Laserstrahlhärten mit angepaßten Strahlformungssystemen: Laser in der Materialbearbeitung

1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit.- 2 Grundlagen.- 2.1 Metallkundliche Vorgänge.- 2.2 Energieeinkopplung.- 2.3 Wärmetransport.- 2.4 Einfluß der Strahlformung auf das Laserstrahlhärten.- 3 Stand der Technik.- 3.1 Strahlfühung und -formung.- 3.2 Prozeßüberwachung und -kontrolle.- 3.3 Industrielle Anwendungen des Laserstrahlhärtens.- 3.4 Bisherige Ansätze zur Modellbildung.- 4 Neue Strahlformungssysteme.- 4.1 Beurteilungskriterien.- 4.2 Strahlformungssysteme mit determinierten optischen Systemen.- 4.3 Strahlformung mit variablen optischen Systemen.- 5 Exemplarische Anwendungen.- 5.1 Bearbeitung von Bauteilen.- 5.2 Integration in eine Bearbeitungsmaschine.- 6 Modellbildung und Simulation.- 6.1 Randbedingungen für das Simulationsmodell.- 6.2 Wärmeleitungsrechnung.- 6.3 Berechnung der lokalen Härteverteilung.- 6.4 Hartung einer Innenkontur — Simulation und Experiment.- 6.5 Prozeßsimulation für Konstruktion und Fertigung.- 7 Zusammenfassung und Ausblick.- 8 Literatur.- A: Analytische Berechnung der Wärmeleitung.- A.1: Eindimensionale Wärmeleitung.- A.2: Näherungslösung des Integrals ierfc der komplexen Fehlerfunktion.- B: Einige experimentelle Ergebnisse im Detail.- C: Numerische Ansätze zur Berechnung der Diffusion.- C.1: Numerische Erfassung der linearen Diffusion.- C.2: Numerische Erfassung der kugelsymmetrischen Diffusion.- Danksagung.

Der Laserstrahl als präzise, leicht lenkbare Wärmequelle bietet bei der Randschichtveredelung prinzipielle Vorteile im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren. Die Reduktion der Kosten ist primäres Ziel, um die Wirtschaftlichkeit einer Laserbearbeitung zu erhöhen. Dabei kommt der Steigerung der Prozeßeffizienz, der Flexiblilität und der Bearbeitungsqualität als kostenwirksamen Faktoren eine besondere Bedeutung zu. Die vorliegende Arbeit verfolgt zu diesem Zweck den Ansatz, die Intensitätsverteilung des Laserstrahls mit Hilfe geeigneter Strahlformungssysteme an die Bauteilgeometrie anzupassen. Ausgangspunkt der experimentellen Arbeiten bildet die Untersuchung unterschiedlicher Strahlformungssysteme. Es werden dabei optische Systeme vorgestellt, deren charakteristische Intensitätsverteilung eine deutlich verbesserte Prozeßeffizienz gegenüber herkömmlichen Optiken ermöglicht. Der Einsatz angepaßter und variabler Strahlformungssysteme verspricht eine erhöhte Flexibilität beim Laserstrahlhärten. Zum Härten schwer zugänglicher Stellen wird eine neu entwickelte eintauchende Bearbeitungsoptik präsentiert. In diesem Zusammenhang werden auch die Prozeßkontrolle und die Integration des Laserstrahlhärtens in konventionelle Werkzeugmaschinen näher betrachtet. Ebenso wird ein numerisches Modell vorgestellt, das es gestattet, die metallkundlichen Vorgänge beim Laserstrahlhärten zu simulieren. Am Beispiel realer Bauteilgeometrien wird demonstriert, wie unter Berücksichtigung bestimmter Intensitätsverteilungen die lokale Härteverteilung nach einer Laserbearbeitung ermittelt wird. Der Einfluß der Strahlform auf das Härteergebnis kann somit beurteilt und ein geeignetes Strahlformungssystem für die aktuelle Bearbeitungsaufgabe ausgewählt werden. Aus dem Inhalt Laserstrahlhärten - determinierte und variable Strahlungssysteme - Effizienzsteigerung durch angepaßte Strahlformung -Strahlkom-binationso