DE4123577C2 - Verfahren zur Laserhärtung von Bauteilen - Google Patents
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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 (G. Stähli "Kurzzeit-Wärmebehandlung", Bericht über 12 Jahre Arbeit
des Fachausschusses 9 "Kurzzeit-Erwärmung", in: 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.
Desweiteren ist bekannt K. Wissenbach et al., "Umwandlungshärter mit CO₂-Laserstrahlung", (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.
Aus JP 63-299879 A in "Patents abstracts of Japan" 1989, Vol. 13, No. 130, Sec. M-808
ist auch ein Laserhärtungsverfahren, bei dem das zu behandelnde Bauteil teilweise in
ein Flüssigkeitsbad eingetaucht ist, bekannt. Bei diesem Verfahren ist von Nachteil,
daß hier keinerlei Variationsmöglichkeiten vorhanden sind, was zur Folge hat, daß eine
werkstoff- und bauteilgerechte Härtung unmöglich ist.
Darüber hinaus ist aus US 4,539,461 ein Verfahren zur Härtung von Zahnrädern mittels
Laserstrahl, bei dem die Gegenflanke des mit dem Laser bestrahlten Zahnradzahnes
mit Stickstoff über eine Art "Dusche" abgekühlt wird, bekannt. Mit diesem eine
eindimensionale Abschreckung der Gegenflanke des mit dem Laserstrahl behandelten
Zahnradzahnes beinhaltenden Verfahren sollen Anlaßwirkungen beim Zahnrad
verhindert werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß bei diesem Verfahren unmittelbar
ein Härteverzug auftritt, was zur Folge hat, daß eine definierte, gleichmäßige,
kontrollierte und steuerbare Härtung unmöglich ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Laserhärtung von Bauteilen
vorzuschlagen, mit dem sämtliche Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Laserhärtung von Bauteilen
vorzuschlagen, mit dem auch bei Bauteilen geringer Dicke große Einhärtetiefen
erreicht werden. und mit dem eine gleichmäßige und definierte Härtung möglich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren, wie es in Anspruch
1 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. In den Unteransprüchen 2 und 3 sind Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
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 nachstehendem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden.
Die Figur stellt dabei die Laserhärtung eines Bauteils mit geringer Masse mit
nachgeschalteter Dusche dar.
Die Figur 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 rechteckförmiger Intensitäts
verteilung 5, Spotlänge SL 42 mm, Spotbreite SB 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
Alkydharz 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 austenitisiert. Nach gezielt 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 an der Einwirkstelle 11a der Wasserdusche
11 erfolgt spritzfrei. Gleichzeitig wird durch die Wasserdusche 11, die über eine
Kühlwasserzuführung 11b mit Kühlwasser versorgt wird, 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 und/oder Absorption der bei der Lasereinwirkung frei werdenden Produkte
des Beschichtungsmittels.
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.
Bezugszeichenliste
2 Absorptionsschicht
3 Wasserbad
5 Leistungsprofil des Laserstrahles
7 Laserstrahleinwirkstelle
8 Laserstrahl
10 Kurvenscheibe
10a Kurvenscheibendurchmesser
10b Kurvenscheibenbreite
11 Wasserdusche
11a Einwirkstelle der Wasserdusche
11b Kühlwasserzuführung für Wasserdusche
12 Füllstandshöhe des Wasserbades
A Rotationsachse (Drehachse)
SB Spotbreite
SL Spotlänge
α Winkel zwischen Laserstrahleinwirkstelle und Wasserdusche
3 Wasserbad
5 Leistungsprofil des Laserstrahles
7 Laserstrahleinwirkstelle
8 Laserstrahl
10 Kurvenscheibe
10a Kurvenscheibendurchmesser
10b Kurvenscheibenbreite
11 Wasserdusche
11a Einwirkstelle der Wasserdusche
11b Kühlwasserzuführung für Wasserdusche
12 Füllstandshöhe des Wasserbades
A Rotationsachse (Drehachse)
SB Spotbreite
SL Spotlänge
α Winkel zwischen Laserstrahleinwirkstelle und Wasserdusche
Claims (3)
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, das Bauteil während der
Laserhärtung teilweise in eine die Selbstabschreckung des Bauteils unterstützende
Kühlflüssigkeit eintaucht und eine Relativbewegung Laserstrahl-Bauteiloberfläche
erfolgt, insbesondere zur Festphasen-Randschichthärtung rotatorischer,
prismatischer oder sphärischer Funktionsflächen von Bauteilen, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Bauteilen geringerer Masse, bei denen die Härtung
auf breiten Stegen erfolgt, die dreidimensionale Wärmeableitung hoher Intensität
erreicht wird, indem zusätzlich in Bewegungsrichtung in einem vom Werkstoff, der
Bauteilgeometrie, der Wärmeeinwirkungsdauer und der Laserleistung abhängigen
Abstand zur Laserstrahleinwirkstelle nachgeordnet auf das Bauteil eine
Kühlflüssigkeitsdusche einwirkt, wobei an der Einwirkstelle der
Kühlflüssigkeitsdusche die Temperatur der Randschicht des Bauteils ≧ der
A3-Temperatur ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil
während der Laserhärtung zur Hälfte in die Kühlflüssigkeit eingetaucht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Kühlflüssigkeit im Kühlflüssigkeitsbad und/oder in der Kühlflüssigkeitsdusche
Wasser verwendet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4123577A DE4123577C2 (de) | 1991-07-13 | 1991-07-13 | Verfahren zur Laserhärtung von Bauteilen |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4123577A1 DE4123577A1 (de) | 1993-01-21 |
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DE4123577A Expired - Fee Related DE4123577C2 (de) | 1991-07-13 | 1991-07-13 | Verfahren zur Laserhärtung von Bauteilen |
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- 1991-07-13 DE DE4123577A patent/DE4123577C2/de not_active Expired - Fee Related
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