DE4123577A1 - Verfahren zur laserhaertung von bauteilen - Google Patents

Verfahren zur laserhaertung von bauteilen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laserhärtung von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen mittels Hochleistungslaser ab ca. 3 kW. Ihre Anwendung ist besonders vorteilhaft und zweckmäßig bei der Laserhärtung schmaler Funktionsflächen, insbesondere bei Kurvenscheiben, Kolbenringen, Nockenwellen und rotationssymmetrischen Scheiben und Rollen.
Es ist allgemein bekannt, daß dünne Randschichten mittels Laserstrahltechnik selektiv gehärtet werden können ("Kurzzeit- Wärmebehandlung" Bericht über 12 Jahre Arbeit des Fachausschusses 9 "Kurzzeit-Erwärmung" HTM, Bd. 39, Heft 3, Mai/Juni 1984, S. 81-90).
Das Wirkprinzip besteht darin, daß die austenitisierte Randschicht auch nach beendeter Energiebeaufschlagung, die durch den Laserstrahl erfolgt, durch die Wärmeableitung in das kalte Werkstoffinnere (Selbstabschreckung) die für eine Martensitbildung notwendige kritische Abkühlgeschwindigkeit erreicht. Dabei erwies sich jedoch als nachteilig, daß selbst bei günstigen Wärmeabfuhrverhältnissen (Verhältnis Stegbreit zu geforderter Einhärtetiefe) für die austenitisierte Randschicht bei unlegierten Stählen eine maximale Einhärtetiefe von nur 1,0 mm erreicht wird. Es gilt hierbei die allgemeine Regel, daß die maximal über Selbstabschreckung erreichbare Einhärtetiefe 1/7 der Bauteildicke beträgt. Das bedeutet, daß bei einer gewünschten Einhärtetiefe von 1,0 mm das Bauteil mindestens eine Dicke von 7,0 mm aufweisen muß.
Des weiteren ist bekannt (Zeitschrift Laser und Optoelektronik Nr. 3/1985, S. 291ff. oder "Beitrag zur Optimierung des Laserhärtens "Dissertation Dr. Dieter Burger, Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart, 1988, S. 91), daß bei steigender Energiedichte die Geschwindigkeit der Relativbewegung Laserstrahl-Bauteiloberfläche erhöht werden muß, um Anschmelzungen zu vermeiden. Dadurch verringern sich jedoch die nach der oben genannten allgemeinen Regel maximal erreichbaren Einhärtetiefen. Der Nachteil der bekannten Verfahren besteht also darin, daß eine Laserhärtung nur mit geringen Einhärtetiefen möglich ist, was besonders deutlich bei der Steghärtung von Bauteilen mit geringer Dicke auftritt und dazu führt, daß eine Laserhärtung von Bauteilen mit zu geringer Dicke unmöglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Laserhärtung von Bauteilen vorzuschlagen, mit dem auch bei Bauteilen geringer Dicke große Einhärtetiefen erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren, wie es in den Ansprüchen 12 bis 10 beschrieben ist, gelöst. Im Sinne dieser Erfindung ist unter Steg die zu härtende Funktionsfläche zu verstehen. Somit bedeutet im Sinne dieser Erfindung ein breiter Steg, daß die Spotbreite des Lasers an der Laserstrahleinwirkstelle kleiner als die Stegbreite ist, und ein schmaler Steg, daß die Spotbreite des Lasers an der Lasereinstrahlwirkstelle gleich oder größer als die Stegbreite ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung können vorteilhafterweise die Laserbehandlungszeiten verkürzt bzw. dem technologischen Gesamtprozeß so angepaßt werden, daß die mit der Laserbehandlung verbundene Bauteilerwärmung abgeführt wird und die Behandlungsparameter von Spuranfang und Spurende sowie von Spur zu Spur bei mehreren Behandlungsstellen konstant bleiben und damit die gewünschten und im Vergleich zum Stand der Technik bedeutend höheren Einhärtetiefen, die gewünschte Verzugsfreiheit und die gewünschten Härteparameter usw. gesichert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung soll an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen stellen dabei folgendes dar:
Fig. 1 Laserhärtung eines Bauteils mit geringer Masse auf schmalem Steg;
Fig. 2 Laserhärtung eines Bauteils mit geringer Masse mit nachgeschalteter Dusche;
Fig. 3 Laserhärtung eines Bauteils mit großer Masse (Vorderansicht);
Fig. 4 Laserhärtung eines Bauteils mit großer Masse (Seitenansicht).
