Laserhärten
Homogene Wärmebehandlung, Eignung für alle Bauteilgeometrien und hohe Wirtschaftlichkeit zeichnen das Laserhärten mit Hochleistungsdiodenlasern aus.
Zu den Beispielen
Homogene Wärmebehandlung, Eignung für alle Bauteilgeometrien und hohe Wirtschaftlichkeit zeichnen das Laserhärten mit Hochleistungsdiodenlasern aus.
Zu den BeispielenZiel aller Härteverfahren ist eine Gefügeumwandlung von Stahl- und Gusseisenwerkstoffen mit einer Festigkeitssteigerung. Die ursprünglich ferritisch-perlitische Materialstruktur wird zunächst durch Erwärmung austenitisiert und dann durch Abschreckung in harten Martensit verwandelt. Das Härten mit Hochleistungsdiodenlaser besitzt hier den entscheidenden Vorteil, dass es eine ausschließlich lokale Wärmeeinbringung in beanspruchten Bereichen ermöglicht. Dadurch kann bei komplexen Bauteilen partiell gehärtet und die Duktilität des Ausgangsgefüges in anderen Zonen erhalten werden. Beim Induktionshärten ist eine derart lokale Bearbeitung in vielen Fällen nicht möglich und weist somit Nachteile im Vergleich zum Laserhärten auf. Da das Werkstück beim Laserstrahlhärten nur oberflächennah mit geringer Einhärtetiefe erwärmt wird und die Wärme über das benachbarte Material sehr effizient abgeführt wird, kann man in den meisten Fällen auf zusätzliche Abschreckmedien verzichten, was die Kosten niedrig hält. Da der Verzug im Vergleich zu anderen Härteverfahren minimal ist, entfallen oftmals zusätzliche Verfahren zur Korrektur von Materialverformungen.
Die Verfahren des Randschichthärtens mit Laser sind grundsätzlich für alle Werkstoffe einsetzbar, bei denen klassische Härteverfahren aufgrund des ausreichenden Kohlenstoffgehalts zum Einsatz kommen. Beim Härten mit Laser werden nur die besonders beanspruchten Stellen der Bauteile lokal gehärtet, zum Beispiel an Stählen und Gusseisen im Werkzeugbau. Besonders effektiv und flexibel lässt sich die thermische Bearbeitung von verschleiß- oder zyklisch belasteten Bauteilbereichen - beispielsweise in der Lohnfertigung - in Kombination mit einer Laserline Zoomoptik realisieren.
Diodenlaser eignen sich besonders gut zur Randschichtenhärtung von Stahlbauteilen. Der Laserstrahl erhitzt die oberflächennahen Bereiche eines Werkstücks auf 900 bis 1500°C und bewirkt eine wärmeinduzierte Austenitisierung des ursprünglich ferritischen Stahlgefüges. Bewegt sich der Strahl anschließend weiter, kühlt das Material an der bearbeiteten Stelle rasch ab (Selbstabschreckung), und es entsteht harter Martensit. Mit dem Laser ist dieser Prozess aus mehreren Gründen deutlich effizienter umzusetzen als mit Induktionsspulen oder Gasflammen. Erstens erhitzt das Material physikalisch bedingt schneller als bei anderen Verfahren. Zweitens lassen sich härtungsrelevante Zonen noch selektiver behandeln, auch durch lokale Wärmeeinbringung nur bestimmte Teile des Werkstücks erhitzen. Und drittens kann der Wärmeeintrag durch spezielle Strahlformungsoptiken mit integrierten Pyrometern oder Thermokameras exakt dosiert werden, nicht zuletzt unter Berücksichtigung verschiedener Wärmeableitungen innerhalb eines und desselben Bauteils. Der Diodenlaser eignet sich durch diese Eigenschaften hervorragend zur Behandlung geometrisch komplexer Gebilde, die in manchen Zonen eine Härtung erfordern, in anderen aber ihre Duktilität erhalten müssen. Diese Prozessvorteile ermöglichen überdies Kosteneinsparungen: Durch die geringe Verformung und die Selbstabschreckung des Materials fallen in der Regel keine oder nur geringe Maßnahmen zur Verzugskompensation und Kühlung an. Und das spiegelt sich letztlich positiv im Zeit- und Materialaufwand wider.
Das Härten mit Diodenlasern ermöglicht das Erreichen der jeweils werkstoffspezifischen Maximalhärte an Maschinenbauteilen, Werkzeugen sowie Zubehör- und Gebrauchsgegenständen. Die Temperaturregelung gewährleistet optimale Prozessergebnisse bei jedem Material und für die Anwendung optimale Härten. Die Laserwärmebehandlung kann aber auch genutzt werden, um hochfeste Materialien lokal in ihrer Festigkeit zu reduzieren. Somit ermöglicht sie eine bessere Verformbarkeit in lokalen Bereichen.
