Table Of ContentLaser in der Materialbearbeitung
Forschungsberichte des IFSW
W Bloehs
Laserstrahlharten mit angepafiten
Strahlformungssystemen
Laser in der Materialbearbeitung
Forschungsberichte des IFSW
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. habil. Helmut Hugel, Universitat Stuttgart
Institut fur Strahlwerkzeuge (IFSW)
Das Strahlwerkzeug Laser gewinnt zunehmende Bedeutung fiir die industrielle
Fertigung. Einhergehend mit seiner Akzeptanz und Verbreitungwachsen die An
forderungen beziiglich Effizienz und Qualitat an die Gerate selbst wie auch an
die Bearbeitungsprozesse. Gleichzeitig werden immer neue Anwendungsfelder
erschlossen. In diesem Zusammenhang auftretende wissenschaftliche und tech
nische Problemstellungen konnen nur in partnerschaftlicher Zusammenarbeit
zwischen Industrie und Forschungsinstituten bewaltigt werden.
Das 1986 begriindete Institut fur Strahlwerkzeuge der Universitat Stuttgart
(lFSW) beschaftigt sich unter verschiedenen Aspekten und in vielflHtiger Form
mit dem Laser als einer Werkzeugmaschine. Wesentliche Schwerpunkte bilden
die Weiterentwicklung von Strahlquellen, optischen Elementen zur Strahl
fiihrung und Strahlformung, Komponenten zur ProzeBdurchfiihrung und die
Optimierung der Bearbeitungsverfahren. Die Arbeiten umfassen den Bereich
von physikalischen Grundlagen tiber anwendungsorientierte Aufgabenstellun
gen bis hin zu praxisnaher Auftragsforschung.
Die Buchreihe "Laser in der Materialbearbeitung - Forschungsberichte des
IFSW" solI einen in Industrie wie in Forschungsinstituten tiitigen Interessen
tenkreis tiber abgeschlossene Forschungsarbeiten, Themenschwerpunkte und
Dissertationen informieren. Studenten solI die Moglichkeit der Wissensvertie
fung gegeben werden. Die Reihe ist auch offen fiir Arbeiten, die auBerhalb des
IFSW, jedoch im Rahmen von gemeinsamen Aktivitaten entstanden sind.
Laserstrahlharten mit angepafiten
Strahlformungssystemen
Von Dr.-Ing. Wolfgang Bloehs
UniversiHit Stuttgart
83
B. G. Teubner Stuttgart 1997
D93
Als Dissertation genehmigt von der Fakultiit fUr Konstruktions- und Fertigungstechnik der
Universitiit Stuttgart
Hauptberichter: Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Friedrich Dausinger
Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Dr. techno E. h. Karl KuBmaul
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufuahme
Bloehs, Wolfgang:
Laserstrahlhiirten mit angepaBten Strahlformungssystemen / von
Wolfgang Bloehs. - Stuttgart: Teubner, 1997
(Laser in der Materialbearbeitung)
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 1997
ISBN 978-3-519-06230-1 ISBN 978-3-322-94034-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-94034-6
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung
auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages
unzuliissig und strafbar. Das gilt besonders flir Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikrover
filmung und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1997
Kurzfassung
Die OberfHicheneigenschaften eines Bauteils bestimmen in vielen Fallen maBgeblich dessen
Funktion. Besonders deutlich wird dies dann, wenn beispielsweise Reibung und damit verbun
dene VerschleiBmechanismen auftreten. Aus diesem Grund ist haufig eine Modifikation ober
flachennaher Schichten erwiinscht, ohne den Bauteilkem zu beeinflussen. Der Laserstrahl als
prazise, leicht lenkbare WiirJnequelle bietet bei der Randschichtveredelung prinzipielle Vor
teile. So ist der Wiirmeeintrag in das Bauteil bei einer Laserstrahlhartung relativ gering, wor
aus sich ein gegenuber konventionellen Verfahren reduzierter Warmeverzug und damit ein
geringerer Nacharbeitsaufwand ergibt. Dennoch hat sich die Lasertechnologie aufgrund der
vergleichsweise hohen Kosten bislang nicht in der erwarteten Breite in der industriellen Ferti
gung durchgesetzt.
