DE102008020794B4

DE102008020794B4 - Verfahren zum Laserhärten von Stahlwerkstücken und dazugehörige Laserhärteanlage

Info

Publication number: DE102008020794B4
Application number: DE102008020794.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Zornhagen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: DE102008020794A1

Abstract

Laserhärteanlage für das Laserhärten von Stahlwerkstücken (10) mit einer Kühlvorrichtung, die vor, während oder nach der Laserbehandlung zur Kühlung des Stahlwerkstücks (10) im zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) oder daran angrenzenden Bereichen dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung eine erste, zweite und dritte Düsenanordnung umfasst, wobei – die erste Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass ein erstes Kühlmedium über eine Düse (14) vorauseilend auf einen Bereich des Stahlwerkstücks (10) leitbar ist, der an den zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) grenzt; – die zweite Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass während der Laserbehandlung ein zweites Kühlmedium über eine Düse (16) auf den zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) leitbar ist und – die dritte Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass ein drittes Kühlmedium über eine Düse (18) nacheilend auf den durch Laserbehandlung erwärmten Bereich des Stahlwerkstücks (10) leitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserhärten von Stahlwerkstücken und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Laserhärteanlage mit einer Kühlvorrichtung, die vor, während oder nach der Laserbehandlung zur Kühlung des Stahlwerkstücks im zu härtenden Bereich oder daran angrenzenden Bereichen dient.
Die gezielte lokale Wärmebehandlung durch Laserstrahlung von Stahlwerkstücken ermöglicht eine selektive Ertüchtigung oder Veredelung von beanspruchten Randschichten bei weitgehend unbeeinflusstem Grundwerkstoff. Dadurch entstehen verschleißfestere, reibungsärmere und korrisions- sowie temperaturbeständigere Oberflächen. Weiterhin ist es möglich, für Konstruktionen preiswerte Trägerwerkstoffe auszuwählen und nur besonders beanspruchte Bereiche partiell zu bearbeiten.
Ein wichtiges Wärmebehandlungsverfahren ist das martensitische Härten oder Umwandlungshärten. Dabei wird das Werkstück auf Austenitisierungstemperatur gebracht, aber nicht aufgeschmolzen. Im Unterschied zu herkömmlichen Härteverfahren, zum Beispiel Induktions- oder Flammhärten, wird nur ein relatives kleines Gebiet des Werkstückes sehr intensiv erwärmt. Aufgrund des großen Temperaturgradienten zum Grundwerkstoff erfolgt die Abkühlung durch Wärmeleitung so rasch, dass die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit überschritten wird, ohne dass eine externe Abschreckung notwendig wäre. Dieser Vorgang wird als Selbstabschreckung bezeichnet.
Für das Wärmebehandlungsverfahren können Laser genutzt werden. Die Vorteile des Laserhärtens liegen in der Möglichkeit, lokale begrenzte Einhärtungen bei geringem Verzug des Werkstücks vorzunehmen. Aufgrund der großen Aufheizgeschwindigkeit bildet sich bei der Laserstrahlhärtung eine besonders feinnadelige Gefügestruktur aus, wodurch sich bessere Zähigkeitseigenschaften ergeben. Eine Nachbearbeitung der Oberfläche ist meist nicht erforderlich. Die Behandlungszeit ist gegenüber konventionellen Verfahren relativ gering und liegt bei wenigen Zehntelsekunden bis zu einigen Sekunden. Es können auch schwer zugängliche Stellen bei komplizierten Formen gehärtet werden. Durch das Aufbringen von absorbierenden Schichten kann die Energieeinkopplung noch wesentlich erhöht werden. Man verwendet dazu meistens Grafit, welches in dünnen Schichten von zehn bis einhundert Mikrometern aufgesprüht wird. Zu beachten ist, dass diese Beschichtungen durch den Wärmeeinfluss chemisch reagieren können, was zu einer zeitlich abnehmenden Wirksamkeit führt. Eine Alternative bietet Ruß, der durch eine rußende Flamme aufgebracht werden kann.
Bei abnehmender Dicke des Werkstückes kann es dennoch zur Überhitzung durch Wärmestau kommen. Als Folge funktioniert die Selbstabschreckung nicht mehr. Um dies zu vermeiden, kann die Laserleistung geregelt werden, indem eine Temperatur der Materialoberfläche erfasst wird. Zur Temperaturmessung der Materialoberfläche werden so genannte Pyrometer benutzt, die auf Strahlungsintensität und Wellenlänge des erhitzten Werkstoffes reagieren. Bekannt ist ferner, zur externen Kühlung Wärmesenken, zum Beispiel in Form angelegter Kupferkühlleisten, vorzusehen oder gekühlte Gase oder Fluide zur externen Kühlung zuzuführen.
Es ist demnach bekannt, Stahlwerkstücke mittels Laserbehandlung zu härten. Mit Hilfe des Lasers wird das Stahlwerkstück im zu härtenden Bereich, der im austenitischem Gefüge vorliegt, auf Austenitisierungstemperatur erwärmt. Durch anschließende rasche Abkühlung wird der so behandelte Bereich in ein martensitisches Gefüge überführt, das eine gegenüber dem austenitischen Gefüge größere Härte aufweist. Es ist weiterhin bekannt, das Laserhärten mit Hilfe einer Laserhärteanlage durchzuführen, bei der mittels einer steuerbaren Kühlvorrichtung für die Gefügeumwandlung optimale Temperaturen eingeregelt werden.
Trotz der erreichten Fortschritte sind nach bisheriger Verfahrensführung ausgelegte Laserhärteanlagen in Einhärtetiefe und Laserspurbreite durch eine drohende Überhitzung infolge eines Wärmestaus limitiert. Hier setzt die Erfindung an.
Die Erfindung geht aus von einer Laserhärteanlage für das Laserhärten von Stahlwerkstücken mit einer Kühlvorrichtung, die vor, während oder nach der Laserbehandlung zur Kühlung des Stahlwerkstücks im zu härtenden Bereich oder daran angrenzenden Bereichen dient. Die Laserhärteanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung eine erste, zweite und dritte Düsenanordnung umfasst, wobei

