Ausrüstung zum Laserhärten

Für das Experiment wurde die Laserlöschanlage iLAM-D-1004 verwendet. Die Anlage ist in Abbildung 1 dargestellt. Ihre Hauptkonfiguration ist wie folgt: 6-Achs-KUKA-Roboter, 3000-W-Laserline-Halbleiterlaser, Laserlöschkopf mit einem Einstellbereich der Spotgröße von 3.5 mm.3.5mm-21mmDarüber hinaus ist das System mit einem Zweifarben-Infrarotthermometer und einer Software zur geschlossenen Temperaturregelung im Bereich von 900-1500℃ ausgestattet.

Faserkopf LLK-C Glasfaser-Anschlussmodul Kollimationseinheit Bidirektionales Verstellformungsmodul Zweifarbiges Infrarot-Thermometer Thermometeranschluss 90°-Strahlteilermodul Fokussierspiegelmodul Schutzspiegelmodul

Teil 5 von Abbildung 2 zeigt ein Zweifarbenthermometer mit bidirektionaler Laserlinien-AutoZoom-Einstellung, das sich für Härteköpfe in industriellen Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung eignet. Der einstellbare und gleichmäßig verteilte rechteckige Laserfleck kann zur Oberflächenbehandlung von Teilen unterschiedlicher Größe eingesetzt werden. Die variable Spotlinsengruppe ermöglicht die Anpassung der Länge des homogenisierten quadratischen Laserflecks durch Motorantrieb. Der integrierte Motorantrieb unterstützt eine Standard-0-10-V-Analogsteuerung und benötigt eine Stromversorgung von 24 V/3 A. Die Linse kann mit einem Infrarot-Pyrometer zur geschlossenen Temperaturregelung ausgestattet werden.

Temperaturregelung im geschlossenen Regelkreis

Die Temperaturregelungssoftware LASCON® ermöglicht die präzise Steuerung der Laserbearbeitung. Die Bearbeitungstemperatur wird mittels eines Zweifarbenpyrometers erfasst. Hauptanwendungsgebiete sind Laserhärten, Mikrohärten und Laserschweißen (insbesondere von Kunststoffen) sowie alle Prozesse, die zu einem Temperaturanstieg des Werkstücks führen, wie beispielsweise Induktionserwärmung. LASCON® steuert, optimiert und überwacht Laserprozesse. Mithilfe einer einfachen Programmiersprache für Laserprozesse erkennt LASCON® erfolgreiche und fehlerhafte Bearbeitungsprozesse und sortiert Ausschussteile in der lasergestützten Fertigung zuverlässig aus. Die Software unterstützt speziell entwickelte Hardwarekomponenten wie den Controller LPC04, der Hochgeschwindigkeits-Infrarotpyrometer, Laserköpfe, Kalibriereinheiten und Adapter integriert. Die Integration in Maschinen und Anlagen ist unkompliziert. Das Softwarepaket ist in verschiedene Einheiten unterteilt und kommuniziert über das TCP/IP-Protokoll.

Das Prinzip des Abschreckens von Werkstoffen besteht darin, den Werkstoff auf eine bestimmte Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur Ac1 (738 °C) oder Ac3 (912 °C) zu erhitzen und diese Temperatur für eine gewisse Zeit zu halten, um eine vollständige oder teilweise Austenitisierung des Gefüges zu erreichen. Anschließend wird er mit einer Geschwindigkeit, die die kritische Abkühlgeschwindigkeit für die martensitische Umwandlung übersteigt, schnell auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Laserabschrecktemperatur hat somit einen deutlichen und wichtigen Einfluss auf die Qualität des Abschreckprozesses und wird durch die Prozessparameter bestimmt. Unterschiedliche Prozessparameter führen zu unterschiedlichen Abschrecktemperaturen. Die Abschrecktemperatur ist zudem ein intuitiver Parameter für wiederholte Abschreckvorgänge. Daher wird während des Laserabschreckprozesses üblicherweise eine Infrarotüberwachung eingesetzt, um die Abschrecktemperatur in Echtzeit zu messen und innerhalb eines angemessenen Bereichs zu halten. Das geschlossene Temperaturregelungssystem dient dazu, die Parameter des Laserlöschprozesses (hauptsächlich die Laserleistung) in Echtzeit anzupassen, um die Löschtemperatur auf einem geeigneten Wert zu stabilisieren.