Die Reduktion der Kosten ist deshalb primares Ziel, urn die Wirtschaftlichkeit einer Laserbear
beitung zu erhohen. Neben der Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten fur Strahl
quell en und Handhabungssysteme kommt der Steigerung der ProzeBeffizienz, der Flexibilitat
und der Bearbeitungsqualitat als kostenwirksarnen Faktoren eine besondere Bedeutung zu. Die
vorliegende Arbeit verfolgt zu diesem Zweck den Ansatz, die Intensitatsverteilung des Laser
strahls mit Hilfe geeigneter Strahlformungssysteme an die Bauteilgeometrie anzupassen.
Dabei gliedert sich die Arbeit im wesentlichen in zwei Teile: experimentelle Untersuchungen
und theoretische Modellbildung.
Ausgangspunkt der experimentellen Arbeiten bildet die Untersuchung unterschiedlicher
Strahlformungssysteme. Anhand der prinzipiellen Erkenntnisse wird ihr Einsatz bei der Har
tung von exemplarischen Bauteilen untersucht. Es werden dabei Strahlformungssysteme vor
gestellt, deren charakteristische Intensitatsverteilung eine deutlich verbesserte ProzeBeffizienz
gegenuber herkommlichen Optiken ermoglicht. Der Einsatz angepaBter und variabler Strahl
formungssysteme verspricht eine erhOhte Flexibilitat beim Laserstrahlharten. Zurn Harten
schwer zuganglicher Stellen wird eine neu entwickelte, eintauchende Bearbeitungsoptik pra
sentiert. In diesem Zusammenhang werden auch die ProzeBkontrolle und die Integration des
Laserstrahlhartens in konventionelle Werkzeugmaschinen naher betrachtet.
1m zweiten Teil dieses Beitrags wird ein nurnerisches Modell vorgestellt, das es gestattet, die
metallkundlichen Vorgange beim Laserstrahlharten zu simulieren. Am Beispiel realer Bauteil
geometrien wird demonstriert, wie unter Berucksichtigung realer Intensitatsverteilungen die
lokale Harteverteilung nach einer Laserbearbeitung ermittelt wird. Der EinfluB der Strahlform
auf das Harteergebnis kann somit beurteilt und ein geeignetes Strahlformungssystem fur die
aktuelle Bearbeitungsaufgabe ausgewahlt werden.
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung 5
Inhaltsverzeichnis 7
Formelzeichen und Abkiirzungen 9
1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit 11
2 Grundlagen 13
2.1 Metallkundliche Vorgange ............................................................................................. 13
2.2 Energieeinkopplung ........................................................................................................ 16
2.3 Wiinnetransport .............................................................................................................. 21
2.4 EinfluB der Strahlforrnung auf das Laserstrahlharten ..................................................... 23
3 Stand der Technik 24
3.1 Strahlfiihrung und -forrnung ........................................................................................... 24
3.1.1 Leistungsiibertragung durch flexible Lichtleiter ................................................... 24
3.1.2 Optische Systeme zur Strahlforrnung .................................................................... 26
3.1.2.1 Deterrninierte optische Systeme ................................................................ 28
3.1.2.2 Variable optische Systeme ........................................................................ 30
3.2 ProzeBiiberwachung und -kontrolle ................................................................................ 32
3.3 Industrielle Anwendungen des Laserstrahlhartens ......................................................... 34
3.4 Bisherige Ansatze zur Modellbildung ............................................................................ 35
4 Neue Strahlformungssysteme 38
4.1 Beurteilungskriterien ...................................................................................................... 38
4.1.1 Strahl analyse zur Charakterisierung der Systeme ................................................. 38
4.1.2 Beurteilung der Harteergebnisse ........................................................................... 39
4.2 Strahlforrnungssysteme mit deterrninierten optischen Systemen ................................... 41