1. Ausführungsbeispiel
Das in Fig. 1 dargestellte prismatische Bauteil (1) (20 mm breit (B) und 10 mm hoch (H)), besteht aus dem Werkstoff C 60 und besitzt ein normalisiertes Gefüge. Das prismatische Bauteil (1) ist mit einer wasserfesten Absorptionsschicht (2) (Alkydharzfüller) versehen und wird in einem Wasserbad (3) in einem Abstand (3a) von 5 mm unter der Wasseroberfläche deponiert. Die Bauteiloberfläche wird mit Stickstoff von Wasser freigeblasen und die freigeblasene Laserstrahleinwirkstelle (7) ist etwa so groß wie die Spotfläche des Laserstrahls. Im folgenden ist dieses Verfahren als "Härten unter Wasser" bezeichnet worden. Die Laserbehandlung erfolgt mit einem schnell-längs geströmten, 6 kW-CO₂-CW-Hochfrequenz angeregten Laser mit der Modstruktur TEM 01. Zur Laserstrahlformung wird ein eindimensionales Strahlscanningsystem (4) verwendet. Dabei wird der Laserstrahl (8) so geformt, daß die Amplitude in Vorschubrichtung (X) schwingt und damit eine ungewöhnlich lange Zeit zum Eindringen der Wärme in die Tiefe erreicht wird. Des weiteren ist in der Vorschubrichtung (X) ein überhöhtes Leistungsprofil (5) mit eingestellter Spotlänge (SL) uns Spotbreite (SB) vorhanden. Mit der nach optimierter Zeit einsetzenden Wasserkühlung (0,2 s beim Härten unter Wasser) werden große Einhärtetiefen ohne Anlaßeffekte erreicht.
Die Laserstrahlführung erfolgt gekapselt und endet in einem elliptisch geformten Mundstück für die Stickstoffdüse (6), dem ein Strahlschutz-Düsensystem (17) vorgeschaltet ist und aus dem gleichzeitig koaxial Stickstoff, als inertes Schutzgas, so ausströmt, daß beim Härten unter Wasser die momentane Laserstrahleinwirkstelle (7) vom darüberstehenden Wasser freigeblasen und der Luftsauerstoff ferngehalten wird. Die Laserbehandlung erfolgt dabei mit:
Laserleistung P|6000 W
Defokussierung 2d 21,4 mm
Relativgeschwindigkeit v 943,0 mm/min
Scannierungsamplitude im Fokus 7,8 mm
Scannierungsamplitude im Spot 21,4 mm
Im Ergebnis der Laserbehandlung erfolgte an diesem prismatischen, kleinformatigen und stegförmigen Bauteil (1) eine Aufhärtung ohne nachweisbaren Verzug.
Das Härtebild zeichnet sich durch folgende Parameter aus:
  • - nahezu parallel zur Funktionsfläche eingebrachte Härtezone; reine Festphasenhärtung
  • - Einhärtetiefe 1,7 mm
  • - Härte HRC 60
2. Ausführungsbeispiel
Fig. 2 zeigt die verfahrensgemäße Behandlung einer idealisierten Kurvenscheibe (10). Die Kurvenscheibe (10) mit ihren Abmessungen: Durchmesser (10a) 200 mm, Breite (10b) 17 mm wird von einem Laserstrahl (8) mit rechteckförmigem Leistungsprofil (5), Spotlänge (SL), Spotbreite (SB) 42 mm×21 mm bestrahlt. Die mittlere Laserleistung beträgt 6 kW, aber die Leistungsverteilung im Leistungsprofil (5) ist in Vorschubrichtung der Drehachse (A) trapezförmig in einem Verhältnis 2,5 : 1 überhöht. Die zu härtende Oberfläche (Festphasenhärten) ist mit einem wasserfesten Alkydharzhüller mit 50 µm Dicke als Absorptionsschicht (2) zur Verbesserung des Absorptionsverhaltens beschichtet. Die Bahngeschwindigkeit auf der Kurvenscheibe (10) beträgt 943 mm/min. Die Energieeinbringung erfolgt so, daß die bestrahlten Oberflächenelemente beim Verlassen der Laserstrahleinwirkfläche (7) auf 1350°C erhitzt sind.
