Präzisionsbearbeitung mit Festkörperlasern: Oberflächenbearbeitung
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| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1995
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| Schriftenreihe: | Handbuchreihe Laser in der Materialbearbeitung
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| adam_text | Titel: Präzisionsbearbeitung mit Festkörperlasern
Autor: Bergmann, Hans Wilhelm
Jahr: 1995
VII Inhalt 1 Die wichtigsten Ergebnisse in Kürze 1 1.1 Für den eiligen Leser 1 1.2 Komponenten, Maschinenkonzepte und Systemaspekte 1 1.2.1 Komponenten 2 1.2.2 Maschinenkonzepte 2 1.2.3 Systemaspekte 3 1.3 Werkstofftechnische Gesichtspunkte 3 1.3.1 Randschichthärten von Stählen 3 1.3.2 Randschichthärten von Gußeisen ohne Zusatzwerkstoff 4 1.3.3 Randschichthärten von Aluminiumwerkstoffen ohne Zusatzwerkstoff 4 1.3.4 Randschichtschmelzen mit Zusatzwerkstoff 5 1.3.4.1 Eisenwerkstoffe 5 1.3.4.2 Aluminiumwerkstoffe 6 1.3.4.3 Kupferwerkstoffe 6 1.3.4.4 Titanwerkstoffe 6 1.4 Wirtschaftlichkeit 6 2 Einführung in die Thematik des Handbuches 7 2.1 Einleitung 7 2.2 Lasermaterialbearbeitung mit Festkörperlasern 9 2.3 Einordnung der Oberflächenbearbeitung mit Festkörperlasern in die Systematik bestehender Oberflächenbearbeitungsverfahren 10 2.4 Präzisionsbearbeitung von Oberflächen mit Festkörperlasern 13 2.5 Zielsetzung des Verbundprojektes 14 2.6 Hinweise zum Gebrauch des Handbuches 14 3 Grundlagen der Materialbearbeitung mit dem Festkörperlaser 17 3.1 Physikalische Grundlagen 18 3.1.1 Grundlagen des Festkörperlasers 18 3.1.1.1 Laserprinzip des Nd:YAG-Lasers 18 3.1.1.2 Aufbau des Nd:YAG-Lasers 19 3.1.1.3 Zukünftige Entwicklungen 23
26 26 26 27 27 27 28 31 32 32 32 33 34 35 39 39 40 40 40 40 43 44 44 45 49 53 54 54 55 55 56 56 56 60 60 60 61 Betriebsarten, Strahldiagnose und charakteristische Strahlkenngrößen Betriebsarten cw-Betrieb Pulsbetrieb Strahldiagnose und -analyse Bedeutung der Strahluntersuchungen Methoden zur Strahldiagnostik Leistungsdichteverteilung, Strahlgeometrie Leistung Strahllage Polarisation Charakteristische Strahlkenngrößen Zeitliche Strahlcharakteristik Räumliche Strahlcharakteristik Fokussierung des Laserstrahls Strahlfuhrung und -formung Grundlagen der Laserstrahlbeeinflussung Strahlfuhrung Direkt, ohne optische Elemente Reflektiv Transmissiv Multifaserbündel Strahlformung Strahlformung bei der Strahlfuhrung Statische Strahlformung Dynamische Strahlformung Handhabungssysteme Kinematisches System Anforderungen Varianten Steuerung Anlagenkonzepte 2D-Bearbeitung 3D-Bearbeitung Strahl-Stoff-W echselwirkung Absorption von Laserstrahlung Optische Eigenschaften von Werkstoffen Absorption an Werkstoffen
62 64 65 66 66 67 68 69 72 72 73 75 76 76 78 78 84 84 87 91 91 92 92 95 96 99 101 101 102 104 106 107 107 107 107 108 108 Absorption und Eigenschaften der Laserstrahlung Absorption und chemische Zusammensetzung Absorption und Veränderungen des Werkstoffes Wärmeleitung Modellvorstellung Mathematische Grundlagen Analytische Lösungsansätze Numerische Lösungsansätze Prozeßgasströmungen Analyse der Prozeßgasströmungen an komplexen Werkstückgeometrien Laserlichtschnittverfahren Grundlagen zur Oxidation Eigenspannungen und Verzüge bei der Randschichtbehandlung Allgemeines Ergebnisse Zeitlicher Ablauf der Vorgänge im Werkstoff Einfluß der Prozeßparameter auf den Endzustand Eigenspannungen Verzug Werkstoffkundliche Grundlagen Prozeßsystematik Festphasenprozesse Umwandlungshärten Weitere Festphasenprozesse Randschichtschmelzen ohne Zusatzwerkstoff Randschichtschmelzen mit Zusatzwerkstoff Legieren Laserstrahlbeschichten Dispergieren Analysemethoden und Prüfverfahren Probennahme und -Vorbereitung Bestimmung der Härte Brinellhärte Vickershärte Rockwellhärte Bestimmung der Oberflächenrauheit Bestimmung des Verschleißes