Prozesstest

Das Versuchsmaterial ist vorgehärteter Kunststoffformenstahl 2738 mit einer Vorhärtungshärte von 29–33 HRC. Dieser Werkstoff wird hauptsächlich für große Kunststoffformen und Formrahmen, beispielsweise für Stoßfänger von Automobilen, Gehäuseformen für Fernsehgeräte usw., verwendet.

Auf Grundlage der einschlägigen Literaturrecherche zum Laserhärten wurde ein vorläufiger Versuchsaufbau erstellt. Das Härteverfahren war ein einstufiges Härten. Die Laserfleckgröße betrug 10 mm × 10 mm und die Abtastgeschwindigkeit 10 mm/s; diese Werte wurden konstant gehalten. Der Einfluss der Substratgröße auf die Härtequalität wurde vernachlässigt. Die Absorption des Lasers durch das Material wurde mit 100 % angenommen. Durch Variation der Härtetemperatur und Messung der Änderung der Härtetiefe der Schicht konnte die tatsächliche Laserleistung berechnet und mithilfe der Temperaturregelungssoftware in Echtzeit angezeigt werden.

Abbildung 5 zeigt den Zustand der abgeschreckten Oberflächen unter sechs Parametergruppen. Nach dem Abschrecken ist die Oberflächenoxidation bei 1# und 2# gering, die Abschrecktemperatur niedrig, die Spuren des Substratschleifens sind deutlich sichtbar und die Abschreckbreite von 1# ist relativ gering. Bei 3#, 4# und 5# ist die Oberflächenoxidation nach dem Abschrecken mäßig, die Spuren des Substratschleifens sind weitgehend verschwunden und die Abschrecktemperatur ist moderat. Bei 6# ist die Oberflächenoxidation nach dem Abschrecken stark, es kommt zu Oberflächenabplatzungen und die Abschrecktemperatur ist relativ hoch.

Oberflächenhärteprüfung

Die Härte nach dem Abschrecken wurde mit einem Leeb-Härteprüfgerät gemessen. Die spezifischen Messwerte sind in Tabelle 2 dargestellt. Aus den Härtewerten geht hervor, dass die Abschrecktemperatur von Probe 1 offensichtlich zu niedrig war; die Härte nach dem Abschrecken ist gering und schwankt stark. Die durchschnittliche Härte nach dem Abschrecken von Probe 2 beträgt 52.9 HRC und schwankt nur geringfügig. Gemäß den Materialeigenschaften des vorgehärteten Kunststoffformenstahls 2738 kann die Härte jedoch über 55 HRC erreichen. Offensichtlich war die Abschrecktemperatur von Probe 2 etwas zu niedrig. Die Härtewerte von Probe 3, 4, 5 und 6 liegen alle über 55 HRC, wobei die Härte von Probe 5 nahe an 60 HRC liegt und die Schwankungsbreite der Härte etwa 1 HRC beträgt. Ausgehend vom Zustand der Abschreckoberfläche und der Abschreckhärte wird vorläufig angenommen, dass bei einem Spot von 10 mm x 10 mm und einer Spot-Scangeschwindigkeit von 10 mm/s der sinnvolle Bereich der Abschrecktemperatur zwischen 1200 °C und 1400 °C liegt, der entsprechende Bereich der Laserleistungsdichte zwischen 1680 und 1980 W/cm² und der Bereich der Laseroberflächenenergiedichte zwischen 840 und 990 J/cm². Die Abschreckprozessparameter von Probe 5# sind die optimalen Parameter für dieses Experiment.

Tiefe der gehärteten Schicht

Zur Herstellung einer metallografischen Probe wurde ein Querschnitt eines einzelnen Abschreckprozesses entnommen. Dieser Querschnitt wurde mit einer 4%igen Salpetersäure-Alkohol-Lösung korrodiert. Die Vickers-Härteprüfung ergab, dass die effektive Tiefe der gehärteten Schicht von der Abschreckoberfläche bis zur Grenze der Wärmeeinflusszone des einzelnen Abschreckprozesses reichte. Die effektive Härtungstiefe der Probe 4# betrug 0.9 mm (siehe Abbildung 6). Die Härtewerte vom Grundmaterial bis zur Oberfläche der gehärteten Schicht sind in Tabelle 3 dargestellt.

Abbildung 6, Probe Nr. 4, Vickers-Härteprüfung, 50-fache Vergrößerung	Tabelle 3: Vickers-Härtewert der Probe Nr. 4