– die erste Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass ein erstes Kühlmedium über eine Düse vorauseilend auf einen Bereich des Stahlwerkstücks leitbar ist, der an den zu härtenden Bereich des Stahlwerkstücks grenzt;
– die zweite Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass während der Laserbehandlung ein zweites Kühlmedium über eine Düse auf den zu härtenden Bereich des Stahlwerkstücks leitbar ist und
– die dritte Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass ein drittes Kühlmedium über eine Düse nacheilend auf den durch Laserbehandlung erwärmten Bereich des Stahlwerkstücks leitbar ist.

Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe einer speziellen Kühlvorrichtung, die insgesamt drei unabhängig voneinander agierende Düsenanordnungen umfasst, eine wesentliche Verbesserung der Verfahrensführung mit Hinsicht auf die Einhärtetiefe und Laserspurbreite erreicht werden kann. Dazu umfasst die Kühlvorrichtung eine erste Düsenanordnung, die vorauseilend ein erstes Kühlmedium auf einen an den zu härtenden Bereich des Stahlwerkstücks grenzenden Bereich des Stahlwerkstücks leitet. Mit anderen Worten, benachbarte Bereiche der Härtezone werden vorgekühlt. Damit kann erreicht werden, dass die Wärmeabfuhr aufgrund eines höheren Wärmegradienten zwischen Härtebereich und benachbarten Bereichen verstärkt wird und damit auch eine Einhärtetiefe und Laserspurbreite erhöht werden kann.
Die Kühlvorrichtung umfasst weiterhin eine zweite Düsenanordnung. Diese zweite Düsenanordnung ist so ausgelegt, dass sie während der Laserbehandlung ein zweites Kühlmedium über eine Düse auf den zu härtenden Bereich des Stahlwerkstückes leitet. Die zweite Düsenanordnung ist vorzugsweise regelbar ausgelegt, wobei als Regelgröße eine Temperatur der Materialoberfläche mit Hilfe eines Pyrometers in an sich bekannter Weise erfasst wird. Mit anderen Worten, mit Hilfe der zweiten Düsenanordnung wird die Einstellung der Austenitisierungstemperatur in der Härtezone geregelt.
Weiterhin umfasst die Kühlvorrichtung eine dritte Düsenanordnung, die nacheilend ein drittes Kühlmedium über eine Düse auf den durch Laserbehandlung erwärmten Bereich des Stahlwerkstücks leiten kann. Hierdurch kann zusätzlich das für das Umwandlungshärten notwendige rasche Abkühlen der auf Austenitisierungstemperatur erwärmten Härtezone sichergestellt werden. Es erfolgt eine zusätzliche Umwandlung von Restaustenit.
Vorzugsweise ist die erste und/oder dritte Düsenanordnung so ausgelegt, dass das Kühlmedium von einer dem härtenden Bereich abgewandten Seite des Stahlwerkstücks angeströmt wird.
Als erstes, zweites oder drittes Kühlmedium kann zum Beispiel gekühlter Stickstoff Einsatz finden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Laserhärten von Stahlwerkstücken mittels einer Laserhärteanlage mit einer Kühlvorrichtung, die vor, während oder nach der Laserbehandlung zur Kühlung des Stahlwerkstücks im zu härtenden Bereich des Stahlwerkstücks oder daran angrenzenden Bereichen dient. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Bereitstellen einer Kühlvorrichtung, die eine erste, zweite und dritte Düsenanordnung umfasst;
– vorauseilendes Leiten eines ersten Kühlmediums über eine Düse der ersten Düsenanordnung auf einen Bereich des Stahlwerkstücks, der an den zu härtenden Bereich des Stahlwerkstücks grenzt;
– Leiten eines zweiten Kühlmediums über eine Düse der zweiten Düsenanordnung auf den zu härtenden Bereich des Stahlwerkstücks;
– nacheilendes Leiten eines dritten Kühlmediums über eine Düse der dritten Düsenanordnung auf den durch Laserbehandlung erwärmten Bereich des Stahlwerkstücks.

