlungsort des Werkstücks, wobei der zweite Laserpuls zeitlich zu dem ersten Laserpuls gestaffelt ist, wobei die zeitliche Staffelung und der zweite Laserpuls so angepasst sind, dass sie zur Ausbildung eines quasi-statischen Plasmas mit hoher Ionisation führen; und
– Vorsehen einer Deckschicht über dem Behandlungsort während des Aufbringens der Laserpulse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbau von Eigenspannungen in einem metallischen Werkstück durch sogenanntes Laser Shock Peening (LSP).
Laser Shock Peening (LSP) ist ein Verfahren, bei dem mittels Einwirkung eines gepulsten Laserstrahls in einem metallischen Werkstück Eigenspannungen aufgebaut werden können. Die Eigenspannungen im metallischen Werkstück sind oftmals erwünscht, da sie Ermüdungserscheinungen oder Rissausbreitung bei Belastung des Werkstücks vorbeugen können.
Herkömmlicherweise wird dabei das zu behandelnde Material vor dem Laser Shock Peening mit einer ablativen Oberflächenschicht beaufschlagt. Die Oberflächenschicht ist zum Beispiel eine Metallbeschichtung, eine Metallfolie oder ist aus organischen Materialien gebildet. Wenn der gepulste Laserstrahl auf diese Oberflächenschicht einwirkt, verdampft diese und wird in den Plasmazustand (Zustand mit Ionisation) überführt. Gleichzeitig mit dem Aufbringen des Laserpulses wird über dem Behandlungsort eine Deckschicht erzeugt, die beispielsweise durch fließendes Wasser gebildet wird. Diese Deckschicht trägt dazu bei, dass das transiente, durch die Einwirkung des Laserstrahls auf die Oberflächenschicht gebildete Plasma über einen Zeitraum, der in etwa der Pulsdauer entspricht, räumlich fixiert wird. Dieser quasi Gleichgewichtszustand wird jedoch durch den Plasmadruck durchbrochen, so dass die Deckschicht dem Plasmadruck nicht mehr standhalten kann und das Plasma frei expandiert. Dabei werden dynamische Impulse auf die Oberfläche des Werkstücks übertragen, die Stoßwellen hervorrufen, welche ihrerseits zur Induktion von Eigenspannungen im Werkstück führen.
Der Laserpuls mit einer Energie von beispielsweise 5 bis 50 J dient dabei sowohl der Verdampfung der Oberflächenschicht als auch der Plasmaausbildung. Die verwendeten Laserstrahlen haben herkömmlicherweise eine Pulsbreite von 10 bis 50 Nanosekunden (nsec).
Nach Bedarf und je nach Werkstückkonfiguration wird ein solcher Laserpuls räumlich versetzt, gleichzeitig oder zeitlich versetzt an verschiedenen Orten am Werkstück aufgebracht, indem z. B. das Werkstück und die Laserstrahlerzeugungseinrichtung zueinander relativ bewegt werden und jeweils identische Laserpulse auf verschiedene Orte am Werkstück einwirken.
Somit wirkt an einem Ort stets ein einziger Laserpuls ein, der ausreichend energetisch ist (durch Steuerung der Laserpulsenergie sowie der Pulsbreite), dass er zum Erzeugen und Ausbreiten des Plasmas führt und dass die induzierte Festkörperstoßwelle eine ausreichend hohe Stoßstärke hat, so dass im Werkstück die plastische Fließgrenze überschritten wird und damit die Eigenspannungen im metallischen Werkstück aufgebaut werden. Hauptsächlich wird das Verfahren zum Aufbau von Druckeigenspannungen an Oberflächenbereichen, das heißt in Tiefen bis zu 10 mm, zum Schutz vor Spannungs-Riss-Korrosion oder aber auch zur Umformung verwendet.