4.2.1 Optische Einzelelemente zur Strahlforrnung ......................................................... 42
4.2.1.1 Einzelfaser ................................................................................................. 42
4.2.1.2 Faserbiindel / Faserstab ............................................................................. 43
4.2.1.3 Kaleidoskop ............................................................................................... 44
4.2.1.4 Facettenintegrator ...................................................................................... 46
4.2.1.5 Axikon ....................................................................................................... 47
4.2.1.6 Hologramm ................................................................................................ 48
4.2.2 Erweiterte Moglichkeiten durch eine zusatzliche Abbildung ............................... 49
4.2.3 Erprobung der Einzelelemente in Harteexperimenten .......................................... 56
4.3 Strahlforrnung mit variablen optischen Systemen .......................................................... 64
8 Inhaltsverzeichnis
4.3.1 Oszillatoroptik ....................................................................................................... 64
4.3.2 Strahlkombinationsoptik ....................................................................................... 68
4.3.2.1 Addition von Strahlquellen ....................................................................... 69
4.3.2.2 Aufteilung eines Einzelstrahls zur Nutzung der Brewster-Absorption ..... 71
5 Exemplariscbe Anwendungen 74
5.1 Bearbeitung von Bauteilen .............................................................................................. 74
5.1.1 Kante ..................................................................................................................... 74
5.1.2 Sitzgeometrie ......................................................................................................... 75
5.1.3 Innenliegende Fliichen von Bohrungen ................................................................. 80
5.2 Integration in eine Bearbeitungsmaschine ...................................................................... 87
6 Modellbildung und Simulation 91
6.1 Randbedingungen fur das Simulationsmodell ................................................................ 91
6.2 Wiirmeleitungsrechnung ................................................................................................. 92
6.2.1 Zweidimensionale Bearbeitungssituation. ............................................................. 93
6.2.2 Dreidimensionale Bearbeitungssituation ............................................................... 94
6.3 Berechnung der lokalen Hiirteverteilung ........................................................................ 96
6.3.1 Zweidimensionale Kohlenstoffdiffusion ............................................................. 102
6.3.2 Eindimensionale Kohlenstoffdiffusion ................................................................ 104
6.3.2.1 Lineare Diffusion .................................................................................... 105
6.3.2.2 Kugeldiffusion ......................................................................................... 106
6.3.3 Uberpriifung und Bewertung der Hiirteberechnungen ........................................ 107
6.4 Hiirtung einer Innenkontur -Simulation und Experiment ............................................ 108
6.5 ProzeBsimulation fur Konstruktion und Fertigung ....................................................... 112
6.5.1 Kopplung zwischen CAD und Finite-Elemente-Prograrnm ................................ 112
6.5.2 Parameterstudien in Simulation und Experiment.. .............................................. 113
6.5.3 Untersuchung der Hiirtbarkeit eines Bauteils am Rechenmodell ........................ 116
7 Zusammenfassung und Ausblick 119
8 Literatur 122
Anbang 132
A: Analytische Berechnung der Wiirmeleitung ................................................................. 132
