Ein hartes Stück Arbeit

Über 30 Jahre lang wurden CO2-Laser für das Einsatzhärten eingesetzt, blieben aber aufgrund praktischer Gesichtspunkte auf einige wenige Nischen-Applikationen beschränkt. Die meisten Härtungs-Applikationen basieren derzeit immer noch auf Methoden ohne Laser-Einsatz. Allerdings wurde der direkte Hochleistungs-Diodenlaser in den letzten Jahren als praktikable Quelle für die Wärmebehandlung immer interessanter, und die Anwendungsgebiete dafür wurden zahlreicher.

Das Ziel des industriellen Härtens ist es, eine dünne Außenschicht des Stahls in Martensit umzuwandeln, um so eine widerstandsfähige, langlebige Oberfläche zu generieren. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, wenn der Stahlgrundkörper an sich seine ursprüngliche kristalline Struktur beibehält, da diese flexibler, weniger spröde und biegsamer ist. Da das Härten typischerweise erst dann erfolgt, wenn das Werkstück bereits geformt wurde, sollte der Prozess zu keiner Deformierung des Werkstückes führen. Andernfalls würde dies eine Nachbearbeitung erfordern, die das Werkstück wieder in seine ursprüngliche Form zurückführt. Typische einsatzgehärtete Produkte sind Arbeitsflächen, Schneidwerkzeuge, Pumpenteile, Ventilsitze und Dichtungsflächen, Komponenten von Gelenkwellen, Zahnrädern und Nocken, Formgebungs- und Stanzwerkzeuge, Turbinenblätter, Schlösser und sogar Handarbeitswerkzeuge oder Nadelspitzen. Es gibt derzeit eine Reihe von Techniken für den Härtungsprozess, und jede besteht aus einer Vielzahl von Varianten. Man kann sie in zwei große Kategorien aufteilen: in die Diffusionsmethoden und in die selektiven Härtungsmethoden. Die Diffusionsmethode erhitzt ein Stahl-Werkstück mit geringer Kohlenstoffkonzentration unter externer Zufuhr von Kohlenstoff in den austenitischen Bereich. Der Kohlenstoff diffundiert in die Oberflächenschicht. Anschließend wird das Werkstück schnell abgeschreckt.

Das selektive Härteverfahren wird typischerweise bei Stahlteilen angewandt, die ausreichend freien Kohlenstoff enthalten, um die gewünschte Härte zu erreichen. In diesem Fall wird die Oberfläche lokal erhitzt – in der Regel mittels einer Flamme oder elektrischer Induktion – so dass die gewünschte Stelle auf die austenitische Temperatur gebracht wird. Anschließendes Abschrecken erzeugt dann eine dünne Schicht Martensit.

Die Wärmebehandlung mit Lasern ist eine selektive Härtungstechnik, in welcher ein räumlich exakt definierter Laserstrahl als Wärmequelle fungiert. Das Licht wird direkt an der Oberfläche absorbiert und führt zu sehr schneller Hitzeentwicklung in dem belichteten Bereich, welche aber nicht zu tief in das Material eindringt. Abhängig von der Werkstückgröße, dessen Form und Material, führt die Wärmekapazität des Grundmaterials zu einer schnellen Abkühlung der Oberfläche und ermöglicht somit eine „Selbst-Abschreckung“.

Die Möglichkeit zur präzisen Kontrolle der Ausdehnung der belichteten Fläche zusammen mit der kurzen Zeitspanne der Energiezufuhr stellen die Hauptvorteile der Laser-Oberflächenbehandlung gegenüber anderen Techniken dar. Sie führen vor allem zu einer schnellen Bearbeitung, einer genauen Kontrolle über die Eindringtiefe der Modifikation und einer minimalen Verformung des Werkstückes; eine anschließende Formkorrektur ist hier nicht notwendig. Weiterhin führt in manchen Fällen die schnellere Abkühlung, wie sie bei der Laserbehandlung typischerweise auftritt, zu einer kleineren Körnung mit hervorragenden Verschleißwerten. Die Laserhärtung kann, aufgrund der auf der Oberfläche erzeugten Druckspannung, zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit führen. Die mit den neuesten Diodenlasern maximal erreichten Eindringtiefen sowie die erreichten Härtegrade sind für eine Auswahl von Metallen.

Im Vergleich dazu wird die Leistungsfähigkeit des Härtens mittels Flammen durch eine ausgesprochen geringe Reproduzierbarkeit, eine geringe Abkühlungscharakteristik und durch umgebungsbedingte Einflüsse stark eingeschränkt. Das induktive Härten führt typischerweise zu einer stärkeren thermischen Durchdringung und erfordert folglich eine aktive schnelle Abkühlung. Beide Prozesse haben eine unerwünschte und unkontrollierbare Deformierung des Metallteils zur Folge.

In einer Industrie, die sich stark in Richtung einer schlanken Produktion (Lean Manufacturing) bewegt, wurde das Einsatzhärten aufgrund seiner Bearbeitungsart in Chargen immer öfter ausgelagert. Im Gegensatz dazu ist die Laserbearbeitung eine Einstück Ein-Schritt-Bearbeitung, die sich leicht in ein Lean Manufacturing Umfeld integrieren lässt.