Aus der WO 95/25821 ist ein Laser-Shock-Peening (LSP) bekannt. Dieses Verfahren berücksichtigt die Tatsache, dass die reine Eigenspannung in einem Material null sein muss, wobei ausgleichende Zugeigenspannungen in einem Randbereich, der den Laserpunkt umgibt, erzeugt werden. Dieser Bereich der Eigenspannungen auf der Oberfläche eines Teils kann der Ort sein, an dem weitere Fehler in der Probe auftreten, wenn dieser Bereich nicht zu einem akzeptablen Wert reduziert wird. Da eine niedrige Energiefluenz generell eine niedrigere Ausgleichseigenspannung erzeugt, reduziert oder entfernt ein zweites LSP grundlegend den zugbelasteten Ausgleichsbereich, der durch die erste Laserbeaufschlagung erzeugt wurde, und ersetzt diesen Bereich durch einem niedrigeren Ausgleichszugbereich, der mit dem zweiten Schockbereich weit außerhalb des ermüdungskritischen Bereichs verbunden ist.
Aus der US 5,911,891 ist ein Verfahren zum Ändern von verbleibenden Druckspannungen in einem Bereich eines Werkstücks durch Aufbringen vieler Laserstrahlen auf das Werkstück bekannt. In einer Ausführungsform wird ein relativ lang andauernder Laserpuls auf das Werkstück aufgebracht, gefolgt von einem relativ kurz andauernden Laserpuls. Andere Ausführungsformen, die zum Erhöhen der gesamten Druckeigenspannungen eines Werkstücks dienen, beinhalten die Vermischung zweier Laserpulse oder die Trennung der Laserpulse zum Nutzen eines ersten kurzen Strahls kombiniert mit einem relativ lang andauernden Laserstrahl. Eine dritte Ausführungsform nutzt zwei oder mehr Laserstrahlen oder -pulse unterschiedlicher Wellenlängen.
Ein Verfahren und ein System zum Doppellaser-Shock-Peening eines Werkstücks ist aus der EP 1 122 321 A2 bekannt. Dieses Verfahren dient zum Definieren eines Fleckenmusters, das eine Vielzahl an Flecken auf einer ersten Oberfläche auf dem Werkstück, das gestrahlt werden soll, enthält. Dieses Verfahren dient weiter dazu, ein Fleckenmuster zu definieren, das eine Vielzahl an Flecken auf einer zweiten Oberfläche auf dem Werkstück, das gestrahlt werden soll, enthält. Die erste und die zweite Oberfläche enthalten relativ zueinander gegenüberliegende Oberflächen. Jeder der entsprechenden Flecken auf der zweiten Oberfläche ist so angeordnet, dass er einem entsprechenden Fleck auf der ersten Oberfläche entspricht, und enthält eine Vielzahl entsprechender Fleckenpaare. Ein Generierungsschritt erlaubt es, die doppelten Laserstrahlen, die entsprechend zum simultanen Eindringen in jedes entsprechende Fleckenpaar ausgerichtet sind, zu generieren.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufbau von Eigenspannungen in einem metallischen Werkstück unter Verwendung von Laser Shock Peening (LSP) bereit zu stellen, das die Energie des Laserstrahls besser ausnützt und somit zu gezielteren und stärkeren Stoßwellen im Werkstück, die wiederum die Induktion von Eigenspannungen hervorrufen, führt.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Eine Vorrichtung ist in Anspruch 15 angegeben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, an ein und demselben Behandlungsort des Werkstücks mindestens zwei zeitlich gestaffelte Laserpulse, ggf. mit einer kurzen Pause ohne Laserpulsbeaufschlagung zwischen den gestaffelten Laserpulsen, aufzubringen. Dadurch kann die durch den Laserstrahl eingebrachte Energie auf die in der Oberflächenschicht auftretenden physikalischen Vorgänge gezielt eingestellt werden, so dass beispielsweise durch den ersten Puls die Verdampfung bzw. Ablation der absorbierenden Schicht hervorgerufen wird und ein Vorplasma, das schwach ionisiert ist, ausgebildet wird. In diesem Beispiel kann der zweite Laserpuls so energetisch gesteuert sein, dass er die Ausbildung eines voll ausgebildeten, quasi statischen Plasmas, das ein nicht Gleichgewichtszustand mit hoher Ionisation ist, hervorruft und auch zur Expansion des Plasmas durch die Deckschicht und damit zur Induktion der Eigenspannungen im Werkstück führt.