X Inhalt 3.2.2.4.1 Stift-Scheibe-Test 109 3.2.2.4.2 Amsler-Verschleißtest 109 3.2.2.5 Bestimmung des Verzuges 110 4 Anwendungsmöglichkeiten des Festkörperlasers in der Oberflächenbearbeitung 115 4.1 Werkstofifkundliche Gesichtspunkte 115 4.1.1 Eisenwerkstoffe 115 4.1.1.1 Härten von Stählen 115 4.1.1.2 Umschmelzen von Gußeisen 124 4.1.1.3 Beschichten 129 4.1.2 Aluminiumwerkstoffe 142 4.1.2.1 Einteilung von Aluminiumwerkstoffen 142 4.1.2.2 Einfluß des Oberflächenzustandes und der Pulsenergie beim Randschichtschmelzen ohne Zusatzwerkstoff 143 4.1.2.3 Einfluß der Legierungszusammensetzung beim Randschichtschmelzen ohne Zusatzwerkstoff 145 4.1.2.4 Umschmelzlegieren von Aluminiumwerkstoffen 147 4.1.2.5 Dispergieren von Titankarbid 153 4.1.3 Kupferwerkstoffe 155 4.1.3.1 Un-und niedriglegierte Kupferwerkstoffe 155 4.1.3.1.1 Auftragschweißen auf Kupfer 157 4.1.3.1.2 Legieren von Kupfer 160 4.1.3.1.3 Einstufige Prozeßführung 160 4.1.3.1.4 Zweistufige Prozeßfuhrung 164 4.1.3.2 Kupfer-Zinn-Werkstoffe 166 4.1.3.2.1 Umschmelzen von Zinn-Bronze 166 4.1.3.2.2 Legieren von Zinn-Bronze 169 4.1.3.2.3 Umschmelzen von bleihaltiger Bronze 171 4.1.2.2.4 Beschichten von Blei-Bronze auf Stahl 171 4.1.3.3 Kupfer-Aluminium-Werkstoffe 171 4.1.3.3.1 Umschmelzen von Aluminium-Bronze 171 4.1.4 Titanwerkstoffe 173 4.1.4.1 Legieren 174 4.1.4.2 Einschmelzen von Hartstoffen im einstufigen Prozeß 180 4.1.4.3 Randschichtumschmelzen mit Zusatzwerkstoff im zweistufigen Prozeß 181 4.2 Fertigungstechnische Gesichtspunkte 185 4.2.1 Möglichkeiten der dynamischen Strahlformung 185
Inhalt XI 4.2.1.1 Wirkungsweise und Aufbau von Schwingspiegelsystemen 185 4.2.1.2 Varianten der Strahloszillation 188 4.2.1.2.1 Strahloszillation ohne Laserkopplung 188 4.2.1.2.2 Strahloszillation mit Laserkopplung 190 4.2.1.3 Simulation entstehender Intensitätsprofile 192 4.2.1.4 Anwendungsmöglichkeiten der Strahloszillation in der Randschichtbehandlung 194 4.2.1.4.1 Erzeugung breiter Spuren beim Festphasenhärten durch eindimensionale Laserstrahloszillation 194 4.2.1.4.2 Randschichthärten mit zweidimensionaler Strahloszillation 202 4.2.1.4.3 Erzeugung von Umschmelzspuren homogener Spurtiefe durch Laserstrahloszillation 203 4.2.2 Oberflächenbearbeitung an schwer zugänglichen Stellen 209 4.2.2.1 Geeignete Strahlformungssysteme 209 4.2.2.1.1 Strahlformende Eigenschaften des Lichtwellenleiters 209 4.2.2.1.2 Kaleidoskop 213 4.2.2.1.3 Facettenintegrator 215 4.2.2.1.4 Axikon 216 4.2.2.2 Prozeßkontrolle 218 4.2.2.3 Besonderheiten bei der Bearbeitung von Innenkonturen 221 4.2.3 Oberflächenbehandlung mikrotechnischer, schneiden- oder spitzenformiger Bauteilgeometrien 226 4.2.3.1 Ziel des Verfahrens 226 4.2.3.2 Verfahrensspezifika 227 4.2.3.3 Gerätetechnik 227 4.2.3.4 Diskussion der Ergebnisse 228 4.2.3.4.1 Versuche mit unterschiedlichen Bahnabständen 230 4.2.3.4.2 Abstand zwischen Bauteilkante und Härtebahn 232 4.2.3.5 Kennfelder für die Prozeßparameter 233 4.2.3.5.1 Betrachtung zur Wärmeleitung beim Laserstrahlhärten 234 4.2.3.6 Bewertung des Verfahrens 236 4.2.4 Anlagentechnische Gesichtspunkte des Laserstrahlhärtens 237 4.2.4.1 Kombination von Laser- und NC-Steuerung 237 4.2.4.2 Anbindung eines Nd:YAG-Lasers an konventionelle Werkzeugmaschinen 240 4.2.4.3 Randschichthärten von Werkzeugstählen 241 4.2.4.4 Untersuchung der Gebrauchseigenschaften von Multifaserbündeln 245 4.2.5 Apparative Gesichtspunkte der Feinbeschichtung 251