Durch die mit der Erwärmung gleichzeitig einsetzenden Wärmeaustauschprozesse werden größere Materialtiefen austenisiert. Nach gezielter eingestellter Verzögerung von 1,5 s wird durch eine Wasserdusche (11) zusätzlich Wärme nach außen abgeleitet und eine Einhärtetiefe von 1,7 mm trotz kleiner Bauteilmasse erreicht. Die Wasserdusche (11) ist dabei justierbar angeordnet, um auf den Werkstoff und die gewünschte Einhärtetiefe einstellbar zu sein. Durch den Winkel α wird die jeweils notwendige verzögerte dreidimensionale Wärmeableitung eingestellt. Die Wasserdusche (11) ist dabei senkrecht auf die Oberfläche der Kurvenscheibe (10) eingestellt und die Wasseraufbringung erfolgt spritzfrei. Gleichzeitig wird durch die Wasserdusche (11) der Wasseraustausch und Füllstand (12) im Wasserbad (3) gesichert, um die Wiederanlassung des Bauteils zu verhindern. Im vorliegenden Beispiel ist das Wasserbad (3) bis zur Drehachse (A) mit Wasser gefüllt und die Kurvenscheibe (10) gibt beim Eintauchen in das Wasser ihre innere Wärme ab, wodurch sowohl die Anfangs- und Endbedingungen, als auch die Konstanz der Laserstrahlungsparameter während der Laserhärtung stabil gehalten werden. Gleichzeitig erfolgt durch die Wasserdusche (11) und das Wasserbad (3) eine teilweise Bindung/Absorption der bei der Lasereinwirkung freiwerdenden Produkte von dem Beschichtungsmittel.
Der Anfangs- bzw. Endpunkt der Laserbehandlung wird an die Stelle der geringsten Flächenpressung der Kurvenscheibe (10) gelegt und der Drehwinkel entspricht 360° plus der Spotlänge (SL).
3. Ausführungsbeispiel
Fig. 3 und 4 zeigen das erfindungsgemäße Verfahren für großformatige, rotationssymmetrische Bauteile in Vorder- (Fig. 3) und Seitenansicht um 90° gedreht (Fig. 4).
Zielstellung ist hier, die massiven Transportwalzen (13) auf der Oberfläche durch Martensithärtung verschleißfester zu machen und dabei auf Grund der dreidimensionalen Wärmeableitung eine Einhärtetiefe von <2,2 mm zu erreichen. Dazu wird die Transportwalze (13) mit einem Durchmesser (13a) von 6600 mm und aus dem Werkstoff 42CrMo4 bestehend, mit 40 mm breiten, schraubenlinienartig angeordneten Laserspuren (LS), fortlaufend behandelt (Spurüberlappung=0). Die 40 mm breite Laserspur (LS) wird durch ein eindimensionales Strahlscanning-System (4) erzeugt. Parameter sind:
Laserleistung P|6000 W
Defokussierung 2d 18 mm
Relativgeschwindigkeit v 133 mm/min
Scannierungsamplitude im Spot 35 mm
Nach Erwärmung der Transportwalze (13) durch den Laserstrahl (8) an der Laserstrahleinwirkstelle (7) und der gleichzeitig einsetzenden Wärmeausgleichsprozesse wirkt mit einer Zeitverzögerung von 1,8 s eine Wasserdusche (11) über die Laserspur (LS) ein, wodurch zusätzlich Wärme nach außen abgeleitet wird und die große Einhärtetiefe von 2,2 mm gesichert wird. Die Wasserdusche (11), die über die Kühlwasserzuführung (11b) mit Wasser gespeist wird, wirkt senkrecht und spritzfrei an ihrer Einwirkstelle (11a) ein. Der Winkel α zwischen Laserstrahleinwirkstelle (7) und Wasserdusche (11) beträgt in diesem Beispiel 0,07°. Auf ein zusätzliches Wasserbad kann auf Grund der großen Bauteilmasse verzichtet werden. Das auftreffende Wasser tropft ab und wird gesammelt bzw. abgeleitet.
Vor der Laserbehandlung wird eine 50 µm dicke Absorptionsschicht (2) aus Alkydharzfüller bestehend, auf die Transportwalze (13) aufgebracht.
Als Laser wird ein 7-kW-CO₂-Laser mit der Modstruktur TEM 20 verwendet. Zum Laserbehandeln wird die Transportwalze (13) in ein Aufnahmegestell (16) eingelegt, das mit einem gesteuerten Drehachsenantrieb gekoppelt ist. Der Laserbearbeitungskopf (9), der längs zur Drehachse (A) bewegt wird, beinhaltet das Strahl-Scanning-System (4), ein Querjet (14) zum Schutz der optischen Komponenten und ein Strahlschutz-Düsensystem (17), das an seinem Ende ein elliptisch geformtes Mundstück (6) zum Aufbringen des Stickstoffs über die Stickstoffzuführung (15) während der Laserbehandlung trägt. Der Laserbearbeitungskopf (9) selbst wird von einem gesteuerten Linearantrieb in Vorschubrichtung (X) nach dem Prinzip "Fliegende Optik" geführt. Die zur Laserhärtung notwendige Konstanz der Bearbeitungsgeschwindigkeit und der notwendige Vorschub werden durch die A- und X-Achsen CNC-Steuerung gesichert.