Dabei sind die zeitlich gestaffelten und auf denselben Behandlungsort einwirkenden Laserpulse vorzugsweise durch unterschiedliche Energie gekennzeichnet. Bei Verwendung von zwei gestaffelten Pulsen ist dabei vorzugsweise der zweite Puls wesentlich höher energetisch als der erste Puls. Dadurch kann der erste Puls die Verdampfung, für die eine wesentlich geringere Energie benötigt wird als für die daran anschließende Ausbildung und Expansion eines instationären Plasmas mit vergleichsweise hoher Enthalpie, ein niedrig energetischer Laserpuls eingesetzt werden, während die verhältnismäßig hohe Energie des zweiten Laserpulses, die für die spätere Umwandlung der Plasmaenergie in überwiegend energetische Strömungsenthalpie erforderlich ist, sehr gut ausgenützt und vorwiegend für den Umwandlungs- und Expansionsvorgang des instationären Plasmas verwendet wird, ohne dass massive Strahlungsverluste oder starke (unnötige) Temperaturerhöhungen auftreten. Auch bei Verwendung von mehr als zwei Laserpulsen sollte in jedem Fall der Laserpuls, der für die Ausbildung und Expansion des instationären Plasmas bestimmt ist, verhältnismäßig hochenergetisch sein. Damit wird der Verdampfungs- und Plasmaheizungsprozess zeitlich entkoppelt, so dass die energetische Ausnutzung der Laserpulse besser und die Einwirkung auf das Werkstück gezielter ist.
Durch die Doppel- bzw. Mehrfachpulsanregung wird zudem durch einen zunächst verhältnismäßig moderaten Energieeinsatz das schwach ionisierte Primärplasma erzeugt. Dieser primäre Plasmazustand hat jedoch ein hohes Absorptionsvermögen für die Strahlung des sekundären Laserpulses, so dass ein weitaus höherer Anteil der einfallenden Laserstrahlung effektiv in Plasmaenthalpie umgesetzt werden kann, als es bei einer herkömmlichen Einzelpulsanregung möglich ist. Die entstehenden Verluste durch Reflexion, der Durchgang des Laserpulses unausgenutzt zur Metalloberfläche über ein anfänglich optisch dünnes Plasma sowie durch Konvektion und auch Strahlung können somit minimiert werden.
Die Laserpulse haben beispielsweise einen zeitlichen Abstand von 5 bis 100 nsec.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Laserpulse unmittelbar aufeinander, das heißt ohne zeitlichen Versatz, folgen zu lassen. Allerdings ist es deutlich bevorzugt, einen Zeitraum von 5 bis 100 nsec zwischen den Laserpulsen vorzusehen, da dann durch entsprechende Abstimmung der Laserpulse, des zeitlichen Abstands und der Anzahl der Laserpulse gezielt auf die einzelnen bei der Ausbildung des Plasmas und im Plasma ablaufenden Vorgänge eingewirkt und jeder Laserpuls auf einem bestimmten Zustand des Plasmas abgestimmt werden kann.
Vorzugsweise sind die Pulsformen der zeitlich gestaffelten Laserpulse ebenfalls unterschiedlich. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Laserpulse unterschiedliche Anstiegsflankenformen haben. Damit kann neben der Steuerung der Energie der Laserpulse mittels ihrer Breite (zeitlich) und Energie, die jeweils unterschiedlich oder gleich sein können, auch durch Wahl einer geeigneten Anstiegsflanke gezielt auf die energetischen Prozesse eingewirkt werden.
