Laser 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