Laserhärten

Homogene Wärmebehandlung, Eignung für alle Bauteilgeometrien und hohe Wirtschaftlichkeit zeichnen das Laserhärten mit Hochleistungsdiodenlasern aus.

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Das Härten von Stahl ist eines der ältesten industriellen Verfahren. Seine Wurzeln reichen bis in die Antike zurück. Auch beim heutigen Laserstrahl härten werden noch immer die klassischen Ziele verfolgt: Durch gezieltes Härten definierter Oberflächenbereiche wird ein Bauteil vor Verschleiß und Korrosion geschützt. 

Das Laserstrahlhärten war eine der ersten Anwendungen für Diodenlaser in der Materialbearbeitung und hat bis heute nicht an Bedeutung im praktischen Einsatz verloren. Der Laser kann im Gegensatz zu anderen Verfahren sehr selektiv nur die gewünschten Bereiche härten. Sehr geringer oder nicht vorhandener Verzug spart dem Anwender Aufwand in der Nacharbeit. Dies kann bis zu 25% der Kosten in solchen Applikationen sparen.

Laserstrahlhärten – Das Verfahren

Ziel aller Härteverfahren ist eine Gefügeumwandlung von Stahl- und Gusseisenwerkstoffen mit einer Festigkeitssteigerung. Die ursprünglich ferritisch-perlitische Materialstruktur wird zunächst durch Erwärmung austenitisiert und dann durch Abschreckung in harten Martensit verwandelt. Das Härten mit Hochleistungsdiodenlaser besitzt hier den entscheidenden Vorteil, dass es eine ausschließlich lokale Wärmeeinbringung in beanspruchten Bereichen ermöglicht. Dadurch kann bei komplexen Bauteilen partiell gehärtet und die Duktilität des Ausgangsgefüges in anderen Zonen erhalten werden. Beim Induktionshärten ist eine derart lokale Bearbeitung in vielen Fällen nicht möglich und weist somit Nachteile im Vergleich zum Laserhärten auf. Da das Werkstück beim Laserstrahlhärten nur oberflächennah mit geringer Einhärtetiefe erwärmt wird und die Wärme über das benachbarte Material sehr effizient abgeführt wird, kann man in den meisten Fällen auf zusätzliche Abschreckmedien verzichten, was die Kosten niedrig hält. Da der Verzug im Vergleich zu anderen Härteverfahren minimal ist, entfallen oftmals zusätzliche Verfahren zur Korrektur von Materialverformungen.

Randschichthärten von Werkstoffen mit Diodenlaser

Die Verfahren des Randschichthärtens mit Laser sind grundsätzlich für alle Werkstoffe einsetzbar, bei denen klassische Härteverfahren aufgrund des ausreichenden Kohlenstoffgehalts zum Einsatz kommen. Beim Härten mit Laser werden nur die besonders beanspruchten Stellen der Bauteile lokal gehärtet, zum Beispiel an Stählen und Gusseisen im Werkzeugbau. Besonders effektiv und flexibel lässt sich die thermische Bearbeitung von verschleiß- oder zyklisch belasteten Bauteilbereichen – beispielsweise in der Lohnfertigung – in Kombination mit einer Laserline OTZ Zoom-Optik realisieren.

Die Prozess-Vorteile des Diodenlasers

Das Härten mit Diodenlasern ermöglicht das Erreichen der jeweils werkstoffspezifischen Maximalhärte an Maschinenbauteilen, Werkzeugen sowie Zubehör- und Gebrauchsgegenständen. Die Temperaturregelung gewährleistet optimale Prozessergebnisse bei jedem Material und für die Anwendung optimale Härten. Die Laserwärmebehandlung kann aber auch genutzt werden, um hochfeste Materialien lokal in ihrer Festigkeit zu reduzieren. Somit ermöglicht sie bessere Verformbarkeit in lokalen Bereichen.

Ein Diodenlaser bietet gegenüber anderen Verfahren viele Vorteile:

  • ideale Anpassung des Fokus an die Härtekontur
  • lokales Wärmebehandeln von definierten Teilbereichen
  • Integration des Härteprozesses in bestehende Produktionslinien
  • Härten von komplexen Geometrien möglich

Anwendungsbeispiele

Randschichthärten

Das Härten mit Laser gehört zu den Randschichthärteverfahren und es werden in der Regel nur lokal die besonders beanspruchten Stellen von Bauteilen aus Stahl oder Gußeisen gehärtet – zum Beispiel im Werkzeugbau für Fahrzeugkarosserien. 

Die Stahlstruktur wird nur in den oberflächennahen Bereichen eines Werkstücks – in einer Randschicht – erwärmt und verändert. Bei Vergütungsstählen kann dieser Bereich der Einhärtetiefe bis etwa 1.5 mm dick sein. Da der Diodenlaserstrahl aus verschiedensten Richtungen selektiv und flexibel auf das Werkstück gerichtet werden kann und sich die Temperatur auf dem Werkstück präzise steuern lässt, wird auch das Randschichthärten von geometrisch hochkomplexen Bauteilen möglich. Von Zahn- und Kettenrädern über Nocken- und Schneckenwellen bis hin zu Greif- und Schneidwerkzeugen oder Seiltrommeln kann mit Laserline Diodenlasern fast jede Oberflächengeometrie erfolgreich gehärtet werden.

Härten von Nockenwellen

Nockenwellen kommen im Verbrennungsmotor zum Einsatz. Die komplexe Geometrie heutiger Nockenwellen, wie sie für das Umschalten von Steuerzeiten oder die teilweise Zylinderabschaltung benötigt werden, ebenso ihr extrem materialbeanspruchendes Einsatzszenario verlangen ein zielgenaues und selektives Härten, bei dem die Stahlstruktur der Bauteilrandschicht ausschließlich lokal verfestigt wird. Im tieferliegenden Material muss duktiles Gefüge erhalten bleiben, damit die dauerbeanspruchte Welle sowohl hohe statische als auch hohe dynamische Lasten ertragen kann.

Lohnhärtung

Auf die Lohnhärtung greifen Fertigungsbetriebe zurück, für die sich die Anschaffung eigenen Härte-Equipments aus verschiedenen Gründen nicht rentiert. Diese Betriebe kommen aus den unterschiedlichsten Bereichen, sodass Lohnhärter eine Vielzahl von Anforderungsprofilen bedienen müssen. Laserline Diodenlaser sind hier ein herausragendes Werkzeug: Durch die Möglichkeit flexibler Strahlführung und die präzise Temperatursteuerung können sie fast jedes Werkstück erfolgreich bearbeiten. In der Anschaffung sind sie durch vergleichsweise niedrige Kosten die günstigste aller verfügbaren Strahlquellen.

Darüber hinaus sind sie durch ihre hohe Energieeffizienz, ihre lange Lebensdauer und den geringen Wartungsaufwand auch im Betrieb von herausragender Wirtschaftlichkeit. 

MATEX PM, ein Unternehmen aus Pilsen in Tschechien, bietet Job-Shop-Lösungen für verschiedene Metallanwendungen mit dem Diodenlaser an. Zusammen mit Laserline fand MATEX PM zum Beispiel eine Lösung zum Laserhärten, um eine aus Gusseisen bestehende Seiltrommel mit einem Durchmesser von zwei Metern und einem Gewicht von ca. 2,5 Tonnen vor zu hohem Verschleiß im Gebrauch zu schützen.