Prinzip, Eigenschaften und Anwendung der Laserlöschtechnologie
Laserhärten ist ein hochmodernes Verfahren, bei dem hochenergetische Laserstrahlen eingesetzt werden, um Materialoberflächen über ihre Phasenübergangspunkte hinaus zu erhitzen. Beim anschließenden natürlichen Abkühlen wandelt sich Austenit in Martensit um, wodurch eine gehärtete Schicht mit außergewöhnlicher Härte und Verschleißfestigkeit auf der Produktoberfläche entsteht. Dieses Verfahren verändert die Mikrostruktur und die Eigenschaften von Werkstückoberflächen signifikant, ohne die Gesamtleistung des Grundmaterials zu beeinträchtigen. Durch kontrollierte Wärmebehandlung wird eine lokale Festigkeitssteigerung erzielt.
Zu den Charakteristika der Laser-Oberflächenlöschung gehören:
Hohe Leistungsdichte: Bei der Laser-Oberflächenhärtung wird ein fokussierter Laserstrahl als Wärmequelle genutzt, um die Oberfläche des Werkstücks schnell zu erhitzen und Austenit zu bilden.
Schnelles Erhitzen und Abkühlen: Das Verfahren ermöglicht ein schnelles Erhitzen innerhalb von Sekunden (typischerweise 0,01–0,001 Sekunden) und minimiert so effektiv die Werkstückverformung. Dieses saubere und effiziente Abschreckverfahren macht Wasser oder Öl als Kühlmittel überflüssig. Im Vergleich zu Induktionshärten, Flammhärten und Aufkohlen liefert das Laserhärten eine gleichmäßig gehärtete Schicht mit überlegener Härte (typischerweise 1–3 HRC höher als beim Induktionshärten).
Minimale Bauteilverformung: Der schnelle Aufheiz- und Abkühlprozess minimiert die Werkstückverformung und ermöglicht eine präzise Steuerung von Heiztiefe und -bahn. Dies ermöglicht die Automatisierung ohne die Notwendigkeit kundenspezifischer Induktionsspulen für unterschiedliche Bauteilgrößen, wie sie beim Induktionshärten erforderlich sind. Zudem entfallen die Ofengrößenbeschränkungen, die bei chemischen Wärmebehandlungen wie Aufkohlen und Abschrecken großer Bauteile auftreten. Daher ersetzt das Laserhärten zunehmend traditionelle Verfahren wie Induktionshärten und chemische Wärmebehandlung in verschiedenen industriellen Anwendungen. Besonders hervorzuheben ist, dass das Laserhärten vor und nach der Behandlung eine vernachlässigbare Materialverformung verursacht. Bei Hochtemperatur-Metallteilen, deren Abschrecktemperaturen nahe am Schmelzpunkt liegen, beschädigt die induktionsbasierte Oberflächenhärtung häufig Ecken oder unregelmäßige Bereiche, was zu Ausschuss führt. Das Laserhärten umgeht diese Einschränkung vollständig.
Daher eignet es sich besonders für die Oberflächenbehandlung von Teilen mit hohen Präzisionsanforderungen. Das behandelte Werkstück muss nicht geschliffen werden und kann als letzter Bearbeitungsschritt eingesetzt werden.
Geeignet für komplexe Formen: Kann für Bauteile mit komplexen Formen wie Sacklöcher, Innenbohrungen, kleine Nuten, dünnwandige Teile usw. verwendet werden. Hohe Vielseitigkeit: Dank der großen Laserfokussierungstiefe gibt es beim Abschrecken keine strengen Einschränkungen hinsichtlich Größe, Abmessungen oder Oberfläche der Teile. Im Gegensatz dazu erfordert das herkömmliche Abschrecken mit mittleren bis hohen Frequenzen kundenspezifische Induktionssensoren für verschiedene Teile.
Die Tiefe lasergehärteter Schichten liegt typischerweise im Bereich von 0,3 bis 2,0 mm, abhängig von Faktoren wie Materialzusammensetzung, Spezifikationen, Oberflächeneigenschaften und wichtigen Verarbeitungsparametern. Bei der Abschreckbehandlung von Wellenhälsen großer Getriebe oder Motorwellenkomponenten bleibt die Oberflächenrauheit im Wesentlichen unverändert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung zur Erfüllung spezifischer Betriebsanforderungen.
Beim Laserhärten kommen zwei Scanverfahren zum Einsatz: Schmalbandscanning mit kreisförmigen oder rechteckigen Laserflecken und Breitbandscanning mit linearen Laserflecken. Die Breite der gehärteten Zone beim Schmalbandscanning entspricht nahezu dem Fleckendurchmesser, typischerweise innerhalb von 5 mm. Für großflächige Härtungsanwendungen sind sequentielle Scans erforderlich, da sich überlappende Zonen zu Weichungszonen entwickeln. Die Breite dieser Zonen hängt von den Eigenschaften der Laserflecken ab; gleichmäßige rechteckige Flecken erzeugen im Allgemeinen schmalere Zonen. Um die negativen Auswirkungen von Weichungszonen zu minimieren, wird Breitbandscanning eingesetzt. Dieses Verfahren wandelt fokussierte kreisförmige Laserflecken in lineare um und vergrößert so die Scanbreite deutlich.
Die Forschung, Entwicklung und Anwendung der Laserhärtungstechnologie befinden sich derzeit in einer Wachstumsphase, obwohl die Bearbeitung komplex geformter Werkstücke weiterhin Herausforderungen darstellt. Als innovative Wärmebehandlungsmethode ermöglicht die Laserhärtung jedoch die Erreichung technischer Ziele, die mit herkömmlichen Oberflächenhärtungsverfahren nur schwer zu realisieren sind. Insbesondere entfällt bei diesem Verfahren der Einsatz von Kühlmedien während der Produktion, wodurch es den globalen Industriestandards für oxidationsarme und umweltfreundliche Fertigung entspricht. Es erweist sich als besonders effektiv für die Oberflächenwärmebehandlung verschiedener mechanischer Bauteile, darunter Schneidkanten von Werkzeugen, Ventildichtflächen, kleine Zahnräder, Miniaturformen, Automobilteile, Zahnkränze, Werkzeugmaschinenführungen, Motorwellen und Getriebewellen.