Laserstrahlhärten

Das Härten von härtbaren Stählen mittels Laserstrahlung, oft nur Laserhärten genannt, erfolgt typischer weise durch eine kurzzeitige lokale Erwärmung der Materialoberfläche bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur mit anschließender Abkühlung durch Selbstabschreckung in das umgebende kalte Material. Mit diesem Verfahren ist theoretisch bis zu 2 mm Einhärtetiefe (EHT) erreichbar.

 

Die Vorteile des Laserstrahlhärtens sind:

  • lokaler, begrenzt Wärmeeintrag, d. h. geringerer Verzug bzw. Minimierung des Verzugs
  • selektive Bearbeitung auch an sehr kleinen Stellen, das Bauteil bleibt duktil
  • präzise steuerbar, einfache Implementierung von temperaturkontrollierten und geregelten Prozessen
  • Selbstabschreckung, daher Trockenprozess
  • hohe Korrosionsbeständigkeit
  • energieeffizient, berührungslos
  • feinkörnige martensitische Struktur ohne austenitische Einschlüsse möglich
  • hohe Härten erzielbar

 

Zum Laserstrahlhärten werden heutzutage typischer Weise Diodenlaser im Leistungsbereich von wenigen 100 W bis in den Multi-kW Bereich eingesetzt. Hierfür stehen am LHM Diodenlaser mit Stahlleistungen mit 1,4 kW bzw. 2,5 kW in Verbindung mit speziellen Bearbeitungsoptiken und entsprechende Anlagentechnik zum geregelten Laserstrahlhärten zur Verfügung.

 

Weitere Informationen:

Eine Voraussetzung für das Laserstrahlhärten ist, dass das Material einen C-Gehalt > 0,3 % ausweist, was aber bei Vergütungs- und Werkzeug-, Schnellarbeits-, Warm- und Kaltarbeitsstählen gegeben ist. Die erreichbaren Einhärtetiefen (EHT) liegen theoretische bei bis zu 2 mm, praktisch sind jedoch EHT von bis ca. 1,5 mm realistisch. Hierfür muss aber genügend umgebendes Material zur Verfügung stehen. Dies hängt aber auch noch von einer Reihe weiterer Einflussfaktoren ab, wie z. B. dem Strahlprofil bzw. der Intensitätsverteilung, der Laserspotgröße sowie der Vorschubgeschwindigkeit und damit der Haltezeit, wie auch von der Wellenlänge der Laserstrahlung, die vom Material mit unterschiedlicher Intensität absorbiert wird u. a. Die erreichbare Härtesteigerung entspricht der zwei- bis vierfachen Härte des Grundmaterials. Realisierbare Spurbreiten sind im Bereich weniger zehntel Millimeter bis zu 20 mm und mehr möglich, die hauptsächlich von der zur Verfügung stehenden Laserstrahlleistung abhängen.

Neben dem "Vorschubhärten", das mit Prozessgeschwindigkeiten von typischer Weise mit 300 - 500 mm/min stattfindet, ist in der Fertigung auch ein "Standhärten" möglich, bei dem der Laserstrahl an der entsprechenden Stelle über dem Material für den Zeitraum der Haltezeit eingeschaltet und somit die Materialoberfläche für den typischen Zeitraum von max. 2 Sekunden bestrahlt wird. Eine Verlängerung der Bestrahlzeit ist nicht sinnvoll, da sonst das Material mehr durchgewärmt und damit die kritische Abkühlgeschwindigkeit zur Selbstabschreckung nicht mehr erreicht wird. Die zum Laserstrahlhärten notwendige Laserstrahlintensität liegt im Bereich von 5·103 - 1·105 W/cm². Die Verwendung einer höheren Intensität würde zum Aufschmelzen der Materialoberfläche und somit zur Zerstörung der Bauteilgeometrie führen.

Der Einsatz von Diodenlasern ist in der hohen verfügbaren Strahlleistung im Multi-kW Bereich in Verbindung mit einem sehr hohen Steckdosenwirkungsgrad von über 35 % begründet. Die nur durchschnittliche Strahlqualität dieser Laser ist in der Regel für das Laserstrahlhärten völlig ausreichend ist. Zudem werden häufig strahlformende Bearbeitungsoptiken eingesetzt, durch die die Intensitätsverteilung an die Bearbeitungsaufgabe entsprechend angepasst wird. Es ist aber auch die Verwendung von Scannern zur dynamischen Anpassung der Intensitätsverteilung im Bearbeitungsprozess möglich.

 

Analyse von Systemen für Laseroberflächenverfahren

Laufzeit: 2004 - 2006
Förderung: BMBF (Innoregio Innovationsregion Mittelsachsen „Innosachs“)
Projektpartner:
  • Dr. Teschauer Laser AG Chemnitz
  • LASERVORM GmbH Altmittweida
  • Fotec GmbH Chemnitz
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Strahlführungskomponenten und Stahlformung für die Laseroberflächenverfahren in Werkzeugmaschinen (Projekt am Laserinstitut Mittelsachsen e.V.)

Laufzeit: 2004 - 2006
Förderung: BMBF (Innoregio Innovationsregion Mittelsachsen „Innosachs“)
Projektpartner:
  • Dr. Teschauer Laser AG Chemnitz
  • LASERVORM GmbH Altmittweida
  • Fotec GmbH Chemnitz
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Verfahrensuntersuchungen für Applikationen zur Laserintegration

Laufzeit: 2002 - 2004
Förderung: BMBF (Innoregio Innovationsregion Mittelsachsen „Innosachs“)
Projektpartner:
  • Dr. Teschauer Laser AG Chemnitz
  • LASERVORM GmbH Mittweida
  • Fotec GmbH Chemnitz
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner

 

Kurzzeittemperaturverhalten austenitischer Stähle

Laufzeit: 1996 - 1997
Förderung: BMBF / AiF (Fachhochschulprogramm)
Projektpartner:
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
J. Drechsel, J. Bachale, H. Exner:
Konstruktion und Anwendung einer dynamischen Laserstrahlführung,
In: Lasermagazin 1/2012, S. 30-31

J. Drechsel, V. Neumann, J. Bachale, H. Exner:
Laserwerkzeuge,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 5/2006, S. 79-82

J. Drechsel, J. Bachale, H. Exner:
Neue Möglichkeiten der Oberflächenbearbeitung mittels Laserstrahlung,
In: Tagungsband des 9. Werkstofftechnischen Kolloquiums, Chemnitz, Schriftenreihe: Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen 24 (2006), S. 377 ff.

J. Drechsel, V. Neumann, J. Bachale, H. Exner:
Laseroptikwerkzeuge für Werkzeugmaschinen,
In: Lasermagazin 3/2005, S. 34

J. Drechsel:
Material processing with high power laser diodes,
In: Scientific Reports, Journal of the University of Applied Sciences Mittweida 9/1998, S. 143-148

H. Exner, F. Liebrecht:
Laserhärten von Schneidwerkzeugen,
In: Proceedings of 3rd European Conference on Laser Treatment of Materials (1990)

Anfragen
Forschungsgruppenleiter
Prof. Dr.-Ing. Udo Löschner
Tel.: +49 (0) 3727 / 58-1336
Fax: +49 (0) 3727 / 58-21336
eMail: udo.loeschner(at)hs-mittweida.de