Ein Diodenlaser bietet gegenüber anderen Verfahren viele Vorteile:
Besonders prädestiniert für die Behandlung sind verschleiß- oder zyklisch belastete Bauteile, wie zum Beispiel Nockenwellen. In jedem Otto- und Dieselmotor reibt dort Stahl auf Stahl - die Kontaktzonen müssen auch gehärtet werden, sonst ist an eine Langlebigkeit der Teile kaum zu denken. Bei diesen komplexen Gebilden führt das Induktionsverfahren nicht weit; der Aufbau moderner Nockenwellen (mit mehreren Nockenbahnen und Schaltkulissen zur Zylinderabschaltung oder Änderung der Motorsteuerung) erfordert eine präzise Oberflächenhärtung, wie sie nur mit Diodenlasern möglich ist.Auch im Großwerkzeugbau sind Diodenlaser seit langem etabliert. Die ältesten Härteanlagen sind hier bereits seit 10 bis 15 Jahren in Betrieb. Da die Preise der Laserstrahlquellen seit Jahren kontinuierlich sinken, werden aber über diese typischen Einsatzgebiete hinaus auch ständig neue Applikationen erschlossen.
Das Härten mit Laser gehört zu den Randschichthärteverfahren und es werden in der Regel nur lokal die besonders beanspruchten Stellen von Bauteilen aus Stahl oder Gußeisen gehärtet - zum Beispiel im Werkzeugbau für Fahrzeugkarosserien.
Die Stahlstruktur wird nur in den oberflächennahen Bereichen eines Werkstücks - in einer Randschicht - erwärmt und verändert. Bei Vergütungsstählen kann dieser Bereich der Einhärtetiefe bis etwa 1,5 mm dick sein. Da der Diodenlaserstrahl aus verschiedensten Richtungen selektiv und flexibel auf das Werkstück gerichtet werden kann und sich die Temperatur auf dem Werkstück präzise steuern lässt, wird auch das Randschichthärten von geometrisch hochkomplexen Bauteilen möglich. Von Zahn- und Kettenrädern über Nocken- und Schneckenwellen bis hin zu Greif- und Schneidwerkzeugen oder Seiltrommeln kann mit Laserline Diodenlasern fast jede Oberflächengeometrie erfolgreich gehärtet werden.
Nockenwellen kommen im Verbrennungsmotor zum Einsatz. Die komplexe Geometrie heutiger Nockenwellen, wie sie für das Umschalten von Steuerzeiten oder die teilweise Zylinderabschaltung benötigt werden, ebenso ihr extrem materialbeanspruchendes Einsatzszenario verlangen ein zielgenaues und selektives Härten, bei dem die Stahlstruktur der Bauteilrandschicht ausschließlich lokal verfestigt wird. Im tieferliegenden Material muss duktiles Gefüge erhalten bleiben, damit die dauerbeanspruchte Welle sowohl hohe statische als auch hohe dynamische Lasten ertragen kann.
Auf die Lohnhärtung greifen Fertigungsbetriebe zurück, für die sich die Anschaffung eigener Härte-Equipments aus verschiedenen Gründen nicht rentiert. Diese Betriebe kommen aus den unterschiedlichsten Bereichen, sodass Lohnhärter eine Vielzahl von Anforderungsprofilen bedienen müssen. Laserline Diodenlaser sind hier ein herausragendes Werkzeug: Durch die Möglichkeit flexibler Strahlführung und die präzise Temperatursteuerung können sie fast jedes Werkstück erfolgreich bearbeiten. In der Anschaffung sind sie durch vergleichsweise niedrige Kosten die günstigsten aller verfügbaren Strahlquellen.
Darüber hinaus sind sie durch ihre hohe Energieeffizienz, ihre lange Lebensdauer und den geringen Wartungsaufwand auch im Betrieb von herausragender Wirtschaftlichkeit.
MATEX PM, ein Unternehmen aus Pilsen in Tschechien, bietet Job-Shop-Lösungen für verschiedene Metallanwendungen mit dem Diodenlaser an. Zusammen mit Laserline fand MATEX PM zum Beispiel eine Lösung zum Laserhärten, um eine aus Gusseisen bestehende Seiltrommel mit einem Durchmesser von zwei Metern und einem Gewicht von ca. 2,5 Tonnen vor zu hohem Verschleiß im Gebrauch zu schützen.
Welche Lasersysteme eignen sich besonders zum Härten? Hier finden Sie eine Auswahl.