Natürlich stellt das Laserhärten keinesfalls ein Patentrezept oder den optimalen Ansatz für alle Applikationen dar. Die Laser-Wärmebehandlung hat dann Vorteile gegenüber anderen Methoden, wenn an einem Werkstück nicht alles, sondern nur eine spezifizierte und abgegrenzte Oberfläche gehärtet werden soll. Eine weitere optimale Applikation ist das Härten von besonders großen Werkstücken, wo die Behandlung mit herkömmlichen Verfahren zu kostenintensiv wäre. Für eine Wärmebehandlung von massiveren Werkstücken oder Prozessen, die im Batchverfahren funktionieren, ist der Laser klar im Nachteil.

Während CO2-Laser vor allem für einen weiten Bereich von Anwendungen gefragt sind, wo ein intensives und extrem lokalisiertes Erhitzen erforderlich ist, zum Beispiel Schneiden, Schweißen und Bohren, sind sie weniger gut geeignet, wenn es darum geht, den Anforderungen der Wärmebehandlung gerecht zu werden. Erfreulicherweise haben kontinuierliche Verbesserungen der Diodenlaser in Bezug auf Licht-Leistung und Kostenstruktur dazu geführt, dass diese jetzt eine attraktive Alternative für Härtungsanwendungen sind.

Einer der entscheidenden Vorteile der Diodenlaser gegenüber den CO2-Lasern ist ihre Wellenlänge. Die Wellenlänge von 10,6 µm des CO2-Lasers wird von nahezu allen Stahlsorten nicht gut absorbiert, so dass diese Werkstücke mit einer absorbierenden Beschichtung überzogen werden müssen. Die kürzere, nahe Infrarot Wellenlänge des Diodenlasers wird wesentlich besser absorbiert, was sie zur effizienteren Quelle für die Wärmebehandlung macht. Chemikalien zur Oberflächenbehandlung entfallen, und mit ihnen auch ihre Kosten und die Notwendigkeit zur Einhaltung ihrer Umweltschutzauflagen.

Im Bereich der Strahlform und -größe bieten die Dioden ebenfalls einen Gewinn. In den meisten Härtungsanwendungen ist die zu bearbeitende Fläche des Werkstückes größer als der Spot des Laserstahls. Folglich wird entweder das Werkstück oder der Laserstrahl bewegt, um die gesamte Fläche zu bearbeiten. Der CO2-Laser erzeugt einen sehr schmalen Strahl, der aufgeweitet und homogenisiert werden muss, um Intensitätsschwankungen zu eliminieren. Der Diodenlaser hat von Natur aus einen Strahl, der sehr gut zu vielen Härtungsaufgaben passt, und der leicht in eine Form gebracht werden kann, die genau die Bedingungen spezifischer Aufgaben erfüllt.

Die elektrische Effizienz (die Umwandlung von zugeführter elektrischer Energie zu brauchbarem Laserlicht) eines Diodenlasers ist zwischen drei und vier Mal höher als die eines CO2-Lasers. Dies führt automatisch zu geringeren Betriebskosten. Zudem ist der Diodenlaser sofort mit dem Einschalten betriebsbereit und benötigt somit keinen Strom für einen Standby-Modus. Verglichen mit dem CO2-Laser ist auch der Wartungsaufwand, und damit auch die dafür anfallenden Kosten, um Größenordnungen kleiner. Die Betriebsausfallzeiten sind ebenfalls geringer, da der Austausch eines kompakten Diodenlasers weniger Zeit in Anspruch nimmt als der eines sperrigen CO2-Lasers. Der Ersatzlaser kann sogar mit einem Overnight-Kurier versandt werden.

Der Diodenlaser kann auch einfacher integriert werden als der CO2-Laser. Durch seine elektrische Effizienz und seine kleinen Abmessungen können gleich mehrere dieser Laser von einem Netzteil versorgt werden. Dies ermöglicht eine simultane Wärmebehandlung mit mehreren Laserstrahlen. Ihre kleinen Abmessungen vereinfachen ihre Integration in CNC-Anlagen, so dass der Härtungsprozess direkt im Anschluss an die Werkstück-Herstellung erfolgen kann.

Zusammenfassend kann man sagen, dass der auf Lasern basierende Härtungsprozess für bestimmte Wärmebehandlungsaufgaben einige bedeutende Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden aufweist. Hervorragend geeignet ist er vor allem für selektives Härten, wenn es darauf ankommt bis in eine definierte Tiefe hinein oder eine klar umgrenzte Fläche zu härten, ohne dass das Werkstück eine Verformung erfährt. Nachfolgende Form-Korrekturprozesse werden unnötig. In manchen Fällen kann mit dem Laserhärtungs-Verfahren, verglichen mit anderen Methoden, ein größerer Härtegrad sowie eine erhöhte Ermüdungslebensdauer des Materials erreicht werden. Alle diese Eigenschaften sind besonders hilfreich bei der Härtung von Kolben, Nocken und Sägeblättern. Bisher haben die verfügbaren Lasertechnologien den Einsatz der Laserhärtung eingeschränkt.

Erfreulicherweise haben die neuesten Entwicklungen in der Technologie der direkten Diodenlaser dieses Bild komplett gewandelt. Heutzutage stellt die Wärmebehandlung mittels Lasern eine immer attraktivere Möglichkeit für viele Applikationen dar.

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