Vorzugsweise werden die unterschiedlichen energetischen Zustände der gestaffelt einwirkenden Laserpulse durch deren zeitliche Breite und/oder Energie erzeugt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden mehr als zwei zeitlich gestaffelte Laserpulse auf denselben Behandlungsort aufgebracht und wirken dort ein. In diesem Fall ist die energetische Steuerung noch günstiger.
Wie beim herkömmlichen Einzelpulsverfahren kann auch bei Doppel- bzw. Mehrfachpulsverfahren gemäß der Erfindung umspülendes fließendes Wasser als Deckschicht verwendet werden. Dies ist eine verhältnismäßig kostengünstig zu erzeugende und einfach zu entsorgende Deckschicht.
Die zeitlich gestaffelten Laserpulse können durch einen einzigen Laser oder aber durch für jeden Laserpuls unterschiedlichen Laser vorgesehen werden. Gerade bei der bevorzugten Verwendung von mehreren Bearbeitungslasern zur Erzeugung der gestaffelten Laserpulse ist es einfach möglich, unterschiedliche Pulsformen, unterschiedliche Energien der Pulse usw. darzustellen. Auch bei Verwendung mehrerer Bearbeitungslaser wirken diese jedoch zeitlich gestaffelt auf den gleichen Bearbeitungsort am Werkstück ein.
Das Verfahren, das vorzugsweise weiter den Schritt des Aufbringens der zu verdampfenden Oberflächenschicht vor dem Aufbringen des ersten Laserpulses enthält, die beispielsweise durch Metallbeschichtung, Aufbringen einer Metallfolie oder Aufbringen von organischem Material erzeugt wird, kann nach Bedarf und je nach Werkstück, in das die Eigenspannungen einzubringen sind bzw. an dem die Umformung zu erzeugen ist, an mehren Orten des Werkstücks wiederholt werden, um z. B. eine großflächigere Verfestigung zu erzielen, wobei jedoch dann an jedem Ort ein Doppel- oder Mehrfachpuls einwirkt.
Nachfolgend wird die Wirkweise des Verfahrens beschrieben.
Beim Laser Shock Peening ist es erforderlich, eine möglichst hohe primäre Plasmaenthalpie zu erreichen, für einen Zeitraum, in dem das Plasma durch die Deckschicht, beispielsweise fließendes Wasser, weitgehend stabilisiert wird. Wird ein einziger Laserpuls zur Verdampfung des Ablationsmaterials und zum Erzeugen eines transienten Hochdruckplasmas (mit Spitzendrücken, die bis zu über 10 bar reichen) verwendet, so ist dies energetisch nicht optimal, da für die Verdampfung und primäre Plasmaerzeugung eine geringere Energie benötigt wird als für die darauf folgende Ausbildung eines instationären Plasmas mit vergleichsweise hoher Enthalpie.
In der primären Plasmaphase erfolgt nämlich bereits eine gewisse Impulsübertragung auf das Werkstück über einen instationären Druckgradienten. Dies kann bereits primäre Verdichtungsstöße induzieren. Allerdings ist dieser Prozess kaum steuerbar und nicht besonders effektiv und somit nicht geeignet, signifikante und gezielte Druckeigenspannungen auszubilden. Die eigentliche Phase der Induktion von Druckeigenspannungen beginnt mit der Expansion des Plasmas (dem strömenden Plasma) nach der quasi statischen Anfangsphase, in der die Deckschicht die Expansion begrenzt. Beim Durchbrechen der Deckschicht wird eine Überschallplasmaströmung erzeugt, deren rückwirkender dynamischer Impuls die Stoßwelle auslöst, die das Werkstück, insbesondere dessen metallisches Material, über die plastische Fließgrenze hinaus deformiert und somit auch nach Abfall des Plasmas und Relaxion Druckeigenspannungen hinterlässt.
Es hat sich gezeigt, dass dieser Prozess umso effektiver ist, je höher die ursprüngliche Enthalpie (definiert über Druck und Temperatur) des primären Plasmas ist, und wie diese in kinetische Strömungsenthalpie überführt werden kann, was in der Phase des expandierenden und schnell strömenden, die Deckschicht durchbrechenden Plasmas geschieht.