Aufstellung der verwendeten Begriffe und Bezugszeichen
 1 Prismatisches Bauteil
 2 Absorptionsschicht
 3 Wasserbad
 3a Wasserbadhöhe über Bauteiloberfläche
 4 Strahl-Scanning-System
 5 Leistungsprofil des Laserstrahles
 6 Mundstück für Stickstoffdüse
 7 Laserstrahleinwirkstelle
 8 Laserstrahl
 9 Laserbearbeitungskopf
10 Kurvenscheibe
10a Kurvenscheibendurchmesser
10b Kurvenscheibenbreite
11 Wasserdusche
11a Einwirkstelle der Wasserdusche
11b Kühlwasserzuführung für Wasserdusche
12 Füllstandshöhe des Wasserbades
13 Transportwalze
13a Durchmesser der Transportwalze
14 Querjet
15 Stickstoffzuführung
16 Aufnahmegestell der Transportwalze
17 Strahlschutz-Düsensystem
A Rotationsachse (Drehachse)
B Breite
H Höhe
LS Laserspur
SB Spotbreite
SL Spotlänge
X X-Achse (Vorschubrichtung)
α Winkel zwischen Laserstrahleinwirkstelle und Wasserdusche

Claims (10)

1. Verfahren zur Laserhärtung von Bauteilen aus über Martensitbildung härtbaren Eisenwerkstoffen mittels Hochleistungslaser ab ca. 3 kW, wobei der Laserstrahl einer geeigneten Strahlformung unterzogen wird und eine Relativbewegung Laserstrahl-Bauteiloberfläche erfolgt, mit großer Einhärtetiefe, insbesondere zur Festphasen-Randschichthärtung rotatorischer, prismatischer oder sphärischer Funktionsflächen von Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitung der durch die Laserbehandlung kurzzeitig erwärmten Oberfläche mit hoher Intensität dreidimensional gestaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bauteilen geringerer Masse, bei denen die Härtung auf schmalen Stegen erfolgt, die dreidimensionale Wärmeableitung hoher Intensität erreicht wird, indem das Bauteil während der Laserhärtung vollständig in eine, die Selbstabschreckung des Bauteils unterstützende Kühlflüssigkeit eingetaucht ist und die Kühlflüssigkeit direkt an der Lasereinstrahlwirkstelle mittels eines inerten Gases weggeblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegblasen der Kühlflüssigkeit direkt an der Lasereinwirkstelle erfolgt, indem die Gaszufuhr konzentrisch zum Laserstrahl mitgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitsstand bei Zu- und Ablauf über ein Überlaufsystem automatisch geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bauteilen geringerer Masse, bei denen die Härtung auf breiten Stegen erfolgt, die dreidimensionale Wärmeableitung hoher Intensität erreicht wird, indem das Bauteil während der Laserhärtung teilweise in eine die Selbstabschreckung des Bauteils unterstützende Kühlflüssigkeit eingetaucht wird, zusätzlich eine in Bewegungsrichtung in einem vom Werkstoff, der Bauteilgeometrie, der Wärmeeinwirkungsdauer und der Laserleistung abhängigen Abstand zur Laserstrahleinwirkstelle nachgeordnete Kühlflüssigkeitsdusche angebracht ist und an der Einwirkstelle der Kühlflüssigkeitsdusche die Temperatur der Randschicht des Bauteils ≧ der A3-Temperatur ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Härtung rotationssymmetrischer und rotationsunsymmetrischer Bauteile das Wiedereintauchen in die Kühlflüssigkeit nach Passieren der Kühlflüssigkeitsdusche durch den Kühlflüssigkeitsstand zeitlich entsprechend der Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Werkstoffes verzögert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil während der Laserhärtung zur Hälfte in die Kühlflüssigkeit eingetaucht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bauteilen, deren Größe und Masse so groß ist, daß bereits zu einem Großteil das Prinzip der Selbstabschreckung gewährleistet ist, die dreidimensionale Wärmeableitung hoher Intensität erreicht wird, indem nur eine Bewegungsrichtung in einem vom Werkstoff, der Bauteilgeometrie, der Wärmeeinwirkungsdauer und der Laserleistung abhängigen Abstand zur Lasereinstrahlwirkstelle nachgeordnete Kühlflüssigkeitsdusche angebracht ist und an der Einwirkstelle der Kühlflüssigkeitsdusche die Temperatur der Randschicht des Bauteils ≧ der A3-Temperatur ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Härtung rotationssymmetrischer und rotationsunsymmetrischer Bauteile der zeitliche Abstand zwischen Laserstrahleinwirkstelle und Kühlflüssigkeitsdusche in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes und der Bewegungsgeschwindigkeit des Bauteils gezielt eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit im Kühlflüssigkeitsbad und/oder in der Kühlflüssigkeitsdusche Wasser verwendet wird.
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