Das erste und/oder dritte Kühlmedium wird vorzugsweise von einer dem härtenden Bereich abgewandten Seite des Stahlwerkstücks zugeführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 stark schematisiert eine erfindungsgemäße Laserhärteanlage und
2 stark schematisiert eine Draufsicht auf einen Anlagenkopf einer Laserhärteanlage.
1 zeigt stark schematisiert einen Ausschnitt aus einer Laserhärteanlage für das Laserhärten eines Stahlwerkstücks 10. Die Laserhärteanlage umfasst einen Anlagenkopf 12, dessen distales Ende eine erste, zweite und dritte Düsenanordnung trägt. Von der ersten Düsenanordnung ist eine Düse 14, von der zweiten Düseanordnung eine Düse 16 und von der dritten Düsenanordnung eine Düse 18 dargestellt. Die erste Düse 14 ist so ausgelegt, dass sie ein Kühlmittel auf einen Bereich des Stahlwerkstücks 10 leitet, der an den zu härtenden Bereich des Stahlwerkstücks 10 grenzt. Die zweite Düse 16 ist hier als Koaxialdüse zum Laserstrahl ausgelegt. Durch die Düse 16 wird also der Laser auf das Stahlwerkstück 10 geleitet. Gleichzeitig kann über die Düse 16 ein Kühlmedium, zum Beispiel gekühlter Stickstoff, auf den zu härtenden Bereich geleitet werden, um die Temperatur im Optimum für das Laserhärten zu halten. Schließlich wird über die nacheilende Düse 18 ein Kühlmittel auf den durch die Laserbehandlung erwärmten Bereich des Stahlwerkstücks 10 (Härtebereich 20) geleitet.
2 ist eine Draufsicht auf den Anlagenkopf 12 in stark schematisierter Weise. Wie ersichtlich ist die erste Düsenanordnung als eine Doppelanordnung von Düsen 14', 14'' verwirklicht. Die Düsen 14', 14'' sind so angeordnet, dass sie an den zu härtenden Bereich angrenzende Bereiche des Stahlwerkstücks 10 mit Hilfe eines Kühlmediums kühlen. Durch die Koaxialdüse 16 wird der Laserstrahl zum Härtebereich 20 geleitet und gleichzeitig kann durch die Düse 16 ein Kühlmittel zur Regelung der Temperatur der Materialoberfläche in den mit Laser bestrahlten Bereichen zugeführt werden. Schließlich wird mit Hilfe der Düse 18 nacheilend der gehärtete Bereich 20 gekühlt.
Bezugszeichenliste

10: Stahlwerkstück
12: Anlagenkopf
14: Düse
14': Düse
14'': Düse
16: Düse
18: Düse
20: Härtebereich

Claims

Laserhärteanlage für das Laserhärten von Stahlwerkstücken (10) mit einer Kühlvorrichtung, die vor, während oder nach der Laserbehandlung zur Kühlung des Stahlwerkstücks (10) im zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) oder daran angrenzenden Bereichen dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung eine erste, zweite und dritte Düsenanordnung umfasst, wobei – die erste Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass ein erstes Kühlmedium über eine Düse (14) vorauseilend auf einen Bereich des Stahlwerkstücks (10) leitbar ist, der an den zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) grenzt; – die zweite Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass während der Laserbehandlung ein zweites Kühlmedium über eine Düse (16) auf den zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) leitbar ist und – die dritte Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass ein drittes Kühlmedium über eine Düse (18) nacheilend auf den durch Laserbehandlung erwärmten Bereich des Stahlwerkstücks (10) leitbar ist.
Laserhärteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder dritte Düsenanordnung so ausgelegt ist, dass das Kühlmedium von einer dem härtenden Bereich (20) abgewandten Seite des Stahlwerkstücks (10) angeströmt wird.
Verfahren zum Laserhärten von Stahlwerkstücken (10) mittels einer Laserhärteanlage mit einer Kühlvorrichtung, die vor, während oder nach der Laserbehandlung zur Kühlung des Stahlwerkstücks (10) im zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) oder daran angrenzenden Bereichen dient, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Kühlvorrichtung, die eine erste, zweite und dritte Düsenanordnung umfasst; – vorauseilendes Leiten eines ersten Kühlmediums über eine Düse (14) der ersten Düsenanordnung auf einen Bereich des Stahlwerkstücks (10), der an den zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10) grenzt; – Leiten eines zweiten Kühlmediums über eine Düse (16) der zweiten Düsenanordnung auf den zu härtenden Bereich (20) des Stahlwerkstücks (10); – nacheilendes Leiten eines dritten Kühlmediums über eine Düse (18) der dritten Düsenanordnung auf den durch Laserbehandlung erwärmten Bereich des Stahlwerkstücks (10).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder dritte Kühlmedium von einer dem härtenden Bereich (20) abgewandten Seite des Stahlwerkstücks (10) zugeführt wird.