XII Inhalt 4.2.5.1 Lasersystem 251 4.2.5.2 Prozeßmedien 253 4.2.5.2.1 Pulverzuführ 253 4.2.5.2.2 Schutzgas 255 4.2.5.23 Cross-Jet 256 4.2.53 Absaugung 257 4.2.53.1 Offene Absaugung 257 4.2.53.2 Geschlossene Kammer 257 4.2.5.4 Bewegungssystem 258 4.2.5.5 Beeinflußbarkeit der Schichteigenschaften ausgewählter Werkstoffe durch die Verfahrensparameter 259 4.2.5.5.1 Geometrie und Aufmischung 260 4.2.5.5.2 Härte und Oberflächenbeschaffenheit 263 4.2.5.53 Verschleißeigenschaften 267 4.2.6 Vergleich unterschiedlicher Handhabungssysteme 269 4.2.7 Umwandlungshärten komplizierter Werkstückgeometrien 274 4.2.7.1 Prozeßfuhrung beim Härten verschiedener Werkstückgeometrien 280 4.2.7.2 Handhabung der Bauteile 280 4.2.7.3 Strahlformung und -fuhrung 282 4.2.73.1 Spiegeloptiken 283 4.2.73.2 Linsenoptiken 285 4.2.7.4 Prozeßgasführung 288 4.2.7.5 Verfahrensparameter 291 4.2.7.5.1 Einfluß der Pulsparameter auf das Einhärteergebnis 291 4.2.7.5.2 Einfluß der Vorschubgeschwindigkeit auf das Einhärteergebnis 292 4.2.7.53 Vergleich Modellrechnung - Experiment 294 5 Bearbeitungsbeispiele 299 5.1 Härten 299 5.2 Umschmelzen 322 5.3 Umschmelzlegieren 324 5.4 Beschichten 329 6 Vergleich Nd:YAG-Laser - C0 2 -Laser - Konventionelle Verfahren 339 6.1 Werkstoffkundliche und technologische Unterschiede 339 6.1.1 Zusammenstellung alternativer Behandlungsverfahren 339
339 340 340 340 341 341 342 344 346 347 347 348 348 348 349 351 351 355 357 357 359 359 360 361 362 363 363 363 366 368 369 369 Alternativen zum Laser-Randschichthärten bzw. Randschichtschmelzen Alternativen zum Laser-Randschichtschmelzen mit Zusatzwerkstoff Alternativen zum Laserstrahl-Randschichthärten bzw. Randschichtschmelzen Thermische Verfahren Tauchhärten Flammhärten Induktionshärten Werkstoffe für das Flamm- und Induktionshärten Elektronenstrahlhärten WIG-Umschmelzen Thermisch-chemische Verfahren Einsatzhärten Nitrieren Alternativen zum Laserstrahl-Randschichtschmelzen mit Zusatzwerkstoff Thermisches Spritzen Auftragschweißen Wirtschaftlichkeit Allgemeine Gesichtspunkte Grundlagen der Kalkulation Maschinenpreis einschließlich Nebenaggregaten Nebenkosten für Aufstellung und Anschluß Beispiele für die Berechnung der Kosten des Randschichthärtens mit Festkörperlasern Randschichthärten kleiner Bauteile Vergleich C0 2 -, Nd:YAG-Laser, Diodenlaser beim Härten Härten von Linearfuhrungen mit dem Nd:YAG-Laser Härten mit dem Nd:YAG-Laser und dem Roboter Arbeitssicherheit Potentielle Gefahrenquellen bei der Oberflächenbearbeitung Laserstrahlung Emission und Immission Anlagenbetrieb Kommentierung der anzuwendenden Bestimmungen Laserstrahlung
XIV Inhalt 7.2.2 Schadstoffemission 369 7.2.3 Anlagentechnik 372 7.3 Gesetze, Normen und Richtlinien 373 8 Richtlinien und Normen 375 8.1 Anwendung von Normen 375 8.2 Nationale und internationale Zusammenarbeit 378 8.3 Ergebnisse der fachbezogenen Normung 378 Liste der Verbundteilnehmer und Titel der Teilvorhaben 391 Literatur 393 Sachverzeichnis 401 Anhang Verwendete Abkürzungen, Symbole und Einheiten 403
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