Somit lassen sich die ablaufenden Einzelprozesse beim Laser Shock Peening wie folgt einteilen:

– Primäre Verdampfung (Ablation) der absorbierenden Schicht;
– Ausbildung eines Vorplasmas, das schwach ionisiert ist;
– Ausbildung eines voll ausgebildeten, quasi statischen Plasmas, das ein Nichtgleichgewichtszustand mit hoher Ionisation ist; und
– Expansion des Plasmas durch die Deckschicht.

Durch das Aufbringen von mindestens zwei zeitlich gestaffelten Pulsen auf den gleichen Werkstückort kann vermieden werden, dass Laserenergie in den Plasmazustand in der Expansionsphase übertragen wird. Dies ist nämlich ineffektiv, da die Prozesse unterschiedliche zeitliche Entwicklungsstufen besitzen und die in der Expansionsphase in den Plasmazustand eingebrachte Energie nicht in kinetische Energie (zur Ausbildung des voll ausgebildeten quasi statischen Plasmas) sondern beispielsweise in Temperatur oder Strahlungsenergie umgesetzt wird und somit einen Energieverlust darstellt.
Daher bietet es sich an, einen Abstand von 5 bis 100 nsec zwischen den einzelnen Laserpulsen vorzusehen, so dass die zeitliche Überführung des sich ausbildenden Plasmas in die einzelnen Stufen ohne Energie zu Zeitpunkten einzubringen, zu denen sie nicht umgesetzt werden kann, möglich ist, und zudem die Energien der Laserpulse angepasst an den gerade ablaufenden Teilprozess festgesetzt werden können.

Claims

Verfahren zum Aufbau von Eigenspannungen in einem metallischen Werkstück durch Laser-Shock-Peening, enthaltend die Schritte: – Aufbringen eines ersten Laserpulses an einem Behandlungsort des mit einer Oberflächenschicht bedeckten Werkstücks, wobei die Energie des ersten Laserpulses so angepasst ist, dass er zur Verdampfung der absorbierenden Oberflächenschicht und zum Ausbilden eines schwach ionisierten Vorplasmas führt; – Vorsehen einer zeitlichen Pause ohne Laserpulsbeaufschlagung; – Aufbringen eines zweiten Laserpulses an dem Behandlungsort des Werkstücks, wobei der zweite Laserpuls zeitlich zu dem ersten Laserpuls gestaffelt ist, wobei die zeitliche Staffelung und der zweite Laserpuls so angepasst sind, dass sie zur Ausbildung eines quasi-statischen Plasmas mit hoher Ionisation führen; und – Vorsehen einer Deckschicht über dem Behandlungsort während des Aufbringens der Laserpulse.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Pause zwischen dem ersten und dem zweiten Laserpuls 5 bis 100 nsec beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserpuls eine zum ersten Laserpuls unterschiedliche Energie aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse unterschiedliche Pulsformen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich gestaffelten Laserpulse unterschiedliche Anstiegsflankenformen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich gestaffelten Laserpulse unterschiedliche zeitliche Breite haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei zeitlich gestaffelte Laserpulse auf den Behandlungsort aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht durch Umspülen des Werkstücks vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umspülen des Werkstücks fließendes Wasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Laser vorgesehen wird, aus dem die Laserpulse abgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen jedes der zeitlich gestaffelten Laserpulse ein separater Laser vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter enthaltend den Schritt des Aufbringens der Oberflächenschicht vor dem Aufbringen des ersten Laserpulses durch Metallbeschichtung, Aufbringen einer Metallfolie oder von einem organischen Material.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an verschiedenen Behandlungsorten des Werkstücks wiederholt wird.
Vorrichtung enthaltend eine Werkstückspanneinrichtung, mindestens einen Laser und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Relativbewegung zwischen eingespanntem Werkstück und Laser, wobei die Steuereinrichtung angepasst ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.