Laserstrahlhärten Gezielte Wärmebehandlung mit Laser macht präzises Härten möglich

Mit einer Hochleistungs-Diodenlaseranlage zum Laserhärten erweiterte die Härterei Gerster den Umfang ihres Leistungsprogrammes. Die Anlage bietet die Möglichkeit, Werkstücke mit geringem Wärmeeintrag äusserst präzise in den Zonen höchster Beanspruchung einer gezielten Wärmebehandlung zu unterziehen.

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Härterei Gerster AG

Da der Verlauf des Laserstrahls vom Bediener durch modernste Steuerung genau vorbestimmt werden kann, erlaubt der Laser auch die präzise Härtung kleindimensionierter und komplexer Geometrien. Da gegenüber anderen Verfahren beim Laserstrahlhärten wesentlich weniger Wärme in das Werkstück eingetragen wird, ist die wärmebeeinflusste Zone sehr klein und damit bleibt auch der thermische Verzug gering. Beim Abfahren der Härtezone erwärmt der Laserstrahl den Werkstoff örtlich sehr schnell auf 1100 bis 1300 °C.

Nach wenigen Sekunden über der Austenitisierungstemperatur wird die Härtezone direkt aus dem Werkstoff heraus abgeschreckt (Selbstabschreckung). Es bildet sich ein sehr feinkörniger, zäher Martensit. Durch die gleichmässige Abkühlung von innen nach aussen entstehen wesentlich weniger Spannungen. Da damit auch wesentlich weniger Rissgefahr als bei anderen Randschichthärteverfahren besteht, ist kein nachträgliches Anlassen des Werkstücks erforderlich. Die Zähigkeit des Grundwerkstoffs bleibt auch nach dem Härten erhalten.

Messsysteme kontrollieren und regeln die Temperatur

Abhängig von Grundwerkstoff, Wandstärke und Geometrie werden mit Vorschubgeschwindigkeiten von 100 bis 500 mm pro Minute Einhärtetiefen bis 1,5 mm erreicht. Durch entsprechendes Fokussieren des Laserstrahls kann die gehärtete Spur zwischen 2 und 20 mm Breite variiert werden. Nebeneinander gelegte Bahnen ergeben auch breitere Härtezonen.

Zwei Messsysteme sichern mit einer Genauigkeit von +/- 5 °C die zuverlässige Einhaltung der Temperaturen: Zum einen geschieht die Überwachung und Regelung der Oberflächentemperatur durch die punktförmige Messung eines Pyrometers und zum anderen durch eine Infrarot-CCD-Kamera. Beim Härten hat die Strahlquelle einen Abstand von ca. 200 mm zum Werkstück. Schlecht zugängliche Bereiche lassen sich mit einem nachgeschalteten Spiegelsystem erreichen.

Beim Laserhärten sehr geringer Werkstoffverzug

Alle direkt härtbaren Stähle mit Kohlenstoffgehalten zwischen 0,3 und 2 % lassen sich mit dem Laser härten. Zu diesen gehören beispielsweise Ck45 (Werkstoffnummer 1.1191), 34CrNiMo6 (1.6582), 50CrV4 (1.8159) oder Werkzeugstähle 1.2379 sowie 1.2312 aber auch der Sphärogusswerkstoff wie GGG60. Die gehärtete Martensitzone hat eine andere Gefügestruktur als der umgebende Grundwerkstoff, deshalb ist ein optischer Unterschied zwischen der Härtezone und der umgebenden Oberfläche des Werkstücks zu erkennen. Wird unter Schutzgas gehärtet, ist die Oberfläche anschliessend sogar blank.

Einige Punkte aus dem Vergleich mit klassischen Randschichthärteverfahren streichen die Stärken und Grenzen des Laserstrahlhärtens besonders deutlich heraus: Beim Induktionshärten werden ca. 10 und beim Flammhärten ca. 40 mm Einhärtetiefen erreicht. Dem gegenüber ist die Einhärtetiefe beim Laserstrahlhärten zwar auf ca. 1,5 mm begrenzt, allerdings übertrifft es die beiden erstgenannten Verfahren mit hochpräzisem Wärmeeintrag und deshalb äusserst geringem Werkstückverzug, ausserdem mit hoher Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit.