A.l: Eindimensionale Wiirmeleitung .......................................................................... 132
A.2: Niiherungslosung des Integrals ierfc der komplexen Fehlerfunktion .................. 133
B: Einige experimentelle Ergebnisse im DetaiL .............................................................. 134
C: Numerische Ansiitze zur Berechnung der Diffusion .................................................... 140
C.l: Numerische Erfassung der linearen Diffusion .................................................... 140
C.2: Numerische Erfassung der kugelsymmetrischen Diffusion ................................ 142
Danksagung 143
Formelzeichen und Abkiirzungen
A Absorptionsgrad
ACI °C Grenztemperatur der Umwandlung in Austenit
AC3 °C Grenztemperatur zum Erreichen homogenen Austenits
a m (Objekt-) Abstand
a' m Bildabstand
b Rechenvariable
C45 (Vergiitungs-) Stahl mit 0,45% Kohlenstoff (Werkst.-Nr. 1.0503)
c Konstante
Co mls Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
Cc Masse-% Kohlenstoffgehalt eines Materials
cp Jlkg·K spezifische W iirme
cw Dauerstrich-Betriebsart eines Lasers (~ontinuous-~ave)
D Jlmls Diffusionskoeffizient
d m Durchmesser
dL m Strahldurchmesser
E J Energie
Eu J/mm-3 spezifische Umwandlungsenergie
Exy J/mm-3 charakteristische Umwandlungsenergie fur den Werkstoff XY
e' m Hauptebenenabstand
F m2 Flache
f m Brennweite
g Rechenvariable
Hp J/m2 Energiedichte (irn PuIs)
H BV Hartewert eines Netzknotens
HF Hochfrequenz
HV Harte nach Vickers gem. DIN 50133
W/m2 Intensitat, Leistungsdichte
Ziihlvariable fur Netzknoten
j Zahlvariable fur Netzknoten
k Absorptionsindex
m Lange eines Abschnitts, KorngroBe
M Mittelpunkt
Mf °C Martensitfinishtemperatur
Ms °C Martensitstarttemperatur
m m Schrittweite auf der Zeitachse
N komplexer Brechungsindex
Nd:YAG Neodym-dotierter yttrium-Aluminium-Granat-Kristall
n Brechungsindex
Pabs W absorbierte bzw. eingekoppelte Leistung
10 Fonnelzeichen und AbkUrzungen
PL W Laserleistung
p Index fur Ebene parallel zur Einfallsrichtung des Strahls
Q J/s·m3 Wannemenge
q Rechenvariable
R Reflexionsgrad
Ra m Mittenrauhwert gem. DIN 4768
Rht HV Einhartungstiefe gem. DIN 50190 Teil 2
r m Radius
rB m Biegeradius
rL m Strahlradius
SI Stufenindex (stufenfonniger Dbergang zw. Brechungsindizes)
s Index fur Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung des Strahls
T Transmissionsgrad
T K,oC Temperatur
Tkrit Kls kritische Abkiihlgeschwindigkeit zur Bildung von Martensit
Tm °C Schmelztemperatur
t s Zeit
tL s Einschaltdauer des Laserstrahls, Wechselwirkungszeit
U Knotenpunkt
u lokale Kohlenstof:fkonzentration
uxx doppelte Ableitung d. Kohlenstof:fkonzentration nach dem Weg x
Y Knotenpunkt
v mls Yorschubgeschwindigkeit
w m Schrittweite auf der Wegachse
x m kartesische Ortskoordinate
y m kartesische Ortskoordinate
z m kartesische Ortskoordinate
a grd Einfallswinkel des Strahls bezGglich des Flachenlots
[3' AbbildungsmaBstab
f.r C/(Y·m) relative Dielektrizitatskonstante
llA Einkoppelgrad
IIp ProzeBwirkungsgrad
e
rad Strahldivergenz (Halbwinkel)
8 grd Raurnwinkel
Y·s/(Am) relative Penneabilitatskonstante
).lr
K m2/s Temperaturleitfahigkeit
A m Wellenlange
A W/(m·K) Wiinneleitfahigkeit
p kglm3 Dichte
1: s Zeit
cp grd Raurnwinkel
1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit
Die FWlktion vieler technischer Bauteile wird maBgeblich durch die Eigenschaften ihrer Ober
flache bestimmt. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn beispielsweise Reibung und damit
verbunden VerschleiBmechanismen aufireten, oder wenn das Bauteil hohen Temperaturen undl
oder korrosiven Umgebungseinflussen ausgesetzt ist. Urn die geforderten Oberfliicheneigen
schaften einzustellen, werden heute industriell eingefiihrte thermische Verfahren wie das Plas
maspritzen - zum Legieren oder Beschichten - sowie das Flamm- und das Induktionshiirten
eingesetzt. liel dieser Bearbeitungsverfahren ist es, oberfliichennahe Schichten des Werkstoff
gefUges zu verandem, ohne den Bauteilkem zu beeinflussen. Mit Hilfe dieser Veredlung der
Randschicht konnen Bauteile konstruiert und gefertigt werden, die bei hoher Funktionalitiit
gleichzeitig einen rationellen Gebrauch hochwertiger Werkstoffe ermoglichen.