Aufgrund des geringen Werkstückverzugs kann der Härteprozess auch nach der Endbearbeitung durchgeführt werden. Das Laserstrahlhärten verursacht als Einzelprozess eventuell höhere Kosten als andere Härteverfahren, da jedoch Nachbearbeitungsoperationen wie Richten, Strahlen und Anlassen entfallen, liegen die insgesamt anfallenden Stückkosten trotzdem tiefer.

Überzeugende Beispiele für das Laserhärten

Das Einsatzportfolio des Laserhärtens lässt sich an einer Reihe von anspruchsvollen Beispielen anschaulich darstellen. So etwa wurde bei einem Umformwerkzeug aus 40CrMnMo7 ein komplexer Verschleisskantenverlauf mit einer Einhärtungstiefe von 0,8 mm auf 58 bis 60 HRC gehärtet.

Bei einem anderen Beispiel wurde die Schneidkante eines Seitenschneiders aus C60 mit einer Einhärtungstiefe von über 0,5 mm innerhalb einer Prozessszeit von etwa 2,5 Sekunden auf 880 HV0,05 gehärtet (Vickershärte bei einer Last von 50 g). Bei einem Schnittwerkzeug aus X155CrMoV wiederum wurde innerhalb einer Prozesszeit von drei Sekunden eine dreidimensionale Schnittkontur mit einer Spurbreite von acht Millimetern gehärtet.

Einsatz von Hochleistungs-Diodenlaser zum Härten

Die bei Gerster in Egerkingen installierte Hochleistungs-Diodenlaseranlage wird für das Laserhärten eingesetzt. Der Laserstrahl entsteht in vier Diodenstapeln mit je 750 Watt. Der Rohstrahl hat also eine Leistung von drei Kilowatt. Die Anlage bezieht eine elektrische Leistung von zehn Kilowatt aus dem Netz und nutzt diese mit einem Wirkungsgrad von 30 bis 40 %. Die Laserdioden erzeugen einen unsichtbaren Strahl mit einer Wellenlänge von 940 bzw. 980 Nanometern, also im nahen Infrarotbereich. Ab 650 Nanometern ist Licht für Menschen nicht mehr sichtbar.

Zum Einrichten der Anlage steht dem Bediener deshalb ein Pilotlaser mit sichtbarem rotem Strahl zur Verfügung. Um gesundheitliche Beeinträchtigungen der Bediener zu verhindern, befindet sich die Laseranlage in einer lichtdichten Kabine. Über infrarotes und rotes Licht abschirmende Sichtscheiben sowie einen Bildschirm an der Aussenseite kann die Anlage während der Arbeit beobachtet werden.

Laseranlage nutzt synchrone Ansteuerung von neun Achsen

Der sechsachsige Knickarmroboter, auf dessen Arbeitskopf die Laserstrahlquelle montiert ist, arbeitet mit einer Wiederholgenauigkeit von +/- 0,12 mm. Die Anlage nutzt die synchrone Ansteuerung von neun Achsen: der Knickarmroboter arbeitet mit sechs Achsen, mit einer weiteren Achse die Verfahreinheit, auf welcher der Roboter den sieben Meter langen, fünf Meter breiten und vier Meter hohen Arbeitsraum abfahren kann. Die achte und die neunte Achse bildet das Dreh-/Kippmodul, welches die Bearbeitung komplexer dreidimensionaler Konturen ermöglicht. Für lange und grossflächige Teile steht ein 3D-Aufspanntisch mit den Massen 2400 x 1200 x 600 mm zur Verfügung.

Aufgrund seiner Wellenlänge wird der Strahl aus dem Diodenlaser zu einem wesentlich höheren Grad absorbiert als der Strahl eines CO2-Lasers: Auf einer blanken Stahloberfläche erreicht der Diodenlaser zunächst eine Absorption von 30 bis 40 %, bei Einwirkung des Strahls verfärbt sich die Oberfläche und die Strahl-Absorption steigt auf 80 % an. Dem gegenüber wird ein CO2-Laserstrahl auf einer blanken, unbeschichteten Oberfläche nur zu etwa 5% absorbiert.

Das teilebezogene Maschinenprogramm kann bereits vor der Anlieferung der Teile erstellt werden. Dabei können die 3D-CAD-Daten der Konstruktion übernommen werden. Es ist kein Teaching des Roboters erforderlich. Die grafische Programmier- und Simulationssoftware erlaubt das vorherige Off-Line-Durchtesten des Arbeitsablaufes; somit besteht Prozesssicherheit schon ab dem ersten zu bearbeitenden Werkstück.

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