In diesem Bereich erOffnet die Lasertechnologie mehrere prinzipielle Vorteile Ill. Sie beruhen
in erster Linie auf der Tatsache, daB der Laserstrahl als Warmequelle sehr leicht auf ausge
wiihlte Oberflachenbereiche gerichtet werden kann. Somit ist der Energieeintrag in das Bauteil
sowohl in zeitlicher, als auch in riiumlicher Hinsicht gezielt steuerbar. Auf diese Weise ergibt
sich fUr das Bauteil eine sehr geringe thermische Belastung und daraus folgend ein vergleichs
weise geringer Verzug, der hiiufig ohne weitere Nacharbeit toleriert werden kann. Desweiteren
ist die Qualitiit der mit dem Laser modifizierten Schichten oft hoher, als sie mit konventionel
len Techniken erzielbar ist. Dennoch haben Laseroberfliichentechnologien aufgrund der relativ
hohen Kosten bislang noch keine weite Verbreitung in der industriellen Fertigung gefunden.
Urn die Wirtschaftlichkeit einer Laserbearbeitung zu erhOhen, mussen deshalb deren Kosten
reduziert werden. Dies kann einerseits geschehen, indem die Investitions-und Betriebskosten
der Strahlquellen und der Handhabungssysteme durch technische Verbesserungen und weitere
technologische Entwicklungen gesenkt werden. Ein gutes Beispiel fUr diesen Aspekt sind die
Vereinfachung der StrahlfUhrung durch den Einsatz flexibler Lichtleitfasem fUr Festkorperla
ser und der Einsatz von Halbleiterlasem, deren Preis durch Massenproduktion in naher
lukunft die Kosten fur die Laserstrahlquelle drastisch reduzieren durfte. Auf der anderen Seite
erscheint der Wirtschaftlichkeitsgewinn durch eine erhohte Produktivitiit als ein weiterer
erfolgversprechender Ausgangspunkt. liel dieser Arbeit soIl es deshalb sein, neue Ansatze
aufzuzeigen, mit denen die Produktivitiit beirn Laserstrahlhiirten gesteigert werden kann. Die
Bezeichnung Produktivitiit sei dabei nicht nur auf den AusstoB an bearbeiteten Teilen pro leit
einheit beschrankt, sondem umfasse auch energetische und organisatorische Aspekte.
Eine zentrale Rolle bei diesen Untersuchungen kommt dabei der Form der Intensitiitsvertei
lung irn Strahlfleck zu. So kann gezeigt werden, daB durch eine entsprechende Strahlformung
die Effizienz des Hiirteprozesses gfrnstig beeinfluBt wird. Aus energetischer Sicht ist fUr die
Produktivitat der Laserbearbeitung in erster Linie die ProzeBeffizienz maBgeblich, bezeichnet
sie doch den Anteil der teuer erzeugten Laserenergie, der tatsiichlich bei der Umwandlung des
Werkstoffes umgesetzt wird. Bei der Betrachtung des ProzeBwirkungsgrades findet allerdings
ausschlieBlich das umgewandelte Werkstoffvolumen Beachtung; die Geometrie der Hiirtezone
wird nicht berucksichtigt. Die verschiedenen Strahlformungssysteme unterscheiden sich
jedoch insbesondere in der Gestalt der erzeugten Hartezone. Es sind also Strahlformen zu
W. Bloehs, Laserstrahlhärten mit angepaßten Strahlformungssystemen
© B. G. Teubner Stuttgart 1997
